Đề tài Pin và ăc quy - Phát triển công nghệ và thị trường

Nguồn điện hóa học là một hệ thốngtích trữ năng l-ợng hóa học vàkhi sử dụng đ-ợcbiếnđổithành điện năng d-ới dạng dòng điện một chiều. Ra đời vào đầu thế kỷ 18 (nh-pin volta - năm 1800; ăcqui axit chì do G. Planté phát minh năm 1859; pin Leclanché năm 1866. tr-ớccả phát minhra đynamôđiện doW.von Siemens), các nguồn điện hóa học đã chứng tỏ là một ph-ơngtiệncó hiệusuất biếnđổi năngl-ợng khá cao (60 - 90%) và ngày càng trở thành nguồn năng l-ợng phụ trợ không thể thiếu đ-ợc trong đời sống và công nghiệp. Nguồn điện hóa học có thể cung cấp năng l-ợng từ vài chục mWh (dùngtrong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt trong cơ thể, v.v.) cho đến hàngtrăm kWh (dùng chạy ô tô điện thế hệ HEV,EV sẽ thay động cơ xăng)hoặccực đạiđến hàng chục MWh (trạm phátđiện bằng pin nhiênliệu).Ngày nay chỉ riêng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, b-u chính viễn thông và điện tử không dây đang đ-ợc phát triển một cách bùng nổ, ta sẽ không thể hình dung nổi nếu không có các "nguồn điện bỏ túi" tiên tiến - đóng vai trò nh-là trái tim của hệ thống huyết mạch trong các ph-ơng tiện này. Trong chuyên đề "Nguồn điện hóa học - thành tựu và triển vọng", đ-ợc Trung tâm KHKT Hóa chất xuất bản vàotháng 6/1995,khi giớithiệu tổng luậnphântích giai đoạn1980 - 1995, tác giả có đề cập đến dự báo và chiến l-ợc phát triển nguồn điện hóa học trên thế giới cho đến cuốithế kỷ 20. Trong đó có nói vềtriển vọng của nguồn điện Liti - một nguồn điện thuộc thế hệ thứ 3, lúc đó mới có sản phẩm chế thử pin Liti và ăcquy ion Li (loại AA) dự kiếnlàm nguồn nuôi cho điệnthoại di động (ĐTDD). M-ời năm sau ở vào thời điểm hiệnnay, ăcquy ion Li đã hoàn toàn đáp ứng bão hòa thị tr-ờng ĐTDD (có tốc độ tăng tr-ởng ~ 20%/năm). Sự phát triển của công nghiệp điện tử không dây luôn luôn là một động lực của sự phát triển công nghiệp battery "xách tay". Chính vì vậy, khimà xu thế đ-ợc gọi là "hội tụ kỹ thuật số", nghĩa là một ĐTDD có thể làm cả việc chụp ảnh, quay video, nghe nhạc số, duyệt web.bùng nổ thì đã có thể nhìn thấy tr-ớc, cần một loại nguồn điệnmạnh hơn, không phải nạp để thay thế ăcquy ion Li. Ng-ời ta đang chú ý đến pin nhiên liệu "bỏ túi" chạybằng r-ợu metanol trực tiếp, đ-ợc gọi là pin DMFC?

pdf67 trang | Chia sẻ: lvbuiluyen | Ngày: 18/10/2013 | Lượt xem: 3825 | Lượt tải: 12download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Pin và ăc quy - Phát triển công nghệ và thị trường, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ĐỀ TÀI Pin và ăc quy - Phỏt triển cụng nghệ và thị trường I. mở đầu Nguồn điện hóa học là một hệ thống tích trữ năng l−ợng hóa học và khi sử dụng đ−ợc biến đổi thành điện năng d−ới dạng dòng điện một chiều. Ra đời vào đầu thế kỷ 18 (nh− pin volta - năm 1800; ăcqui axit chì do G. Planté phát minh năm 1859; pin Leclanché năm 1866... tr−ớc cả phát minh ra đynamô điện do W. von Siemens), các nguồn điện hóa học đã chứng tỏ là một ph−ơng tiện có hiệu suất biến đổi năng l−ợng khá cao (60 - 90%) và ngày càng trở thành nguồn năng l−ợng phụ trợ không thể thiếu đ−ợc trong đời sống và công nghiệp. Nguồn điện hóa học có thể cung cấp năng l−ợng từ vài chục mWh (dùng trong đồng hồ đeo tay, máy tạo nhịp tim đặt trong cơ thể, v.v...) cho đến hàng trăm kWh (dùng chạy ô tô điện thế hệ HEV, EV sẽ thay động cơ xăng) hoặc cực đại đến hàng chục MWh (trạm phát điện bằng pin nhiên liệu). Ngày nay chỉ riêng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, b−u chính viễn thông và điện tử không dây đang đ−ợc phát triển một cách bùng nổ, ta sẽ không thể hình dung nổi nếu không có các "nguồn điện bỏ túi" tiên tiến - đóng vai trò nh− là trái tim của hệ thống huyết mạch trong các ph−ơng tiện này. Trong chuyên đề "Nguồn điện hóa học - thành tựu và triển vọng", đ−ợc Trung tâm KHKT Hóa chất xuất bản vào tháng 6/1995, khi giới thiệu tổng luận phân tích giai đoạn 1980 - 1995, tác giả có đề cập đến dự báo và chiến l−ợc phát triển nguồn điện hóa học trên thế giới cho đến cuối thế kỷ 20. Trong đó có nói về triển vọng của nguồn điện Liti - một nguồn điện thuộc thế hệ thứ 3, lúc đó mới có sản phẩm chế thử pin Liti và ăcquy ion Li (loại AA) dự kiến làm nguồn nuôi cho điện thoại di động (ĐTDD). M−ời năm sau ở vào thời điểm hiện nay, ăcquy ion Li đã hoàn toàn đáp ứng bão hòa thị tr−ờng ĐTDD (có tốc độ tăng tr−ởng ~ 20%/ năm). Sự phát triển của công nghiệp điện tử không dây luôn luôn là một động lực của sự phát triển công nghiệp battery "xách tay". Chính vì vậy, khi mà xu thế đ−ợc gọi là "hội tụ kỹ thuật số", nghĩa là một ĐTDD có thể làm cả việc chụp ảnh, quay video, nghe nhạc số, duyệt web... bùng nổ thì đã có thể nhìn thấy tr−ớc, cần một loại nguồn điện mạnh hơn, không phải nạp để thay thế ăcquy ion Li. Ng−ời ta đang chú ý đến pin nhiên liệu "bỏ túi" chạy bằng r−ợu metanol trực tiếp, đ−ợc gọi là pin DMFC? Nhờ thành tựu phát triển của khoa học vật liệu, đặc biệt là công nghệ nano, nhiều vấn đề lớn nh− ăcquy cấp năng l−ợng cho ôtô lai điện (HEV), ôtô điện (EV); khai thác nguồn năng l−ợng tái tạo và tích trữ trong hệ thống ăcquy để phục vụ đời sống... đã đ−ợc giải quyết ngày càng có hiệu quả kinh tế hơn. 3 Trong chuyên đề này, sẽ giới thiệu các nội dung: những vấn đề chung (mục II); hiện trạng công nghệ và đặc tính kỹ thuật của các battery quan trọng đã th−ơng mại hóa cũng nh− một số hệ có triển vọng th−ơng mại hóa (mục III), pin nhiên liệu và các nguồn điện nhiệt độ cao (mục IV). Giới thiệu vắn tắt loại nguồn điện mới có tên là siêu tụ điện có triển vọng ứng dụng cho t−ơng lai gần (mục V). Tổng kết vài nét xu thế và chiến l−ợc phát triển trong lĩnh vực nguồn điện trên thế giới cũng nh− bàn về dự báo và lộ trình thực hiện (mục VI). Thay cho kết luận là một vài ý kiến đánh giá và đóng góp của tác giả về công nghiệp sản xuất nguồn điện ở n−ớc ta trong bối cảnh hòa nhập kinh tế với thế giới (mục VII). II. Giới thiệu chung 1. Phân loại hệ thống - Khái niệm và định nghĩa [1] Một số khái niệm: Battery là một bộ nguồn điện hóa gồm một hay nhiều tế bào điện hóa ghép với nhau (ghép nối tiếp hay song song). Battery sơ cấp, hay còn gọi là pin là nguồn điện đ−ợc chế tạo chỉ để làm việc 1 lần (phóng đến kiệt rồi bỏ, mặc dầu vẫn còn vật liệu điện cực ~25%). Battery thứ cấp, hay còn gọi là ăcquy là nguồn điện đ−ợc chế tạo để làm việc nhiều lần, sau khi phóng điện có thể nạp lại. Một lần phóng/ nạp là một chu kỳ (CK). Đời sống làm việc của một ăcquy th−ơng mại hóa từ vài trăm đến hàng nghìn CK. Các khái niệm battery, pin và ăcquy tuy đã đ−ợc việt hóa và dùng quen thuộc, song ng−ời tiêu dùng th−ờng nhầm lẫn về bản chất, nên th−ờng bổ sung khái niệm nạp đ−ợc và không nạp lại đ−ợc. Trong xu thế tiết kiệm nguyên vật liệu và giảm thiểu phế thải ra môi tr−ờng, công nghệ mới rất chú trọng đến khả năng nạp lại đ−ợc của nguồn điện (rechargeable battery), khả năng này có đ−ợc không chỉ phụ thuộc vào bản chất điện hóa của vật liệu điện cực mà còn phụ thuộc công nghệ biến tính vật liệu. Vì vậy bên cạnh pin kiềm quen thuộc Zn/MnO2, đã có pin "Kiềm Zn/MnO2 nạp lại đ−ợc" để trở thành ăcquy, tên trên thị tr−ờng là RAM - Cell (Rechargeable Alkaline Manganese Dioxide), có ~200 CK làm việc. T−ơng tự bên cạnh pin Liti Li/MnO2 có ăcquy Li/ MnO2 (dạng CDMO) làm việc theo nguyên lý "ghế đu" (Rocking Chair). Pin nhiên liệu (fuel cells) xét về bản chất là một máy phát điện hóa, biến hóa năng thành điện năng hoạt động trên cơ sở phản ứng oxi hóa - khử của nhiên liệu khi dẫn vào điện cực của một reactơ điện hóa. Pin nhiên liệu có thể hoạt động liên tục chừng nào việc cung cấp nhiên liệu từ bình chứa không bị ngắt. Tên gọi pin nhiên liệu 4 có thể dẫn đến sự hiểu lầm về bản chất giống pin đã định nghĩa ở trên, thực ra là hoạt động của một tế bào điện hóa chạy bằng nhiên liệu (fuel cells) biến hóa năng thành điện năng để sử dụng. Siêu tụ điện là bộ tích điện năng kiểu tụ điện, có bản chất cấu tạo trên cơ sở lớp điện tích kép điện hóa nhờ sử dụng hệ điện môi đặc biệt nh− hệ hạt cacbon kích th−ớc nanô phân tán trong điện li. Khả năng tích trữ năng l−ợng (Wh/kg) thấp hơn battery và pin nhiên liệu nhiều bậc, song ng−ợc lại về công suất phát dòng lại cao hơn nhiều bậc t−ơng ứng. Tên gọi siêu tụ điện (supercapacitors, ultracapacitors) hoặc lai tụ điện (Hybrid Capacitors) gắn với đặc điểm là thời gian nạp điện rất ngắn, số chu kì làm việc gần nh− vô tận, vì vậy đ−ợc khai thác để chế tạo nguồn điện mới. Hình II.1. Mô hình cấu tạo một tế bào điện hóa Hình II.1 trình bầy cấu tạo nguyên lí chung của một tế bào điện hóa không phân biệt battery (pin & ăcquy) pin nhiên liệu hay siêu tụ điện để giới thiệu một số khái niệm chung. Chẳng hạn cấu thành quan trọng của một tế bào điện hóa (thực chất là một reactơ điện hóa) là hệ thống điện cực, bao gồm điện cực âm (-) và điện cực d−ơng (+), đặt trong môi tr−ờng điện li dẫn ion. Để ngăn cách giữa 2 khu vực điện cực là tấm lá cách cho phép ion đi qua, trở lực dẫn điện (hay còn gọi là nội trở) gần nh− không đáng kể. Khi làm việc dòng điện tử chạy qua mạch ngoài đi từ âm sang d−ơng và phóng điện trên tải tiêu thụ điện năng. Có gì khác nhau giữa battery, pin nhiên liệu và siêu tụ điện? Sau này đi sâu về bản chất sẽ đ−ợc trình bày kĩ hơn, song tr−ớc mắt cần l−u ý những đặc tr−ng sau đây: + ở battery, vật liệu điện cực là chất mang năng l−ợng, đ−ợc chế tạo từ vật liệu có hoạt tính điện cực (sản xuất gọi là bột hoạt), còn ở pin nhiên liệu hệ điện cực chỉ là nơi xúc tác quá trình điện cực của nhiên liệu. Nhiên liệu mới là chất mang năng l−ợng. Trong khi đó ở siêu tụ điện, bản cực chỉ là tấm gom điện tích cùng dấu từ cấu trúc điện môi để tạo thành 2 tấm điện cực trái dấu. 5 + Khái niệm anốt gắn liền với quá trình oxi hóa (bị lấy electron) nơi d− electron ấy chính là điện cực âm (-). Còn catốt gắn với quá trình khử (nhận electron), nơi thiếu electron này chính là điện cực d−ơng (+). + Ngoài ra dấu (-) và (+) gắn với giá trị thế điện hóa của điện cực (gọi tắt thế điện cực) trong t−ơng quan so sánh với điện cực chuẩn hyđro (NHE). 2. Các đại l−ợng đặc tr−ng cho khả năng tích trữ năng l−ợng của nguồn điện hóa học [1], [8] Khả năng tích trữ và chuyển hóa năng l−ợng của một nguồn điện hóa học về nguyên tắc có thể tính toán từ quan hệ nhiệt động cơ bản: ∆G = Amax = -n.F.E (II.1) Quan hệ trên cũng chính là định luật Faraday, cho biết công điện Amax bằng tích của điện l−ợng nF (do n mol electron vận chuyển), và sức điện động E hình thành. Mặt khác, biến thiên năng l−ợng tự do ∆G của nguồn điện hóa làm việc ở điều kiện thuận nghịch tuân theo: ∆G = ∆H - T. ∆S (II.2) ∆H = biến thiên entanpi ∆S = biến thiên entropi Do đó hiệu suất biến đổi năng l−ợng hóa học sang năng l−ợng điện có thể biểu diễn bởi η: η = H S T1 H S.TH H GA H max ∆ ∆−=∆ ∆−∆=∆ ∆=− ∆ (II.3) Vì giá trị của T. ∆S thông th−ờng rất nhỏ so với ∆H, nên hiệu suất chuyển hóa của nguồn điện hóa học trong điều kiện lý t−ởng có thể đạt 100%. Điều này chứng minh rằng bằng con đ−ờng điện hóa có khả năng biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng với hiệu suất hơn hẳn các quá trình biến đổi trung gian khác (chẳng hạn hiệu suất Carnot). Tuy nhiên trong thực tế, hiệu suất chuyển hóa năng l−ợng của nguồn điện hóa học th−ờng thấp hơn tính toán lý thuyết. Những thông số làm việc nh− điện thế V, c−ờng độ dòng I cũng nh− biến thiên của chúng theo thời gian VI = f(t) hoặc V = f(I.t) mới cho phép đánh giá khả năng tích trữ và chuyển hóa thực của nguồn điện và so sánh giữa chúng với nhau. Hình II.2 biểu diễn đồ thị "V-t" đặc tr−ng cho khả năng phóng điện của một nguồn điện tại các c−ờng độ dòng điện I = const khác nhau (I1<I2<I3). 6 Hình II.2. Đồ thị phóng điện "V - t" Trên trục điện thế V, xuất phát từ điện thế định danh Vđd (Vđd ≡ điện thế hở mạch hay sức điện động của nguồn điện EOC) và phóng điện tới một giá trị điện thế dừng Vd quy định (Vd th−ờng đ−ợc quy định khi phóng 50% dung l−ợng). Từ đồ thị dễ dàng thấy rằng điện l−ợng đ−ợc giải phóng: I1t1 > I2t2 > I3t3 Nh− vậy cùng một nguồn điện, năng l−ợng đ−ợc tích trữ có thể đánh giá tùy thuộc điều kiện phóng điện. Ngoài ra ng−ời ta còn quan tâm đến khối l−ợng và thể tích chiếm chỗ của nguồn điện, vì vật chất bên trong nguồn điện là chất mang năng l−ợng và khả năng tích trữ năng l−ợng trên đơn vị khối l−ợng (hoặc thể tích) đ−ợc gọi là các đại l−ợng riêng là những th−ớc đo quan trọng. Để phát triển nguồn điện mới trên cơ sở vật liệu mới, cải tiến kết cấu hoặc thay đổi công nghệ, cần thiết phải đánh giá trên những thông số quan trọng sau đây: a. Dung l−ợng C [Ah] và dung l−ợng riêng [Ah/kg] Dung l−ợng chỉ điện l−ợng tích trữ đ−ợc tính bằng tích của c−ờng độ dòng điện I[A] nhân với thời gian t [h]. Để xác định dung l−ợng định danh của một nguồn điện, ng−ời ta phóng điện ở I chuẩn = const theo thời gian cho đến khi điện thế của nguồn điện sụt đến một giá trị Vd quy định. Dung l−ợng riêng là điện l−ợng tích trữ quy trên đơn vị khối l−ợng [Ah/kg] hoặc quy trên đơn vị thể tích chiếm chỗ của nguồn điện [Ah/dm3 hoặc Ah/lít]. Một nguồn điện tốt cần có dụng l−ợng tích trữ lớn, nh−ng kết cấu lại phải gọn và nhẹ. Tất nhiên bản chất của vật liệu điện cực đóng vai trò quyết định. Dung l−ợng riêng của các vật liệu nguồn điện phổ cập nh− chì là 260 Ah/kg; kẽm là 820Ah/kg còn Liti là 3860 Ah/kg vì vậy xu thế để phát triển nguồn điện có dung l−ợng cao sẽ phải trên cơ sở Liti. 7 b. Công suất P [W] và công suất riêng [W/kg] Công suất của nguồn điện đ−ợc tính bằng tích của điện thế V [V] nhân với c−ờng độ dòng I [A]: P = V x I. Quá trình phóng điện (hình II.3) sẽ làm cho điện thế định danh Vđd của nguồn điện giảm dần. Vì vậy để tính công suất P, điện thế V sẽ là giá trị trung bình của Vđd và Vd. → I Hình II.3. Đồ thị V/P = f(I) Công suất riêng là đại l−ợng tính trên đơn vị khối l−ợng [W/kg] hoặc trên đơn vị thể tích [W/dm3; W/lít]. c. Mật độ năng l−ợng E [Wh/kg] hoặc [Wh/dm3] Mật độ năng l−ợng là đại l−ợng năng l−ợng riêng, đ−ợc tính bằng tích của dung l−ợng riêng [Ah/kg] nhân với điện thế [V]. Thứ nguyên của mật độ năng l−ợng [Wh/kg] hoặc [Wh/dm3 hay Wh/lít]. Mật độ năng l−ợng cũng là một th−ớc đo hữu ích về khả năng tích trữ và làm việc của nguồn điện. Có một thực tế là các nguồn điện hóa học ở trình độ công nghệ hiện nay mới chỉ đạt ≤ 1/3 giá trị lý thuyết về mật độ năng l−ợng. Chẳng hạn ở ăcquy chì axit, mật độ năng l−ợng lý thuyết là 165 Wh/kg, trong thực tế phổ biến chỉ đạt ∼ 40 Wh/kg. Các nguyên nhân dẫn đến giới hạn về mật độ năng l−ợng gồm có nguyên nhân do bản chất động học của quá trình điện cực xẩy ra trong nguồn điện lẫn nguyên nhân do kết cấu ch−a hợp lý của nguồn điện mà sau này ta sẽ đi sâu phân tích. d. Hiệu suất η [%] Hiệu suất điện hóa η là đại l−ợng đặc tr−ng cho hiệu quả của quá trình chuyển hóa năng l−ợng điện hóa: Năng l−ợng thực tế Elη[%] = Năng l−ợng lý thuyết Elt (II.4) 8 Hiệu suất thực tế của các loại nguồn điện hóa học có thể dao động trong khoảng 30 ... 70. Giới hạn trên đặc tr−ng cho các loại nguồn điện mới. Để tiện cho việc sử dụng ng−ời ta còn dùng khái niệm hiệu suất Coulomb để chỉ cho hiệu suất phóng/nạp: Dung l−ợng phóng = Ip.tpHiệu suất Coulomb = Dung l−ợng nạp = In.tn (II.5) Nếu chọn điều kiện Ip = In và theo dõi thời gian tp cho đến Vp quy định thì hiệu suất Coulomb của nguồn điện hóa học dao động trong khoảng 70 ữ 90%. 3. Đặc điểm của nguồn điện hóa học trên cơ sở của phát triển khoa học vật liệu và đổi mới công nghệ [8]: Nguồn điện hóa học truyền thống (bảng II.1) là nguồn điện đã có lịch sử phát triển gần 100 năm. Năng l−ợng hóa học đ−ợc tích trữ theo nguyên lý bản cực, sử dụng hệ kim loại/oxit kim loại, môi tr−ờng điện ly là dung dịch n−ớc của muối, axit hoặc kiềm. Tuy hiện tại vẫn còn phục vụ tốt các yêu cầu của đời sống và công nghiệp thông th−ờng, song không đáp ứng các yêu cầu của kỹ thuật cao vì các lý do sau đây: - Các thông số về năng l−ợng riêng [Ah/kg hoặc Wh/kg, Wh/l] còn xa mới đạt giá trị lý thuyết. - Về mặt vật liệu điện cực, sử dụng phổ biến các kim loại khan hiếm và độc hại (Zn, Pb, Ni, Cd ...). Hệ số sử dụng vật liệu ngay ở trình độ công nghệ hiện nay còn rất thấp (∼ 40 - 50%). Sau sử dụng trở thành phế thải công nghiệp gây ô nhiễm môi tr−ờng (do công nghệ tái chế rất tốn kém nên pin Zn/MnO2 không chủ tr−ơng thu hồi). - Nguyên lý kết cấu cổ điển của nguồn điện vẫn đang hiện hành là nguyên nhân không thể cải thiện các thông số về năng l−ợng riêng. Bảng II.1. Một vài nguồn điện hóa học truyền thống (sơ cấp và thứ cấp) Mật độ năng l−ợng Ett (Elt)Hệ Chất điện ly Điện thế [V] [Wh/l] [Wh/kg] Pin Zn/MnO2 - Clorua kẽm ZnCl2 1,5 140 75 (190) - Kiềm KOH 1,5 350 120 (190) Ăcquy axit Pb/PbO2 H2SO4 2,0 50-80(890) 30-50(165) Ăcquy kiềm Ni/Cd KOH 1,3 60-70(690) 55 (210) Ghi chú: Các giá trị trong ( ) là giá trị lý thuyết 9 Rõ ràng rằng để đạt đ−ợc những đột phá về kỹ thuật, cần thiết phải lựa chọn những vật liệu điện cực có mật độ tích trữ năng l−ợng cao còn phong phú trong tự nhiên. Đó là những nguyên tố ở góc trên bên trái của bảng tuần hoàn Mendeleep nh− H, Li, Na, Mg, Ca, Al và những nguyên tố ở góc trên bên phải nh− O, S, F, Cl, Br hoặc những hợp chất giữa chúng với nhau (hình II.4), mà ở trình độ công nghệ tr−ớc đây ch−a sử dụng đ−ợc vì chúng có tính chất điện hóa, quá hoạt động nh− Li, Na, ... hoặc F2, Cl2, Br2, SO2, SOCl2, SO2Cl2. Hình II.4. Vật liệu điện cực của nguồn điện mới () và nguồn điện truyền thống (O) trong bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleep Nhiều vật liệu điện cực đ−ợc tổng hợp theo kiểu "thiết kế" để tối −u hóa mối quan hệ giữa cấu trúc và hoạt tính điện hóa, theo các tiêu chuẩn của vật liệu tiên tiến, chẳng hạn nh− hợp chất liệu kim loại AB5 làm điện cực âm cho ăcquy Ni-MH hoặc hợp chất cài ion trên cơ sở oxit phức hợp LixNiO2, LixCoO2, LixMn2O4 sử dụng làm vật liệu catot trong ăcquy ion Li. Trên cơ sở vật liệu mới, nguyên lý tích trữ truyền thống và kết cấu nguồn điện đã thay đổi gần nh− hoàn toàn. Có thể nêu vài ví dụ điển hình nh−: - Nguyên lý nạp/ phóng của ăcquy Ni-MH không giống nh− ăcquy Ni-Cd mà dựa trên cơ sở hấp thụ/ nhả hấp thụ của vật liệu điện cực tích trữ hydro. - Nguyên lý làm việc của ăcquy ion Li dựa trên cơ sở của quá trình tích/ thoát ion Li+ vào mạng của vật liệu cài ion (Ion intercalation compounds) theo kiểu dao động ghế đu ("Rocking chair" princip). - Nguyên lý hoạt động của ăcquy nhiệt độ cao (100 - 350oC) nh− Na/S dựa trên cơ sở vật liệu điện cực Na và S ở thể nóng chảy, còn môi tr−ờng điện ly là gốm β-Alumina thì ở thể rắn (ng−ợc lại hoàn toàn với kết cấu của ăcquy điện ly n−ớc cổ điển). Tất cả những đổi mới về công nghệ chế tạo nhằm cải thiện thông số về năng l−ợng riêng, tạo ra những nguồn điện có kết cấu chặt nhỏ gọn, mật độ tích trữ năng l−ợng ngày càng cao hơn, triển vọng tiệm cận giá trị lý thuyết và sử dụng thân thiện với môi tr−ờng. 10 4. Những tiêu chí chất l−ợng và các yếu tố quyết định [1], [2] P.Ruetschi là ng−ời đầu tiên (1993) đ−a ra tiêu chí 3E để khái quát hóa chất l−ợng của một nguồn điện tiên tiến: Energy, tức là mật độ năng l−ợng cao trên đơn vị khối l−ợng [Wh/kg] và trên đơn vị thể tích [Wh/l hoặc Wh/dm3], mức phấn đấu phải đạt giá trị lý thuyết theo các tính toán nhiệt động về chuyển hóa năng l−ợng. Economics, tức là tính kinh tế trên cơ sở giá thành chế tạo thấp từ nguyên liệu sẵn có, có đời sống sử dụng dài và không phải bảo d−ỡng hoặc chi phí bảo d−ỡng thấp. Environment, tức là tính thân thiện môi tr−ờng loại bỏ các nguyên vật liệu độc hại; tiêu thụ năng l−ợng thấp trong công nghệ chế tạo sản xuất không phế thải, dễ tái chế sau sử dụng, đảm bảo sản xuất bền vững. Có thể nói tiêu chí 3E là những tiền đề của tiêu chuẩn ISO 14000 áp dụng cho công nghiệp nguồn điện hóa học. P.Ruetschi và F.Beck đã nêu ra những định h−ớng của công nghiệp nguồn điện hóa trong những thập kỷ tới nh− sau: a. Phải chuyển h−ớng công nghệ sang sử dụng các nguyên vật liệu còn phong phú trong thiên nhiên (nh− Li, Na, S, halogen...) nh−ng có mật độ năng l−ợng cao hơn hẳn các vật liệu truyền thống hoặc sử dụng các vật liệu tiên tiến đ−ợc tổng hợp theo kiểu "may đo" đạt tính chất chọn tr−ớc do cấu trúc chế tạo quyết định. Loại bỏ hoàn toàn vật liệu và phụ gia độc hại. Dây chuyền sản xuất phải tự động hóa cao, không phế thải. b. Vật liệu điện cực âm phải có quá thế hydro cao, cũng nh− vật liệu điện cực d−ơng phải có quá thế oxi cao, để hạn chế thoát khí và đạt độ tự phóng thấp. c. Dung dịch điện ly (n−ớc; không n−ớc và rắn) phải có độ dẫn cao, làm việc ở vùng nhiệt độ rộng, đảm bảo tốc độ phóng/nạp cao. d. Thay đổi kết cấu nguồn điện bằng những vật liệu mới để giảm trọng l−ợng và thể tích chiếm chỗ, giảm linh kiện, có độ bền cao; hoàn toàn đóng kín và khống chế quá nạp; cải tiến công nghệ nạp và thiết bị nạp. e. Chỉ số mật độ năng l−ợng phấn đấu cho giai đoạn trung hạn sau 2010 là 120 ữ 140 Wh/kg; còn chu kỳ làm việc 1000 ữ 1200 CK. 11 f. Phải giải quyết vấn đề thu hồi và tái chế vật liệu nguồn điện để đảm bảo phát triển bền vững. Thứ tự −u tiên của các tiêu chí phụ thuộc vào lĩnh vực ứng dụng của nguồn điện, chẳng hạn các nguồn điện sử dụng cố định thì giá thành chế tạo và tuổi thọ quan trọng hơn khối l−ợng và thể tích chiếm chỗ, nh−ng nếu sử dụng cho lĩnh vực vận tải thì mật độ năng l−ợng có ý nghĩa quyết định. Trong tổng luận về phát triển của các hệ thống battery đã th−ơng mại hóa và triển vọng th−ơng mại hóa trong thập kỷ tới [1] của Martin Winter (áo) và Ralph J.Brodd (Mỹ), hai chuyên gia hàng đầu thế giới về công nghiệp nguồn điện hóa học - đã chọn lọc một loạt các tiêu chí chất l−ợng để cụ thể hóa cho các hệ battery th−ơng mại hóa chất l−ợng cao: a. Khả năng tích trữ năng l−ợng thể hiện bởi các đại l−ợng Wh/kg (Wh/l) hoặc công suất Wh/kg (hoặc Wh/l) cao. Hành vi làm việc của nguồn điện (điện thế V, dòng điện I) theo thời gian (t) tuân theo các đồ thị hình II.2 và II.3 tối −u. Dáng của một đ−ờng cong phóng điện tối −u là đoạn nằm ngang (liên quan đến điện thế phóng điện không đổi) của đ−ờng cong S ngửa (hình II.2) kéo dài. b. Độ tự phóng phải thấp. Pin Li-MnO2 là một điển hình, sau 8 năm bảo quản vẫn còn xuất 90% dung l−ợng. Các nguồn điện đặc chủng của quân đội có tuổi thọ bảo quản ∼ 20 năm vẫn sẵn sàng làm việc ở tính năng tiêu chuẩn. Tuy nhiên cá