So sánh pin li-ion NCM và LifePO4 trong ngành xe điện EV: phân tích chuyên sâu kỹ thuật

Pin Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) -ngôi sao pin cho công nghiệp đang ngày càng trở nên phổ biến trong ứng dụng xe điện EV. Khi đem so sánh với pin lithium ion NMC (Niken-Cô ban- Mangan), đồng minh với sự thành công thương mại lớn do khả năng xả ấn tượng, pin sắt có một số điều hay ho bạn đọc luôn được trong tài liệu kỹ thuật:

1. vòng đời dài hơn
2. An toàn hơn do khoảng nhiệt chịu được lớn
3. hóa chất pin ổn định hơn
4. có thể chấp nhận sạc nhanh hơn

Các ứng dụng của pin này đa dạng từ tàu thuyền, xe cộ, nông nghiệp, logistics, robot, xe phục vụ sân bay, xe trong nhiệm vụ đặc biệt,…

Đây là những đánh giá ban đầu mà ai cũng thấy rõ, chúng tôi sẽ không nhắc lại trong bài viết này nữa. Bạn có thể đọc thêm trên internet có nhiều bài viết so sánh khái niệm  của chúng như tại đây 

Bài viết này cung cấp cho bạn một nghiên cứu sâu hơn các tiêu chí khi so sánh hai loại pin này với nhau, bằng việc phân tích các đồ thị đường cong sạc xả (charge and discharge curve), giúp bạn hiểu hơn về dòng pin này thay vì chỉ đọc được các con số “snapshot” ngay trên trang nhất của tài liệu kỹ thuật, vốn không phản ảnh 100% thực tế quá trình hoạt động của pin trong vòng đời dài của nó.

Đường cong sạc xả của pin sắt LFP ở các hệ số C khác nhau. Nguồn: Flash Battery

Pin LFP có đồ thị xả bằng phẳng hơn pin NCM, tức khả năng cấp điện ổn định tốt hơn

 

So sánh Đồ thị xả (discharge curve) của pin NCM và pin LIFEPO4 

Như các bạn có thể thấy, đồ thị xả của NCM dốc hơn LFP rất nhiều, chứng tỏ việc giảm năng lượng cấp tải sẽ thay đổi rõ nét, vốn là yếu tố quyết định biểu hiện của xe từ lúc đầy pin tới lúc hết pin. Xe dùng LFP cấp điện ổn định hơn trong suốt thời gian hoạt động. Tuy nhiên, đường cong xả bằng phẳng vốn là lợi thế của LFP đồng thời cũng là điểm trừ, vì đo lường sự thay đổi điện áp không phản ảnh được chính xác tức thời lượng điện còn lại trong pin (dự đoán tình trạng sạc SOC). Nhà sản xuất xe cảm thấy thách thức hơn khi phải hiệu chỉnh đo đếm dung lượng còn lại pin để quyết định lúc nào cần ra cảnh báo sạc.

Bảng dung lượng và điện áp của pin LFP (LiFePO4) 

Voltage	Capacity
3.65V	100% (charging)
3.4V	100% (resting)
3.35V	99%
3.33V	90%
3.3V	70%
3.28V	40%
3.25V	30%
3.23V	20%
3.2V	17%
3.13V	14%
3.0V	9%
2.5V	0%

Bạn có thể thấy sự thay đổi điện áp từ 3.35V xuống 3.33V (0.02V) làm cho dung lượng giảm từ 99% tới 90% (sự thay đổi là 9%).

Các phương pháp đo dung lượng còn lại của pin LFP

• Dùng vôn kế: phương pháp này chính xác nhưng bạn phải đo khi không có tải hoặc sạc, pin cũng cần nghỉ tầm 15 phút. Vì vậy cách này phù hợp đo pin mới lôi từ trong kho ra.
• Sử dụng thiết bị quản lý pin: phương pháp này chính xác, tiện lợi, nhưng cũng đắt đỏ. Thiết bị xịn như Victron BMV-712 có app kết nối điện thoại và bạn quản lý pin một cách chính xác.
• Thiết bị quản lý sạc: cách này tiện lợi, tuy nhiên thông số đọc được sai số rất lớn.

Vì vậy người dùng xe là pin sắt cần chú ý hơn một chút về quãng đường pin có thể đi được để dự đoán khi nào cần sạc lại.

Sự hấp thụ lithium ion và dòng dịch chuyển có hướng của electron ảnh hưởng tới khả năng cấp điện xung mạnh (khả năng tăng tốc)

Sự hấp thụ ion lithium tại các điện cực theo các hướng của NCM và LFP 

Nguồn: LG Energy Europe Blog 

Ion lithium trong pin NCM có thể di chuyển theo nhiều hướng trong khi nó chỉ di chuyển theo 1 hướng ở LFP. Vì vậy, theo một nghiên cứu khoa học tại khoa cơ khí đại học Michigan Mỹ, tốc độ thẩm thấu ion lithium trong NCM nhanh gấp 10,000 lần so với pin sắt, đối với sự di chuyển của electron, NCM nhanh hơn 1000 lần.

Sự hấp thụ ion lithium tại các điện cực của NCM và LFP 

Nguồn: LG Energy Europe Blog 

Vì vậy, NCM có mật độ năng lượng riêng (energy density) cao hơn LFP, và khả năng cấp điện (power rating) cũng cao hơn tính trên cùng đơn vị đo lường.

Đối với những ứng dụng cần xả mạnh, phản ứng tức thời, tăng tốc đột ngột, NMC sẽ là sự lựa chọn hợp lý hơn. Còn lại, trong đời sống hàng ngày, khi bạn ưu tiện sự ổn định, ít thay đổi, trọng lượng có thể nặng hơn chút, an toàn thì LFP sẽ là một sự tính toán phù hợp.

Chi phí

Tính toán chi phí trong hầu hết trường hợp là yếu tố quan trọng nhất của người dùng trong mọi quyết định mua bán.

Mặc dù NCM có mật độ năng lượng cao hơn, xem thêm Bảng so sánh các loại pin sạc. Nhưng mật độ năng lượng không phản ảnh toàn bộ bức tranh bài toán chi phí. Bạn vui lòng xem biểu đồ dưới đây:

So sánh thành phần cấu tạo của khối pin NMC và LFP

Vì tính an toàn vượt trội của pin sắt, người ta có thể đóng khối chúng chặt hơn, thiết kế khối pin thành phẩm không chênh lệch quá nhiều so với tính toán ban đầu chỉ dựa trên năng lượng riêng.

Tùy vào từng cấu hình, các hãng xe sẽ tìm ra cách để tối ưu chi phí. Giá cả đầu vào biến động tùy thời điểm, và trước đây pin NCM hình trụ đã đạt được độ phổ biến trong thương mại với giá thành tốt. Tuy nhiên, công nghệ ngày nay đang thay đổi với sự cải thiện từng bước cả năng lượng riêng lẫn chi phí, giá thành ban đầu đang tiệm cần dần với nhau. Nếu bạn tính toán thêm về vòng đời dài, thường LFP sẽ có giá thấp hơn.

Giải thích sự lựa chọn của các hãng xe điện

Đối với ngành công nghiệp ô tô, yếu tố tăng tốc nhanh, kích thích, lái mượt vô cùng quan trọng. Do đó, sự lựa chọn pin cần nghiêng về năng lượng riêng, khả năng xả tức thời lớn. Những tiêu chí khác như bền thật sự không quá cần thiết.

Việc ô tô sạc vài lần trong ngày là rất hiếm, nếu xe phục vụ đi lại thông thường, nó chỉ dùng tầm 20 tới 30% lượng sạc. ví dụ xe Tesla di chuyển được 400km/ lần sạc. Nếu tính vòng đời 400,000km hữu dụng cho xe, vậy tổng số chu kỳ là 1000 chu kỳ. Vì vậy, có thể lý giải tại sao NCM không vượt quá 2000 lần sạc xả.

Đối với những xe như AGV, LGV, khi cần sử dụng liên tục, thỉnh thoảng mới nghỉ, điều kiện làm việc trong môi trường khó nhằn, sạc có khi 3-4 lần/ ngày, thì LFP với khả năng lên tới 4000 lần là vô cùng thích hợp.

Ngoài ra với những người kinh doanh xe điện cần sạc xả liên tục khối pin, lại cần sự an toàn không cháy nổ, chúng tôi khuyên nên sử dụng LFP.

Nhiều nhà sản xuất ô tô nước ta như Vinfast cũng vì vậy đã chuyển sang dùng LFP.