Các loại pin Lithium phổ biến nhất 2024

Pin lithium-ion được John Goodenough phát minh vào năm 1980; chúng đã được Sony thương mại hóa vào năm 1991. Trong thập kỷ qua, pin lithium-ion đã trở thành loại pin sạc chiếm ưu thế trong hầu hết các ngành công nghiệp. Lithium-ion, so với các hóa chất phổ biến trước đây, (Axit chì, Niken-Cadmium và Alkaline) tốt hơn về nhiều mặt. Lithium là nguyên tố hóa học có mật độ năng lượng cao nhất được sử dụng và với việc thêm vào các nguyên tố hóa học khác, có thể trở nên an toàn nhất. Hiện nay, đây là một lĩnh vực được nhiều nhà khoa học nghiên cứu rất tích cực, hằng năm đều ra đời những hợp chất mới.

Nói một cách đơn giản nhất, pin lithium-ion dùng để chỉ loại pin có anode và cathod có chức năng truyền các ion lithium giữa hai vật liệu. Các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm trong quá trình phóng điện và tự lắng đọng (xen kẽ) vào điện cực dương, bao gồm lithium và các kim loại khác. Quy trình này được đảo ngược khi sạc pin.

Bên trong các cell pin có nhiều lớp cực dương và cực âm cùng một tấm phân cách ở giữa. Giữa hai cực còn có dung dịch điện phân, thường là LiPF6 (Lithium hexafluorophosphate) trộn với dung dịch lỏng. Tổ hợp các vật liệu này có thể được xếp chồng lên nhau (trong pin prismatic – hình lăng trụ ) hoặc quấn theo hình xoắn ốc (các cell pin hình trụ – cylindrical cells). Các tế bào có kích thước và hình dạng khác nhau; một số được bọc bằng nhựa trong khi một số khác được bọc trong vỏ nhôm. Vỏ được thiết kế dựa theo môi trường mà pin hoạt động; kích thước phụ thuộc dung lượng cần thiết cho ứng dụng.

Mỗi cell pin lithium-ion có một dải điện áp an toàn mà nó có thể hoạt động. Phạm vi này phụ thuộc vào chất hóa học được sử dụng trong pin. Ví dụ: pin LFP ở trạng thái sạc 0% (SOC) là 2,5V và ở 100% SOC là 3,6V. Đây được coi là phạm vi hoạt động an toàn của loại pin này. Việc giảm xuống dưới mức 2,5V SOC có thể gây ra xuống cấp dung dịch điện phân, còn gọi là “xả quá mức”. Nếu một cell pin bị xả quá mức nhiều lần, nó có thể gây ra nhiều vấn đề làm hỏng pin vĩnh viễn. Điều này cũng đúng đối với “sạc quá mức”, vượt quá 100% SOC 3.6V. Việc sạc – xả quá dòng làm các nhà sản xuất pin phải phát triển các thiết bị an toàn tích hợp trong pin.

Cách tạo thành khối pin từ các cell pin:

Khối pin lithium bao gồm nhiều cell pin hoạt động cùng nhau. Nguyên tắc cần thuộc lòng: Muốn tăng điện áp, cần mắc nối tiếp. Muốn tăng dung lượng, cần mắc song song.

Ví dụ: một cell pin LFP có điện áp và dung lượng định danh là 3.2V 100Ah. Khi cần tạo khối pin 12V 300Ah thì cần mắc nối tiếp 4 cell và mắc song song 3 module. Kết quả là chúng ta có khối pin 12.8V 300Ah.

Các loại pin lithium-ion

1. Lithium titanate (LTO)
2. Lithium cobalt oxide (LCO)
3. Lithium nickel manganese cobalt (NMC)
4. Lithium iron phosphate (LFP): Pin sắt

Tất cả đều là pin lithium nhưng giữa chúng có những điểm khác biệt chính như sau:

• LTO có tuổi thọ rất dài và phạm vi nhiệt độ rộng. Chúng có khả năng xử lý dòng điện lớn hơn 10C. Chúng có mật độ năng lượng thấp nhất (2,4V/Cell) trong số tất cả các loại pin lithium và là một trong những loại đắt nhất.
• LCO có mật độ năng lượng cao (3,6 V/cell). Cobalt là một vật liệu giàu năng lượng nhưng cực kỳ dễ bay hơi và đắt tiền. Đây là một nguồn tài nguyên đang cạn kiệt do mức tiêu thụ tăng gần đây. LCO có nhiều nhược điểm, nó không thể xử lý dòng điện lớn, rất nhạy cảm với nhiệt độ và có vòng đời ngắn.
• NMC là một loại hóa chất pin đang phát triển nhanh chóng vào thời điểm bài viết này được viết. Sự pha trộn giữa niken, mangan và coban tạo ra một loại pin đáp ứng nhiều pham vi ứng dụng. Với mật độ năng lượng cao (3,6V/Cell) và hàm lượng coban thấp – đồng nghĩa chi phí thấp hơn và an toàn hơn LCO, pin NMC đã trở thành một trong những loại pin phổ dụng nhất trong ngành. Vòng đời của nó dài hơn LCO nhưng ngắn hơn LTO. Pin có thể xử lý dòng điện lên tới 2C và phạm vi nhiệt độ lớn hơn. Tuy nhiên, một điều quan trọng cần quan tâm là việc có thành phần coban làm cho pin cần tích hợp các tính năng an toàn, làm chúng trở nên đắt đỏ hơn chút.
• LFP (LiFePO4) phổ biến trong công nghiệp với việc sử dụng liên tục và môi trường khắc nghiệt. Mặc dù loại này có mật độ năng lượng thấp hơn một chút (3,2V/Cell) nhưng nó có thể chịu được nhiều “thách thức”: tuổi thọ cao, giá thành tốt và an toàn hơn nhiều (vì không chứa coban). Phạm vi nhiệt độ hoạt động rất rộng. LFP cũng có thể xả tối đa lên tới 20C nhưng xả tiêu chuẩn là 1C. Nhìn chung đây là loại pin an toàn và đáng tin cậy nhất hiện nay.

	LTO	LCO	NMC	LFP
Điện áp định danh	2.4	3.6	3.6	3.2
Độ phóng đại C	10C	1C	2C	20C
Vòng đời	3000	500	1500	2500
Thermal runaway	280 °C	150 °C	210 °C	270 °C
Giá thành $/ kWh	1000	450	700	400