Chất điện phân ắc quy

Chất điện phân tên gọi khác là chất điện dịch, điện giải, chất điện li hay điện ly, tên tiếng Anh là Electrolyte.

1. Khái niệm & quá trình Điện phân

Điện phân là gì? Quá trình điện phân diễn ra như thế nào?

- Sự điện phân là quá trình oxi hóa - khử xảy ra ở bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện phân nóng chảy hoặc dung dịch chất điện phân. Trong quá trình điện phân, dưới tác dụng của điện trường các cation chạy về cực âm (catot) còn các anion chạy về điện cực dương (anot), tại đó xảy ra phản ứng trên các điện cực (sự phóng điện).

- Quá trình điện phân ở ắc quy:

• Tại catot (điện cực âm) xảy ra quá trình khử cation:

Mⁿ⁺ + ne → M

• Tại anot (điện cực dương) xảy ra quá trình oxi hóa anion:

X^n- → X + ne

2. Khái niệm & vai trò Chất điện phân

2.1. Khái niệm Chất điện phân là gì?

-  Chất điện phân là chất xúc tác dẫn điện bằng cách thúc đẩy sự di chuyển các ion từ cực âm sang cực dương khi sạc và ngược lại khi phóng điện. Các ion là các nguyên tử tích điện bị mất hoặc thu được electron.

-  Định nghĩa khác: Một chất hoà tan trong dung dịch nước hoặc trạng thái nóng chảy bị phân ly thành các ion dẫn điện được gọi là chất điện phân.

-  Độ mạnh yếu chất điện phân phụ thuộc vào nhiệt độ, nồng độ, dung môi, bản chất chất điện phân.

- Chất điện phân bình ắc quy chì axit là dung dịch axít sulfuric H₂SO₄ loãng có tỷ trọng 1,25 - 1,29 kg/L, nồng độ acid là 29% - 32%.

2.2. Vai trò chất điện phân ắc quy

- Chất điện phân là thành phần quan trọng cấu tạo lên ắc quy, là yếu tố quyết định lên hiệu suất, khả năng vận hành, tuổi thọ, đáp ứng các nhu cầu & mục đích sử dụng khác nhau,...

- Chất điện phân có khả năng dẫn điện tốt bao gồm các muối hòa tan, axit hoặc các bazơ khác ở dạng lỏng, dạng keo và dạng khô. Chất điện phân cũng có trong một số loại polymer, như được sử dụng trong ắc quy trạng thái rắn, gốm rắn và muối nóng chảy, như trong ắc quy Natri - Lưu huỳnh.

3. Độ điện ly

- Độ điện li α (alpha) của một chất điện li là tỉ số giữa phân tử phân li thành ion (n) và tổng số phần tử hòa tan vào dung dịch (), thường được thể hiện dưới dạng phần trăm (%).

Công thức tính độ điện ly như sau: α =  

- Độ điện li của các chất điện li khác nhau nằm trong khoảng 0 < α ≤ 1. Khi α = 0, tức là quá trình điện li không xảy ra, đó là chất không điện li.

- Độ điện li α phụ thuộc vào: bản chất của chất tan, dung môi, nhiệt độ, nồng độ chất điện li.

4. Chất điện phân mạnh

- Chất điện phân mạnh là chất hòa tan hoàn toàn hoặc gần như hoàn toàn trong dung dịch nước. Các phân tử hòa tan đều ion hóa hoặc phân ly hoàn toàn thành ion, dẫn điện tốt. Các chất điện phân mạnh có α = 1 hay α = 100%.

Chất điện phân mạnh → Cation⁺ + Anion^-

- Trong một Cell ắc quy, sử dụng chất điện phân càng mạnh thì điện áp tạo ra càng lớn.

- Phương trình điện li của chất điện li mạnh sử dụng mũi tên một chiều (→).

- Chất điện phân mạnh gồm các axit mạnh, bazơ mạnh, và muối như:

• Chất điện phân là axit mạnh: H₂SO₄ (axit Sunfuric), HClO₃ (axit Cloric), HBrO₃ (axit Bromic), HBrO₄ (axit Perbromic), HI (axit Hydriodic), HBr (axit Hydrobromic), HCl (axit Clohydric),  HNO₃ (axit Nitric), HClO₄ (axit Perchloric), HSbF₆ (axit Fluoroantimonic), FSO₃H (axit Fluorosulfuric),...

• Chất điện phân là bazơ mạnh: NaOH (Natri hydroxit), LiOH (Li-hydroxit), KOH (Kali hydroxit), Ca(OH)₂ (Canxi hydroxit), LDEA (Lithium diethylamide), NaH (Natri hydrua), C₆H₁₄LiN (Diisopropylamide (LDA)), NaNH₂ (Natri amit), RbOH (Rubi hydroxit), CsOH (Caesium hydroxit), Ba(OH)₂ (Barium hydroxide), Sr(OH)₂ (Strontium hydroxide), ((CH ₃ )₃Si)₂NLi (Liti bis (trimethylsilyl) amide),...

• Chất điện phân là muối mạnh: CH₃COONa (Natri axetat), NaCl (Natri clorua), MgCl₂ (Magiê clorua), KNO₃ (Kali nitrat),...

5. Chất điện phân yếu

- Chất điện phân yếu là chất khi tan trong nước chỉ có một phần số phân tử hòa tan và phân li ra ion, phần còn lại vẫn tồn tại dưới dạng phân tử trong dung dịch.

- Chất điện phân yếu gồm: Axit yếu, bazơ yếu, và một số muối. Độ điện li của chất điện phân yếu nằm trong khoảng 0 < α < 1

• Axit yếu: HF (axit flohydric), CH₃COOH (axit axetic), H₂CO₃ (axit cacbonic), H₂SO₃ (axit sunfurơ), H₃PO₄ (axit photphoric), H₂S (axit sunfuhiđric), ...

• Bazơ không tan trong nước: Bi(OH)₃ (Bitmut hidroxit), Cu(OH)₂ (Đồng II hidroxit), Fe(OH)₃ (Sắt III hydroxit),...

• Muối: CuCl, HgCl₂, AgCl,...

6. Định luật điện phân Faraday

- Khối lượng chất giải phóng ở mỗi điện cực tỉ lệ với điện lượng đi qua dung dịch và đương lượng của chất.

Công thức: m = 

Trong đó:

• m: khối lượng chất giải phóng ở điện cực (gam)

• A: khối lượng mol nguyên tử của chất thu được ở điện cực

• n: số electron mà nguyên tử hoặc ion đã cho hoặc nhận

• I: cường độ dòng điện (A)

• t: thời gian điện phân (s)

• F: hằng số Faraday là điện tích của 1 mol electron hay điện lượng cần thiết để 1 mol electron chuyển dời trong mạch ở catot hoặc ở anot (F = 1,602.10^-19.6,022.10²³ ≈ 96500 C.mol^-1)

7. Các loại chất điện phân lỏng

- Chất điện phân lỏng pin Lithium-ion bao gồm muối Lithium, chẳng hạn như  LiPF₆ (Lithium Hexafluorophosphate), LiBF₄ (Lithium Tetrafluoroborate) hoặc LiClO₄ (Lithium Perchlorate) trong một dung môi hữu cơ, chẳng hạn như  C₃H₄O₃ (Ethylene Carbonate), C₃H₆O₃ (Dimethyl Carbonate) và C₅H₁₀O₃ (Diethyl Carbonate). Chất điện phân lỏng có vai trò là con đường dẫn điện cho sự di chuyển của các cation truyền từ điện cực âm sang điện cực dương trong quá trình phóng điện.

- Chất điện phân lỏng ắc quy axit chì thường sử dụng là dung dịch axít sulfuric H₂SO₄

8. Chất điện phân rắn - Phân loại & nhận biết

- Chất điện phân rắn có thể được chia thành 4 nhóm:

• Chất điện phân Gel (Gel electrolytes): là chất lỏng linh hoạt trong các khung lưới (tấm sườn cực). Để tăng độ dẫn điện các chất phụ gia khác nhau sẽ được bổ sung thêm vào ắc quy.

• Chất điện phân Polymer khô (Dry Polymer electrolytes): Muối được hòa tan trực tiếp vào môi trường rắn. Nó được cấu tạo từ các loại polymer như PEO, PMMA, PAN, Polyphosphazen, Siloxan,... và một loại muối mạng tinh thể có năng lượng thấp. Để tăng cường độ cơ học và độ dẫn điện của chất điện phân, người ta thường sử dụng vật liệu tổng hợp và pha gốm trơ được đưa vào. Có hai loại chất điện giải chính: Polymer Gốm (Polymer-in-ceramic) và Gốm Polymer (Ceramic-in-polymer).

• Chất điện phân gốm rắn: Các ion di chuyển qua pha gốm bằng các vị trí trống hoặc kẽ trong mạng tinh thể. Ngoài ra, còn có chất điện phân thủy tinh - gốm (Glassy ceramic).

• Chất điện phân tinh thể nhựa ion hữu cơ: là một loại muối hữu cơ ở dạng mesophase (trạng thái vật chất trung gian giữa chất lỏng và chất rắn), trong đó các ion di động bị rối loạn định hướng hoặc xoay trong khi các trung tâm của chúng nằm ở vị trí được sắp xếp trong cấu trúc tinh thể.

9. Các loại chất điện phân sử dụng ở bình ắc quy

- Đối với ắc quy Axit Chì (Lead acid): Sử dụng axit Sulfuric H₂SO₄ làm chất điện phân. Nồng độ axit Sulfuric thường được sử dụng trong ắc quy axit chì từ 1.230 - 1.300, mỗi nhà xuất đều quy định nồng độ axit khác nhau để phù hợp cho từng loại sản phẩm.

Xem thêm:

• Dung dịch axít sulfuric H2SO4 trong ắc quy

• Hướng dẫn kỹ thuật châm axít Sulfuric H₂SO₄ vào ắc quy Axit Chì

- Đối với ắc quy Niken-cadmium (NiCd): Sử dụng chất điện phân kiềm KOH (Kali Hydroxit).

• Kali hydroxit là một hợp chất vô cơ, có công thức KOH, là một kiềm mạnh có tính ăn mòn, tên thông dụng là potash ăn da, Potassium hydroxide. Nó là một chất rắn kết tinh màu trắng, ưa ẩm và dễ hòa tan trong nước.

• Dòng sản phẩm ngập nước của NiCd được sử dụng cho tàu thuyền, máy bay thương mại, UPS. Ắc quy NiCd có giá thành cao hơn axit chì nhưng tuổi thọ lâu hơn.

- Đối với ắc quy Nickel-metal-hydride (NiMH): NiMH sử dụng chất điện phân tương tự như  ắc quy NiCd, thường là kiềm KOH. Các điện cực ắc quy NiMH bao gồm niken, coban, mangan, nhôm và kim loại đất hiếm. Ắc quy NiMH là dòng sản phẩm hoàn toàn kín khí.

- Đối với ắc quy Lithium-ion (Li-ion): sử dụng chất điện phân polymer lỏng, gel hoặc khô. 

• Pin Li-Po (Lithium-Ion Polymer, Lithium-Polymer) sử dụng chất điện phân dạng polymer khô hoặc gel và chất điện phân hữu cơ.

• Pin Li-Ion (Lithium-Ion) sử dụng chất điện phân là chất lỏng hoặc Gel.

Copyright by acquycaocap.vn - Premium Battery Company Limited