Pin lithium - ion là gì (chi tiết nhất)

Bài viết Pin lithium - ion là gì lớp 12 chi tiết nhất là kiến thức có trong chương trình Hóa học 12 giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm về Pin lithium - ion.

Pin lithium - ion là gì (chi tiết nhất)

1. Pin lithium - ion là gì?

- Pin lithium - ion thuộc loại pin sạc, được sử dụng trong máy tính laptop, điện thoại, máy quay phim, phương tiện giao thông chạy điện,...

- Pin lithium - ion có nhiều ưu điểm như nhẹ, nhỏ gọn, bền, mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và có thể sạc mọi thời điểm. Pin lithium - ion có nhược điểm là giá thành cao, dễ hư hỏng bởi nhiệt, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

2. Kiến thức mở rộng

2.1. Phản ứng oxi hoá - khử và dòng điện

Phản ứng oxi hoá - khử luôn kèm theo sự chuyển electron từ chất khử sang chất oxi hoá. Nếu các quá trình oxi hoá, quá trình khử xảy ra trên hai điện cực và electron được truyền từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn thì năng lượng của phản ứng hoá học sẽ chuyển thành năng lượng điện.

2.2. Pin Galvani

Minh hoạ 1 pin Galvani:

Ở 25 °C, nhúng một thanh Zn vào cốc đựng dung dịch ZnSO₄ 1 M, nhúng một thanh Cu vào cốc đựng dung dịch CuSO₄ 1 M. Nối thanh Zn và thanh Cu bằng dây dẫn, lắp một vôn kế để đo hiệu điện thế. Đóng kín mạch bằng một cầu muối.

- Ở thanh Zn xảy ra quá trình: Zn  →  Zn²⁺ + 2e

Thanh Zn trở thành nguồn cung cấp electron nên đóng vai trò là cực âm (anode). Các electron theo dây dẫn di chuyển sang điện cực Cu.

- Ở thanh Cu xảy ra quá trình: Cu²⁺ + 2e  →  Cu

Điện cực Cu là nơi nhận electron nên đóng vai trò là cực dương (cathode).

- Trong pin Zn - Cu xảy ra quá trình oxi hoá và quá trình khử trên các điện cực, nghĩa là xảy ra phản ứng oxi hoá - khử: Zn + Cu²⁺  →  Zn²⁺ + Cu

Phản ứng này giống như phản ứng xảy ra khi cho Zn tác dụng trực tiếp với dung dịch CuSO₄. Việc bố trí tách biệt hai cặp oxi hoá - khử ở hai điện cực tạo ra sự truyền electron từ chất khử sang chất oxi hoá qua dây dẫn để tạo ra dòng điện.

- Trong quá trình pin hoạt động, cầu muối cho phép các ion di chuyển qua, do đó vừa đóng kín mạch điện, vừa duy trì tính trung hoà điện của mỗi dung dịch.

- Sức điện động của pin đo ở điều kiện chuẩn gọi là sức điện động chuẩn. Sức điện động chuẩn có thể xác định dựa vào thế điện cực chuẩn của các cặp oxi hoá - khử tương ứng:

E° _pin = E°_cathode − E°_anode

Ví dụ: đối với pin Zn - Cu:

Tại anode:

Zn → Zn²⁺ + 2e                           $E_{Z{n}^{2+}/Zn}^o=-0,762V\left(E_{anode}^o\right)$

Tại cathode:

Cu²⁺ + 2e → Cu                          $E_{C{u}^{2+}/Cu}^o=+0,340V\left(E_{{{}_{cath}}_{ode}}^o\right)$

E_pin = E°_cathode - E°_anode = 0,340 V - (-0,762 V) = 1,102 V.

2.3. Một số loại pin khác

- Acquy là nguồn điện được sử dụng phổ biến trong các phương tiện giao thông, thiết bị lưu điện, phát điện. Acquy thuộc loại pin thứ cấp (pin sạc), các chất phản ứng được tái tạo trong quá trình sạc bằng dòng điện một chiều.

- Pin nhiên liệu là loại pin điện hoá chuyển đổi hoá năng thành điện năng thông qua phản ứng oxi hoá - khử giữa nhiên liệu và chất oxi hoá. Trong đó, các nhiên liệu thường là methane, methanol, ethanol, hydrogen,... còn chất oxi hoá thường là oxygen. Pin nhiên liệu hydrogen - oxygen có nhiều ứng dụng và triển vọng trong tương lai.

- Pin Mặt Trời (solar cell) gồm nhiều tấm vật liệu bán dẫn được ghép nối với nhau, có khả năng chuyển đổi quang năng thành điện năng.

Ưu, nhược điểm của acquy, pin nhiên liệu và pin Mặt Trời

Pin	Ưu điểm	Nhược điểm
Acquy chì	Dễ sản xuất, giá thành thấp. Hoạt động ổn định. Dễ thu hồi sulfuric acid và chì để tái chế.	Nặng, tuổi thọ thấp (trung bình khoảng 1 năm). Gây ô nhiễm môi trường và ngộ độc chì ở các làng nghề tái chế acquy cũ.
Pin nhiên liệu	Điều chỉnh được cường độ dòng điện nhờ thay đổi tốc độ dòng nhiên liệu. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, lượng chất phát thải ít và dễ kiểm soát.	Giá thành cao.
Pin Mặt Trời	Là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí gây ô nhiễm môi trường. Tận dụng được năng lượng vô tận của Mặt Trời.	Sản xuất khá phức tạp, giá thành cao. Cần nhiều ánh nắng nên phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết. Các tấm pin Mặt Trời hết hạn sử dụng có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường.

Ngoài ra:

- Pin khô:

+ Pin khô thuộc loại pin sơ cấp (không sạc được), được dùng trong thiết bị điều khiển, máy ảnh, đồ chơi,...

+ Pin khô có nhiều ưu điểm như năng lượng ổn định, giá rẻ, phù hợp các thiết bị di động. Pin khô có nhược điểm là điện áp thấp, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trường.

3. Bài tập minh họa

Câu 1.  Cho các phát biểu sau về pin lithium - ion

a. Pin lithium - ion có nhiều ưu điểm như nhẹ, nhỏ gọn, bền, mật độ năng lượng cao, sạc nhanh và có thể sạc mọi thời điểm.

b. Pin lithium - ion có nhược điểm là giá thành cao, dễ hư hỏng bởi nhiệt, tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

c. Phương trình phản ứng xảy ra khi pin LCO hoạt động: C₆ + LiCoO₂ ⟶ CoO₂ + LiC₆.

d. Pin lithium - ion được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị di động, máy tính xách tay,…

Số phát biểu đúng là

A. 1.

B. 2.

C. 3.

D. 4.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

Các phát biểu đúng gồm: a, b, c, d.

Câu 2. Cho các phát biểu sau

a. Pin lithium - ion thường được sử dụng trong các thiết bị điện tử như điện thoại di động và máy tính xách tay vì chúng có mật độ năng lượng cao và tuổi thọ dài.

b. Pin kiềm (alkaline) có thể được sạc lại nhiều lần mà không bị giảm hiệu suất.

c. Việc vứt bỏ pin vào thùng rác thông thường là an toàn và không gây hại cho môi trường.

d. Dung lượng của pin lithium - ion sẽ giảm dần tuổi thọ qua các lần xả. Sạc pin nhiều lần sẽ tốt hơn sạc ít lần. Do đó, việc sạc pin thường xuyên sẽ giúp pin có thể hoạt động tốt hơn là để pin hết sạch năng lượng rồi mới sạc.

Số phát biểu đúng là

A. 1.

B. 2.

C. 3.

D. 4.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

a. Đúng

b. Sai vì pin kiềm (alkaline) thông thường không được thiết kế để sạc lại. Mặc dù có một số loại pin kiềm sạc lại trên thị trường, nhưng chúng không phổ biến và hiệu suất thường không tốt như các loại pin sạc chuyên dụng như pin nickel-metal hydride (NiMH) hay pin lithium-ion. Việc sạc lại pin kiềm thông thường có thể gây ra rò rỉ hoặc giảm hiệu suất nhanh chóng.

c. Sai vì Pin chứa các hóa chất độc hại và kim loại nặng, như cadmium, chì, và thủy ngân, có thể gây hại cho môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Khi pin được vứt bỏ vào thùng rác thông thường, chúng có thể rò rỉ các chất độc hại vào đất và nước, gây ô nhiễm môi trường và đe dọa sức khỏe con người. Vì vậy, pin nên được tái chế hoặc xử lý thông qua các chương trình thu gom pin chuyên dụng để đảm bảo an toàn cho môi trường.

d. Đúng.

Câu 3. Phản ứng xảy ra khi sạc của một pin Lithium - ion là:

${\text{LiC}}_6\text{(s)}+{\text{CoO}}_2\text{(s)}\to {\text{LiCoO}}_2\text{(s)}+{\text{C}}_6\text{(s)}$

Biết rằng: dung lượng của pin được xác định bởi biểu thức: q = n_e​.F (n_e​ là số mol electron chuyển từ anode sang cathode khi pin hoạt động; F là 1 mol điện lượng);  MLiCoO₂​​ = 97,874 g/mol; 1 mol điện lượng là 96485 C và 1C = 1A.s.

Để có được một pin điện với dung lượng là 4000 mAh thì khối lượng LiCoO₂​ tối thiểu trước khi sạc là

A. 11,495 gam.

B. 14,607 gam.

C. 32,543 gam.

D. 17,493 gam.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

$n_e=\frac{q}{F}=\frac{4000\cdot {10}^{-3}\cdot 3600}{96485}=0,149\text{ mol}$ $\Rightarrow m_{{\text{LiCoO}}_2}=0,149\cdot 97,874=14,607\text{ gam.}$

 

Câu 4. Một loại pin Lithium - ion hoạt động dựa trên phản ứng:

${\text{LiC}}_6\text{(s)}+{\text{CoO}}_2\text{(s)}\to {\text{LiCoO}}_2\text{(s)}+{\text{C}}_6\text{(s)}$

có sức điện động chuẩn là 3,80 V. Điện năng (kWh) lớn nhất mà pin đó có thể sản sinh khi chuyển hoá hết 10 mol CoO₂ là (Biết 1kWh = 3,6⋅10⁶ J)

A. 3,12.

B. 1,02.

C. 2,04.

D. 6,24.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Ta có: $A=U\cdot I\cdot t=U\cdot n_{\text{e}}\cdot F=$ $\frac{3,80\cdot 10\cdot 96485}{3,6\cdot {10}^6}\text{ (kWh)}=1,02\text{ kWh}$

Câu 5. Nhược điểm của pin lithium - ion là

A. giá thành cao.

B. không thể sạc.

C. tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

D. khó sản xuất.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Nhược điểm của pin lithium - ion là tiềm ẩn nguy cơ cháy nổ.

Câu 6. Pin lithium - ion thuộc loại

A. pin sơ cấp.

B. pin có thể sạc.

C. pin không thể sạc.

D. pin mặt trời.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Pin lithium - ion thuộc loại pin có thể sạc.

Câu 7. Thiết bị nào sau đây sử dụng pin lithium – ion?

A. Điều hòa.

B. Quạt cây.

C. Bếp gas.

D. Điện thoại.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: D

- Pin lithium - ion thuộc loại pin sạc, được sử dụng trong máy tính laptop, điện thoại, máy quay phim, phương tiện giao thông chạy điện,...

Xem thêm các bài viết về định nghĩa & khái niệm môn Hóa học hay, chi tiết khác:

• Pin khô là gì

• Acquy chì là gì

• Sức điện động chuẩn là gì

• Điện phân là gì

• Nguyên tắc điện phân là gì

• Liên kết kim loại là gì

---