Khác biệt giữa pin Lithium iron phosphate và pin Lithium ion

Giới thiệu pin Lithium iron phosphate

LiFePO4 được sử dụng như là một vật liệu cathode cho pin Lithium-ion. Về mặt cấu tạo hóa học thì nó có cấu tạo của mạng tinh thể Olivine. Cấu tạo Olivine do có cấu tạo ổn định nên so với cấu tạo tầng của Coban Oxit thì có tính an toàn cao hơn, điện áp hoạt động trung bình dao động trong khoảng 3.2V, mật độ năng lượng trung bình ở mức 150mA/g, công suất phóng điện lớn, thời gian sạc nhanh, đặc biệt là tuổi thọ cao và hoạt động an toàn ở nhiệt độ cao, không sử dụng chất Coban.

Đặc biệt có ưu điểm nổi bật là tính ổn định. Không cần bảo quản nghiêm ngặt, không cần phải quản lý nhiệt độ môi trường xung quanh, không cần đến thiết bị phụ trợ riêng, tiết kiệm chi phí quản lý và tầm hoạt động rộng rãi.

Pin Lithium iron phosphate

Lithium iron phosphate – LiFePO4, còn gọi là pin LFP – lithium ferrophosphate, là loại pin có thể sạc lại thuộc dòng pin Lithiumion, trong đó cực sử dụng vật liệu LiFePO4. Pin LiFePO4 có mật độ năng lượng thấp cao, thời gian hoạt động lâu và an toàn.

LiFePO4 là một khoáng chất tự nhiên thuộc họ Olivin (triphylite), không độc hại môi trường (non-toxicity), độ sẵn có của nguyên liệu sắt trong tự nhiên, độ ổn định nhiệt độ, độ an toàn, tính chất hóa điện cùng khả năng lưu điện (170 mA · h / g, hoặc 610 C / g)

Một công nghệ phủ mới cho phép các ion di chuyển dễ dàng hơn trong pin. “Beltway Battery” cho phép các ion Lithium ra vào các điện cực với tốc độ lớn để có thể sạc đầy pin trong một phút.  Bằng cách phủ hạt Lithium iron phosphate trong chất pyrophosphate lithium , các ion bỏ qua các kênh và di chuyển nhanh hơn. Khả năng nạp và phóng điện phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển các ion này. Công nghệ này làm giảm trọng lượng và kích thước của pin. Một tế bào pin mẫu này có thể nạp đầy từ 10-20 giây, so với 6 phút với các tế bào ắc quy tiêu chuẩn.

Nguyên lý hoạt động pin Lithium iron

Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin lithium-ion là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion lithium dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy.

Ion lithium di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion lithium xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập lithium (lithiation, intercalation/intercalation/insertion process), và ngược lại ion lithium rời khỏi mạng tinh thể (deintercalation/delithiation/extraction process).

Khi xả, ion lithium mang điện dương di chuyển từ cực âm, thường là graphite, C6

Khi xả, ion lithium mang điện dương di chuyển từ cực âm, thường là graphite, C6 trong phản ứng qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.

Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin. Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi.

Giới thiệu về pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion hay pin Li-on (viết tắt là LIB) có thể tích trữ điện năng dưới dạng năng lượng hóa học. Cấu tạo pin Lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện. Điện cực dương (Cathode) vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.Điện cực âm (Anode) cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa LiPF6 và dung môi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ.

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin lion là có độ dẫn ion tốt. Cụ thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.

Pin Lithium-ion

Pin lithium-ion hay còn gọi là pin lion, viết tắt là LIB. Đây là công nghệ pin tiên tiến có ion Lithium là thành phần chính, điều đặc biệt là loại pin này có thể sạc được.

Pin Lithium thường dùng cho các thiết bị như: Điện thoại, máy tính, máy chụp hình… Hiện nay, pin Lithium còn được chú trọng phát triển trên những ứng dụng phương tiện di chuyển chạy bằng điện như: Xe đạp điện, xe máy điện, ô tô điện… hoặc kỹ thuật ở các ngành quân đội, hàng không…

Nguyên lý hoạt động pin Lithium-ion

Cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa ở pin li-on. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả.

– Quy trình xả:

Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngoài, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.

– Quy trình sạc:

Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương). Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều.

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện.

So sánh pin Lithium iron phosphate và pin Lithium-ion.

Pin LiFePO4 cùng sử dụng nguyên liệu có cùng nguồn gốc Lithium-ion nên có cùng ưu nhược điểm với Pin Lithium-ion. Tuy nhiên có nhiều khác biệt đáng kể như có chu kỳ sống dài hơn các Pin lithium-ion khác. Pin LiFePO4 có điện áp phóng ra không đổi. Điện áp phóng ra duy trì 3,2 V trong thời gian phóng cho đến khi Pin cạn kiệt. Pin cấp nguồn ổn định đầy đủ cho đến khi phải sạc lại. Đặc tính này làm đơn giản hóa hoặc không cần mạch điều chỉnh điện áp ra.

Điện áp danh định của một tế bào pin là 3,2 V nên 4 tế bào sẽ tạo ra điện áp danh định là 12,8 V. Điện áp này tương đương điện áp danh định của ắc quy tế báo chì-axit. Và cùng với đặc điểm độ an toàn cao, hệ thống nạp không bị ảnh hưởng khi điện áp nạp quá mức, không bù áp khi nhiệt độ thay đổi.

Việc sử dụng phốt phát tránh chi phí và sự nóng lên môi trường. Pin LiFePO4 có dòng và công suất đỉnh cao hơn Pin LiCoO2. Tế bào LiFePO4 bị suy thoái chậm hơn Pin Lithium-ion như LiCoO2 hay LiMn2O4, Pin Lithium-ion polymer (LiPo).

Một lợi thế quan trọng của chất Lithium-ion là độ ổn định với nhiệt độ và hóa học, cải thiện độ an toàn của Pin. LiFePO4 là một vật liệu cathode an toàn hơn so với LiCoO2 và spinel mangan. Độ bám Fe-P-O là mạnh hơn so với Co-O, nên khi có sự cố (ngắn mạch, quá nóng, vv) các nguyên tử oxy rất khó bị thoát ra. Độ ổn định phản ứng oxi hóa khử cũng giúp ion di chuyển nhanh.