Pin lithium-ion (Li-ion) là loại pin điện hóa được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính xách tay, xe điện,… Pin có cấu trúc gồm: anode (graphite, ký hiệu là C6); cathode (LiCoO2); dung dịch chất điện li chứa các muối của Li+. Trong quá trình hoạt động, ion lithium (Li+) di chuyển bên trong pin qua chất điện li, còn electron di chuyển bên ngoài pin qua mạch điện. Pin hoạt động như pin điện hóa khi phóng điện và như bình điện phân khi sạc điện. Phản ứng trong pin như sau:
LiC6(s) + CoO2(s) → LiCoO2(s) + C6(s)
a) Trong quá trình sạc điện, ion Li⁺ di chuyển từ cathode đến anode.
b) Trong quá trình phóng điện, electron di chuyển từ anode đến cathode thông qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho thiết bị.
c) Một điện thoại thông minh sử dụng pin Li-ion dung lượng 5000 mAh, được thiết kế cho thời gian hoạt động tối đa 12 giờ mỗi lần sạc đầy. Sau 500 chu kì phóng – sạc, dung lượng pin giảm còn 80% so với ban đầu, khi đó thời gian sử dụng tối đa mỗi lần sạc đầy chỉ còn 10 giờ.
d) Nồng độ ion Li+ trong dung dịch chất điện li giảm dần.
Câu trả lời tốt nhất
(a) Sai.
Khi pin hoạt động Li+ được tạo ra tại anode rồi di chuyển sang cathode.
Khi sạc điện, pin chuyển thành bình điện phân, lúc này anode của pin sẽ trở thành cathode của bình điện phân, cathode của pin trở thành anode của bình điện phân. Khi kết nối với nguồn điện bên ngoài để sạc, Li+ đang tập trung tại anode sẽ lập tức di chuyển sang cathode.
Phát biểu (a) đúng về mặt vị trí vật lý các điện cực, nhưng nếu dùng tên các điện cực để đánh giá thì lại sai.
(b) Đúng, khi phóng điện tại anode xảy ra quá trình oxi hóa, Li+ rời đi trong dung dịch điện li, electron cũng rời đi qua dây dẫn tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho thiết bị.
(c) Sai, 5000 mAh dùng được 12h thì 5000.80% = 4000 mAh chỉ dùng được 12h.80% = 9,6h (coi điều kiện sử dụng là như nhau).
(d) Sai, nồng độ ion Li+ trong dung dịch chất điện li không thay đổi.
Về dài hạn, Li+ có thể giảm. Phần điện cực CoO2 và C6 có cấu trúc lớp để giữ lại Li+ hoặc xả Li+ ra tùy thuộc pin đang sạc hay phóng điện. Sau nhiều chu kỳ hoạt động, một số Li+ có thể mắc kẹt giữa các lớp điện cực và không thể thoát ra ngoài (điện cực bị biến đổi, hư hại), kết quả là nồng độ Li+ trong dung dịch chất điện li bị giảm, pin cũng giảm dung lượng (pin chai).