Pin LifePO4 là gì? Tại sao pin LifePO4 lại có độ bền cao?

Pin sắt LifePO4 – Lithium iron phosphate battery hay gọi tắt là LifePO4 trở nên phổ biến và tạo xu hướng sử dụng loại pin này để lưu trữ điện năng tại Việt Nam trong vòng 03 năm trở lại đây, đặc biệt sau năm 2020, LifePO4 dần chiếm lĩnh và trở thành lựa chọn hàng đầu của các nhà cung cấp thiết bị lưu trữ điện năng, đội ngũ DIY kỹ thuật cũng tìm đến LifePO4 như một nguồn lưu trữ năng lượng mới đầy hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Vậy Pin LifePO4 là gì? Tại sao loại pin này lại có độ bền cao và được nhiều người dùng lựa chọn thay thế acquy axit chì truyền thống?

1. Lịch sử hình thành pin LifePO4

LiFePO4 là một khoáng chất tự nhiên của olivin gia đình (triphylite). Arumugam Manthiram và John B. Goodenough lần đầu tiên xác định lớp polyanion của vật liệu catốt cho pin lithium ion. LiFePO4 sau đó được xác định là vật liệu catốt thuộc lớp polyanion để sử dụng trong pin vào năm 1996 bởi Padhi et al. Khai thác có thể đảo ngược liti từ LiFePO4 và chèn liti vào FePO4 đã được chứng minh. Do chi phí thấp, không độc hại, sự phong phú tự nhiên của bàn là, độ ổn định nhiệt tuyệt vời, đặc tính an toàn, hiệu suất điện hóa và công suất cụ thể (170mA · h/g, hoặc 610C/g) nó đã được thị trường chấp nhận đáng kể.

Rào cản chính đối với thương mại hóa về bản chất là tinh dân điện. Vấn đề này đã được khắc phục bằng cách giảm kích thước hạt, phủ LiFePO4 các hạt bằng vật liệu dẫn điện như ống nano carbon, hoặc cả hai. Cách tiếp cận này được phát triển bởi Michel Armand và đồng nghiệp của anh ấy. Một cách tiếp cận khác bằng cách Tuy nhiên, Ming Chiang nhóm của bao gồm pha tạp chất LFP với cation vật liệu như nhôm, niobiumvà zirconium.

MIT đã giới thiệu một lớp phủ mới cho phép các ion di chuyển dễ dàng hơn trong pin. “Pin Beltway” sử dụng một hệ thống rẽ nhánh cho phép các ion lithium đi vào và rời khỏi các điện cực với tốc độ đủ lớn để sạc đầy pin trong vòng chưa đầy một phút. Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng bằng cách phủ các hạt photphat sắt lithium trong một vật liệu thủy tinh gọi là lithium pyrophosphat, các ion vượt qua các kênh và di chuyển nhanh hơn so với các loại pin khác.

Pin sạc dự trữ và phóng điện năng lượng khi các nguyên tử (ion) tích điện được di chuyển giữa hai điện cực, cực dương và cực âm. Tốc độ điện tích và phóng điện của chúng bị hạn chế bởi tốc độ di chuyển của các ion này. Công nghệ như vậy có thể làm giảm trọng lượng và kích thước của pin. Một tế bào pin nguyên mẫu nhỏ đã được phát triển có thể sạc đầy trong 10 đến 20 giây, so với sáu phút đối với các tế bào pin tiêu chuẩn.

Điện cực âm (cực dương khi phóng điện) làm bằng than cốc dầu mỏ đã được sử dụng trong các loại pin lithium-ion thời kỳ đầu; loại sau được sử dụng than chì tự nhiên hoặc tổng hợp.

2. Ưu điểm và nhược điểm

Các LiFePO4 pin sử dụng hóa chất có nguồn gốc từ lithium-ion và có nhiều ưu điểm và nhược điểm với các hóa chất pin lithium-ion khác. Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng kể.

LFP không chứa niken cũng không phải coban, cả hai đều bị hạn chế nguồn cung và đắt đỏ.

Hóa học LFP cung cấp vòng đời dài hơn so với các phương pháp tiếp cận lithium-ion khác.

Giống như pin sạc dựa trên niken (và không giống như các loại pin lithium ion khác), LiFePO4 pin có điện áp phóng rất không đổi. Điện áp duy trì gần 3,2 V trong quá trình phóng điện cho đến khi pin cạn kiệt. Điều này cho phép tế bào cung cấp nguồn điện gần như đầy đủ cho đến khi nó được phóng điện, và nó có thể đơn giản hóa hoặc thậm chí loại bỏ sự cần thiết của mạch điều chỉnh điện áp.

Do đầu ra danh định 3,2 V, bốn ô có thể được đặt nối tiếp để có điện áp danh định 12,8 V. Điều này gần với điện áp danh định của sáu ô pin axít chì. Cùng với các đặc tính an toàn tốt của pin LFP, điều này làm cho LFP trở thành tiềm năng thay thế tốt cho pin axit-chì trong các ứng dụng như ô tô và ứng dụng năng lượng mặt trời, miễn là hệ thống sạc được điều chỉnh để không làm hỏng các tế bào LFP thông qua điện áp sạc quá mức (vượt quá 3,6 vôn DC trên mỗi ô khi đang sạc), bù điện áp dựa trên nhiệt độ, nỗ lực cân bằng hoặc sạc nhỏ giọt liên tục.

Các tế bào LFP ít nhất phải được cân bằng ban đầu trước khi gói được lắp ráp và một hệ thống bảo vệ cũng cần được triển khai để đảm bảo không có tế bào nào có thể bị phóng điện dưới điện áp 2,5 V nếu không sẽ xảy ra hư hỏng nghiêm trọng trong hầu hết các trường hợp.

Việc sử dụng phốt phát tránh được chi phí của coban và những lo ngại về môi trường, đặc biệt là lo ngại về việc coban xâm nhập vào môi trường thông qua việc thải bỏ không đúng cách.

LiFePO4 có xếp hạng dòng điện hoặc công suất đỉnh cao hơn ôxít côban liti LiCoO2.

Các mật độ năng lượng (năng lượng / âm lượng) của pin LFP mới thấp hơn khoảng 14% so với pin mới LiCoO2 ắc quy. Ngoài ra, nhiều nhãn hiệu LFP, cũng như các tế bào trong một nhãn hiệu pin LFP nhất định, có tốc độ phóng điện thấp hơn axit-chì hoặc LiCoO2. Vì tốc độ xả là phần trăm dung lượng pin nên có thể đạt được tốc độ cao hơn bằng cách sử dụng pin lớn hơn (nhiều hơn ampe giờ) nếu pin dòng điện thấp phải được sử dụng. Tốt hơn nữa, tế bào LFP hiện tại cao (sẽ có tốc độ phóng điện cao hơn so với axit chì hoặc LiCoO2 pin cùng dung lượng) có thể được sử dụng.

LiFePO4 các tế bào trải qua tốc độ mất dung lượng chậm hơn (hay còn gọi là tuổi thọ theo lịch lớn hơn) so với các hóa chất pin lithium-ion như LiCoO2 coban hoặc là LiMn2O4 Spinel mangan pin lithium-ion polymer (Pin LiPo) hoặc pin lithium-ion. Sau một năm lên kệ, a LiFePO4 tế bào thường có mật độ năng lượng xấp xỉ bằng LiCoO2 Tế bào Li-ion, vì mật độ năng lượng của LFP suy giảm chậm hơn.

3. Mức độ an toàn

Một ưu điểm quan trọng so với các chất hóa học lithium-ion khác là tính ổn định nhiệt và hóa học, giúp cải thiện độ an toàn của pin. LiFePO4 về bản chất là một vật liệu cathode an toàn hơn LiCoO2 và Spinel mangan, thông qua việc bỏ qua coban, với tiêu cực của nó hệ số nhiệt độ kháng cự có thể khuyến khích sự chạy trốn nhiệt. Các P–O liên kết trong (PO4)3− ion mạnh hơn Co–O liên kết trong (CoO2)− ion, do đó khi bị lạm dụng (đoản mạch, quá nhiệt, v.v.), các nguyên tử oxy được giải phóng chậm hơn. Sự ổn định năng lượng oxy hóa khử này cũng thúc đẩy sự di chuyển ion nhanh hơn.

Khi liti di chuyển ra khỏi catốt trong LiCoO2 tế bào, CoO2 trải qua quá trình mở rộng không tuyến tính ảnh hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc của tế bào. Các trạng thái hoàn toàn phủ lớp lót và không phân lớp của LiFePO4 giống nhau về cấu trúc, có nghĩa là LiFePO4 tế bào ổn định về cấu trúc hơn LiCoO2 tế bào.

Không có liti còn lại trong cực âm của một bộ sạc đầy LiFePO4 ô. (Trong một LiCoO2 ô, khoảng 50% còn lại.) LiFePO4 có khả năng phục hồi cao trong quá trình mất oxy, thường dẫn đến phản ứng tỏa nhiệt trong các tế bào lithium khác. Kết quả là, LiFePO4 tế bào khó bắt lửa hơn trong trường hợp xử lý sai (đặc biệt là trong quá trình sạc). Các LiFePO4 pin không bị phân hủy ở nhiệt độ cao.

4. Thông số kỹ thuật

Điện áp di động
Điện áp xả tối thiểu = 2,5 V
Điện áp làm việc = 3.0 ~ 3.2 V
Điện áp sạc tối đa = 3,65 V
Thể tích mật độ năng lượng = 220 Cha/L (790 kJ / L)
Mật độ năng lượng trọng trường> 90 Wh / kg (> 320 J / g). Lên đến 160 Wh / kg (580 J / g).
100% DOD vòng đời (số chu kỳ đến 80% công suất ban đầu) = 2.000–7.000
10% DOD vòng đời (số chu kỳ đến 80% dung lượng ban đầu)> 10.000
Thành phần catốt (trọng lượng)
90% C-LiFePO4, lớp Phos-Dev-12
5% carbon EBN-10-10 (than chì cao cấp)
5% polyvinylidene fluoride (PVDF)
Cấu hình ô
Phủ carbon bộ thu dòng nhôm 15
1,54 cm2 cực âm
Chất điện giải: ethylene cacbonat–đimetyl cacbonat (EC – DMC) 1–1 lithium perchlorate (LiClO
4) 1 triệu
Cực dương: than chì hoặc cacbon cứng với kim loại xen kẽ liti
Điều kiện thí nghiệm:
Nhiệt độ phòng
Giới hạn điện áp: 2,0–3,65 V
Sạc: Lên đến C/1 tốc độ lên đến 3,6 V, sau đó điện áp không đổi ở 3,6 V cho đến khi I
Theo một nhà sản xuất, pin lithium iron phosphate trong ô tô điện có thể được sạc tại trạm sạc nhanh đến 80% trong vòng 15 phút và 100% trong vòng 40 phút.

5. Hiệu quả sử dụng

Tốc độ phóng điện cao hơn cần thiết để tăng tốc, trọng lượng thấp hơn và tuổi thọ cao hơn khiến loại pin này trở nên lý tưởng cho xe nâng, xe đạp và ô tô điện. 12V LiFePO4 pin cũng đang trở nên phổ biến như một loại pin (gia đình) thứ hai cho xe caravan, động cơ gia đình hoặc thuyền.

Đặc biệt, hệ thống đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời sử dụng pin LifePO4 làm nguồn cung cấp năng lượng chính. Pin đơn”14500″ (Pin AA–Size) Các tế bào LFP hiện được sử dụng trong một số ánh sáng cảnh quan thay vì 1,2 V NiCd/NiMH.

Điện áp làm việc cao hơn (3.2 V) của LFP cho phép một tế bào duy nhất điều khiển đèn LED mà không cần mạch điện để tăng điện áp. Khả năng chịu đựng tăng lên của nó đối với sạc quá mức khiêm tốn (so với các loại tế bào Li khác) có nghĩa là LiFePO4 có thể được kết nối với tế bào quang điện mà không có mạch điện để dừng chu kỳ sạc lại. Khả năng điều khiển đèn LED từ một tế bào LFP duy nhất cũng ngăn cản các bộ giữ pin, do đó các vấn đề ăn mòn, ngưng tụ và bụi bẩn liên quan đến các sản phẩm sử dụng nhiều pin sạc có thể tháo rời.

Đến năm 2013, đèn an ninh hồng ngoại thụ động tích điện bằng năng lượng mặt trời tốt hơn đã xuất hiện.Vì các tế bào LFP kích thước AA chỉ có dung lượng 600 mAh (trong khi đèn LED sáng của đèn có thể tạo ra 60 mA), các đơn vị này có thể chiếu sáng tối đa trong 10 giờ. Tuy nhiên, nếu việc kích hoạt chỉ thỉnh thoảng, những thiết bị như vậy có thể đạt yêu cầu ngay cả khi sạc trong ánh sáng mặt trời thấp, vì thiết bị điện tử đèn đảm bảo dòng điện “không tải” sau bóng tối dưới 1 mA.