Cấu tạo của pin Lithium-ion trên ô tô điện ô tô hybrid

Thường làm từ graphite (than chì) hoặc các vật liệu carbon-based như graphene, silicon-doped graphite để tăng dung lượng. Trong quá trình sạc, ion Li⁺ xen kẽ (intercalate) vào cấu trúc graphite, tạo lớp SEI (Solid Electrolyte Interphase) bảo vệ. Ưu điểm: Chi phí thấp, ổn định. Nhược điểm: Giới hạn dung lượng (~372 mAh/g), có thể hình thành dendrite (cành cây lithium) nếu sạc nhanh, dẫn đến ngắn mạch.

Ví dụ thực tế: Trong Tesla Model 3, anode sử dụng graphite với silicon để đạt mật độ cao hơn.

Là nguồn cung cấp ion lithium, thường là oxide kim loại chuyển tiếp. Các loại phổ biến:

-LiCoO₂ (LCO): Mật độ cao nhưng đắt và kém an toàn.

-LiNiMnCoO₂ (NMC): Cân bằng giữa năng lượng, công suất và chi phí; tỷ lệ Ni:Mn:Co như 8:1:1 cho mật độ >200 Wh/kg.

-LiNiCoAlO₂ (NCA): Tương tự NMC nhưng dùng Al thay Mn, dùng trong Tesla cao cấp cho phạm vi dài.

-LiFePO₄ (LFP - Lithium Iron Phosphate): Ổn định, rẻ, an toàn cao nhưng mật độ thấp hơn (~160 Wh/kg).

Ví dụ thực tế: Chevrolet Bolt EV sử dụng NMC, BYD Blade Battery dùng LFP cho xe như Han EV, Tesla Model Y base model chuyển sang LFP từ 2021.

Anode: Là điện cực nơi xảy ra quá trình oxy hóa (oxidation), tức là nơi mất electron. Trong pin (electrochemical cell như pin lithium-ion), anode là cực âm (negative electrode) – nơi electron chảy ra khỏi pin để tạo dòng điện cho tải ngoài. Cathode: Là điện cực nơi xảy ra quá trình khử (reduction), tức là nơi nhận electron. Trong pin, cathode là cực dương (positive electrode) – nơi electron chảy vào pin từ mạch ngoài.

Sự phân biệt này dựa trên hướng dòng electron và phản ứng hóa học, không phải dấu (+) hoặc (-) cố định. Ví dụ: Trong quá trình xả pin (discharge): Ion Li⁺ di chuyển từ anode (cực âm) sang cathode (cực dương) qua chất điện phân, trong khi electron di chuyển từ anode ra ngoài đến cathode.

Trong quá trình sạc pin (charge): Quá trình ngược lại, nhưng định nghĩa anode/cathode vẫn giữ nguyên dựa trên phản ứng (oxy hóa tại anode).

Dung dịch lỏng hoặc gel chứa muối lithium như LiPF₆ trong dung môi hữu cơ (ethylene carbonate - EC, dimethyl carbonate - DMC). Cho phép ion Li⁺ di chuyển giữa anode và cathode. Trong pin trạng thái rắn, electrolyte rắn như sulfide hoặc oxide thay thế để tăng an toàn.

Lớp màng xốp polyolefin (PE/PP) dày 10-25 μm, ngăn anode và cathode tiếp xúc trực tiếp tránh ngắn mạch, nhưng cho ion qua với độ xốp 40-50%. Có thể phủ ceramic để tăng chịu nhiệt.

Lá đồng (anode, dày 8-10 μm) và lá nhôm (cathode, 12-15 μm) để thu thập electron. Được phủ slurry (hỗn hợp cathode/anode với binder như PVDF).

Trong BEV, pin đơn có hình dạng:

5.1 Hình trụ (cylindrical: 18650, 21700, 4680): Tesla sử dụng để dễ sản xuất hàng loạt, mật độ pack cao.

5.2 Túi (pouch): LG Chem cho GM Bolt, linh hoạt nhưng dễ hỏng.

5.3 Lăng trụ (prismatic): CATL cho BMW i3, dễ tích hợp module.

Ví dụ: Rivian R1T dùng prismatic NMC, Ford F-150 Lightning dùng pouch NMC.

Trong khi xả: Ion Li⁺ di chuyển từ anode sang cathode qua electrolyte: Anode: LiC₆ → Li⁺ + 6C + e⁻; Cathode: Li⁺ + e⁻ + MO₂ → LiMO₂ (M: kim loại).

Electron chảy qua mạch ngoài tạo dòng điện. Trong sạc: Ngược lại. Điện áp tế bào: 2.5-4.2V.

Một vấn đề lớn là thermal runaway (cháy nhiệt không kiểm soát), một phản ứng dây chuyền exothermic dẫn đến tăng nhiệt độ nhanh chóng, giải phóng khí, cháy nổ.

Thermal runaway xảy ra khi nhiệt sinh ra vượt quá khả năng tản nhiệt, tạo vòng lặp tự tăng cường. Quá trình chi tiết:

7.1 Khởi đầu (Initiation, ~70-100°C): Do lạm dụng cơ học (va chạm làm rách separator), điện (quá sạc hình thành dendrite xuyên separator), hoặc nhiệt (quá nóng từ môi trường). Dẫn đến nội ngắn mạch (internal short circuit), sinh nhiệt Joule (Q = I²R).

7.2 Phân hủy ban đầu (~100-130°C): Lớp SEI trên anode phân hủy: 2LiF + EC → Li₂CO₃ + khí. Electrolyte bắt đầu bay hơi, tăng áp suất.

7.3 Phản ứng chuỗi (~130-200°C): Separator tan chảy, tăng ngắn mạch. Anode và electrolyte phản ứng: Li + electrolyte → khí + nhiệt. Cathode phân hủy giải phóng oxy: 2LiNiO₂ → Ni₂O₃ + O₂ + nhiệt.

Công thức minh họa: Nhiệt sinh Q_gen = ∑ ΔH_r * r_i (ΔH_r: entanpi phản ứng, r_i: tốc độ). Nếu Q_gen > Q_diss (tản nhiệt), dT/dt >0 → runaway.

Hậu quả: Cháy nổ, như vụ Chevrolet Bolt recall 2021 do hư tấm ngăn (defect separator).

Để ngăn chặn thermal runaway: Thiết kế với lớp cách nhiệt (aerogel), hệ thống làm mát chất lỏng, BMS giám sát nhiệt độ.

Sơ đồ minh họa quá trình thermal runaway trong pin Li-ion (Nguồn: ENVO Drive).

Pin LFP sử dụng cathode LiFePO₄ có cấu trúc olivine ổn định, với liên kết P-O mạnh mẽ giữ oxy chặt chẽ, ít giải phóng oxy khi phân hủy so với NMC/NCA (giải phóng oxy dễ dàng từ Ni/Co). Nhiệt độ khởi đầu runaway cao hơn: ~210°C (LFP) so với ~170°C (NMC), cho phép tản nhiệt kịp thời. LFP không chứa Ni/Co độc hại, giảm phản ứng toả nhiệt. Hiệu suất an toàn: LFP chịu quá tải tốt hơn, ít thoát khí cháy. Tuy nhiên, vẫn có nguy cơ nếu hỏng nặng, nhưng lan chậm hơn.

Ví dụ: BYD Blade Battery (LFP) chịu đâm thủng mà không cháy, trong khi NMC dễ runaway hơn khi tai nạn.