Pin LiFePO4 có thực sự an toàn hơn pin lithium NCM hay không? Phân tích kỹ thuật chuyên sâu

Bạn sẽ tìm thấy nhiều bài viết kết luận đơn thuần “pin LiFePO4 (hay còn gọi là pin sắt, pin LFP) là an toàn nhất trong các loại pin lithium-ion“, nhưng điều này có đúng không và đúng trong trường hợp nào? Nếu chỉ nhìn vào độ bền với nhiệt thì có lẽ pin sắt an toàn hơn thật, nhưng đây không phải là toàn bộ sự thật. Khi đọc các nghiên cứu khoa học đã được công bố, bạn sẽ hiểu rằng loại pin này có điểm mạnh, điểm yếu, và người ta phải dùng nó trong những trường hợp cụ thể nào để khai thác điểm mạnh, hạn chế điểm yếu, đồng thời dự đoán các vấn đề phát sinh và hạn chế rủi ro. Cùng chúng tôi đào sâu hơn để tìm hiểu bạn nhé!

Pin LIFEPO4 có bị cháy hoặc nổ không? 

Trên một số diễn đàn, bạn sẽ thấy người dùng thảo luận về việc pin sắt không cháy mà chỉ nhả khói khi bị lạm dụng.

Tuy nhiên, có nhiều nghiên cứu khoa học đã được công bố chứng minh pin sắt không chỉ nhả khói, chúng bắt cháy và có xảy ra hiện tượng thermal runaway. Tuy nhiên, đám cháy không dữ dội và nhiệt độ cao như cháy lithium-ion NCM.

Xem thêm: thí nghiệm Pin LiFePO4 bắt cháy do bị đâm thủng

Xem thêm: Pin LiFePO4 bắt cháy khi bị sạc quá mức

So sánh sự an toàn của pin LFP và lithium-ion NCM qua thí nghiệm kích hoạt thermal runaway

Xem thêm: Thermal runaway là gì

LFP và NCM khi bị lạm dụng nhiệt. 

Bảng so sánh nhiệt độ kích hoạt thermal runaway do nhiệt của pin LFP và NCM. Theo MDPI 

Trong thí nghiệm độ bền với nhiệt, T-onset là nhiệt độ cần làm nóng pin để bắt đầu kích hoạt hiện tượng Thermal Runaway. Bạn sẽ thấy, LFP có T-onset cao hơn nhiều so với các loại pin NCM khác. Pin này vì vậy bền hơn với nhiệt và nhìn chung an toàn hơn khi bị lạm dụng nhiệt.

Đồ thị điện áp và nhiệt độ của cell LFP trong thermal runaway do lạm dụng nhiệt. Theo MDPI 

Ghi chú: Cột mốc thời gian “0” là lúc thermal runaway bắt đầu.

Như hình, khi bị làm nóng tới 184°C, van an toàn bật mở, quá trình sản sinh khí bắt đầu, nhưng không xảy ra thermal runaway ngay lập tức, điện áp vẫn ổn định, và phải tới 300s sau  thì thermal runaway mới bắt đầu.

Nhiệt độ tối đa của đám cháy Tmax của LiFePO4 là 302 °C, nhỏ hơn gấp 2 lần so với nhiệt độ tối đa sản sinh do NCM811. Vì vậy, đám cháy do pin lithium NCM khốc liệt hơn nhiều so với LFP.

 

So sánh hiện tượng thermal runaway ở pin LiFePO4 và NCM do sạc quá mức 

Hiện tượng sạc quá mức là một trong số những nguyên nhân hàng đầu làm hỏng toàn bộ hệ thống pin, và gây ra thermal runaway gây cháy nổ, đặc biệt đối với pin xe điện. Có ba nguyên nhân xảy ra hiện tượng này (1) sạc hỏng hoặc BMS hỏng và (2) cell không cân bằng trong khối pin. Thường nguyên nhân đầu sẽ được BMS xử lý ngắt dòng nhưng hiện tượng sạc quá mức do cell không cân bằng thường bị bỏ qua, đặc biệt đối với khối pin sắt vốn có đồ thị xả bằng phẳng. Cell có áp cao hơn bị sạc quá mức, sinh nhiệt làm nóng khối pin, gây phồng và cuối cùng là thermal runaway. Tình trạng này đặc biệt nguy hiểm đối với pin trong xe điện vốn được tạo nên từ rất nhiều cell nhỏ.

Đồ thị điện áp và nhiệt độ của cell LFP và NCM 40AH trong tình trạng sạc quá mức (Overcharge)

Nguồn: ScienceDirect.com

 

5 giai đoạn của thermal runaway ở pin sắt LFP và pin lithium NCM do sạc quá mức (overcharge). Nguồn: ScienceDirect.com

So sánh hai đồ thị trên, bạn có thể thấy như sau:

Nhiệt độ kích hoạt thermal runaway trong thí nghiệm sạc quá mức của pin LFP là 112 °C, Xảy ra ở 1000s, trong khi con số này ở NCM là 93 °C và 1200s. Tmax (Nhiệt độ cao nhất của đám cháy) của LFP cũng thấp hơn ½ so với NCM. Có thể kết luận trong thí nghiệm này, thermal runaway kích hoạt sớm hơn ở pin sắt, chúng cũng tăng nhiệt nhanh hơn khi bị sạc quá mức, nhưng đám cháy không dữ dội như NCM.  Thậm chí ở một số thí nghiệm đã được công bố, pin LFP chỉ nhả khói chứ không cháy. Một điều đáng lưu ý là phản ứng trong giai đoạn thermal runaway của LFP không sản sinh khí O2 do cấu trúc bền vững của (PO4) 3− trên cathode. (Đám cháy này vì vậy sẽ không tự duy trì như NCM)

Nhìn chung, 60°C là điểm vô cùng nóng đối với thí nghiệm sạc quá mức, khi cell bắt đầu nứt, nhả khí và biến dạng do nhiều phản ứng tỏa nhiệt bên trong cell bắt đầu.

 

Pin sắt LFP có xảy ra thermal run away không?

Có

Nhiệt độ đám cháy của pin LifePO4 là bao nhiêu?

Nhiệt độ cao nhất đám cháy là tầm hơn 308°C tới khoảng 500 °C tùy dung lượng và trọng lượng pin.

Đám cháy pin LifePO4 có khó dập không? Cách dập đám cháy LifePO4

Đám cháy dễ dập hơn loại pin Lithium ion NCM, do nhiệt độ thấp hơn và không tự sản sinh ô xy. Bạn dùng bình chữa cháy thông thường nhằm hạ nhiệt và cách ly ô xy như bình ABC.

Pin LIFEPO4 có cần BMS không?

Pin sắt là một nhánh của lithium-ion là loại pin chỉ hoạt động trong một vùng điện áp nhất định, vì vậy, pin sắt có cần BMS quản lý để không xảy ra hiện tượng sạc xả quá mức. Loại pin này dễ có khuynh hướng bị mất cân bằng cell sau thời gian dài sử dụng, BMS vì vậy nên có chức năng cân bằng tốt, và tốt nhất là loại BMS có bluetooth để kiểm soát từng cell.

Nhiệt độ xảy ra hiện tượng thermal runaway (tự tăng nhiệt mất kiểm soát) của pin LFP là bao nhiêu?

Như đề cập ở thí nghiệm cấp nhiệt làm nóng trên, nhiệt độ môi trường là 184°C mới xảy ra thermal runaway đối với LFP. So sánh với NCM, con số này là 130.

Đối với sạc quá mức, nhiệt độ bắt đầu thermal runaway của pin sắt là 112°C, của pin lithium ion NCM là 93°C

So sánh khả năng xảy ra rủi ro thermal runway của NCM với LFP.

Khả năng xảy ra thermal runaway của LFP > NCM do chúng có xu hướng dễ bị mất cân bằng cell sau một thời gian hoạt động, chúng tăng nhiệt nhanh trong thời gian ngắn nếu bị lạm dụng. Vì vậy, khi sử dụng loại pin này, người ta khuyến cáo bạn cân bằng pin định kỳ.