Trang chủ > Blog > Lifepo4 so với Lithium-…

Lifepo4 vs Lithium-Ion: Trận chiến của pin

1.763 Được xuất bản bởi BSLBATT Ngày 19 tháng 4 năm 2024

Lithium-ion (Li-ion) và lithium sắt photphat ( LiFePO4 ) là hai trong số những loại pin sạc lithium-ion phổ biến nhất được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng và xe điện hiện nay.

Cả hai đều cung cấp mật độ năng lượng cao, khả năng tự phóng điện thấp, điện áp di động cao và mức bảo trì thấp so với các loại pin sạc khác.

Tuy nhiên, có một số khác biệt chính giữa hai loại này khiến mỗi loại phù hợp hơn cho một số ứng dụng nhất định.

lithium-ion

Pin Li-ion sử dụng oxit lithium coban ( LiCoO2 ) hoặc các oxit kim loại lithium khác làm điện cực dương và carbon than chì làm điện cực âm.

Trong quá trình phóng điện, các ion lithium di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua màng điện phân và màng ngăn cách.

Quá trình sạc làm đảo ngược dòng chảy của các ion. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao nhưng có thể không ổn định do cực âm coban có khả năng phản ứng cao.

Lifepo4

Pin LiFePO4 thay thế cực âm oxit coban bằng lithium sắt photphat ( LiFePO4 ), có cấu trúc và nhiệt ổn định hơn.

Điều này làm cho LiFePO4 vốn đã an toàn hơn Li-ion, với chi phí mật độ năng lượng thấp hơn một chút.

LiFePO4 cũng mang lại tuổi thọ dài hơn và hiệu suất tốt hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Cả hai loại pin lithium-ion ngày nay đều phổ biến cho các thiết bị điện tử tiêu dùng, dụng cụ điện, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng. Chúng ta sẽ khám phá những khác biệt chính giữa chúng một cách chi tiết hơn.

Hoá học

Pin LiFePO4 có cực âm làm từ lithium sắt photphat ( LiFePO4 ), trong khi pin lithium-ion truyền thống sử dụng oxit lithium coban (LiCoO2), oxit coban mangan lithium niken (NMC) hoặc cực âm oxit kim loại khác.

Sự khác biệt chính nằm ở vật liệu làm cực âm. LiFePO4 cung cấp hóa chất catốt ổn định hơn, an toàn hơn so với catốt oxit kim loại có trong pin lithium-ion thông thường.

Cấu trúc phốt phát sắt chống lại sự mất oxy, ngay cả khi bị sạc quá mức hoặc bị chập điện. Điều này làm cho LiFePO4 vốn không cháy và loại bỏ nguy cơ thoát nhiệt.

Ngược lại, pin lithium-ion có cực âm coban, niken và mangan có thể giải phóng oxy nếu sạc quá mức hoặc hư hỏng, dẫn đến cháy nổ.

Cấu trúc oxit phân lớp thiếu tính ổn định của cấu trúc olivin photphat trong LiFePO4. Sự khác biệt cơ bản trong hóa học cực âm này là điều mang lại cho pin LiFePO4 danh tiếng về độ an toàn tuyệt vời.

Điện áp

Pin LiFePO4 có điện áp danh định thấp hơn so với pin lithium-ion. LiFePO4 hoạt động ở mức điện áp khoảng 3,2V, trong khi pin lithium-ion thường hoạt động ở mức 3,6-3,7V.

Điện áp thấp hơn này trong LiFePO4 xuất phát từ tính chất hóa học của vật liệu cực âm. Cực âm LiFePO4 có cấu hình điện áp phẳng và chỉ có thể giải phóng một electron trên mỗi đơn vị công thức trong quá trình sạc và xả.

Ngược lại, cực âm lithium-ion như lithium coban oxit (LiCoO2) có thể giải phóng hầu hết các ion lithium của chúng, tạo ra điện áp cao hơn.

Điện áp thấp hơn của LiFePO4 có nghĩa là cần phải kết nối nối tiếp nhiều tế bào hơn để đạt được điện áp hệ thống mong muốn.

Tuy nhiên, điện áp thấp hơn cũng mang lại một số lợi thế về độ an toàn và ổn định so với các hóa chất lithium-ion có điện áp cao hơn.

Nhìn chung, điện áp thấp hơn một chút của LiFePO4 là sự cân bằng mang lại sự ổn định và an toàn tuyệt vời khi đạp xe.

Sạc/Xả

Pin LiFePO4 có đường phóng điện rất phẳng so với pin lithium-ion.

Điều này có nghĩa là điện áp đầu ra vẫn ổn định hơn khi pin xả. Mặt khác, pin lithium-ion có đường phóng điện dốc nên điện áp giảm dần khi pin cạn kiệt.

Đường cong phóng điện phẳng của LiFePO4 khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu điện áp đầu ra ổn định.

Những thứ như bộ điều khiển động cơ và bộ biến tần được hưởng lợi từ việc cung cấp điện áp ổn định trong quá trình phóng điện. Với lithium-ion, bạn có thể gặp phải tình trạng giảm hiệu suất khi điện áp giảm.

LiFePO4 cũng có mức sạc khác với lithium-ion. Điện áp tăng nhanh lên khoảng 3,65V và duy trì ở mức đó trong khi pin được sạc đầy.

Điện áp lithium-ion tăng đều đặn trong suốt quá trình sạc. Điều này có nghĩa là LiFePO4 có thể sử dụng tính năng sạc nhanh tốt hơn lithium-ion trong hầu hết các trường hợp.

Vì vậy, tóm lại, LiFePO4 cung cấp khả năng phóng điện áp phẳng trong khi lithium-ion có độ dốc dần. Và LiFePO4 sạc nhanh đến điện áp cực đại trong khi lithium-ion tăng chậm.

Các đặc tính phóng/sạc này giúp LiFePO4 thuận lợi cho các ứng dụng cần điện áp ổn định và khả năng sạc nhanh.

Vòng đời

Pin LiFePO4 có tuổi thọ dài hơn đáng kể so với pin lithium-ion.

Trong khi lithium-ion có thể kéo dài 500-1000 chu kỳ trước khi giảm xuống công suất 80% thì LiFePO4 thường có thể đạt được 2000-5000 chu kỳ trở lên. Một số tế bào LiFePO4 đã được thử nghiệm hơn 10.000 chu kỳ với mức giảm công suất tối thiểu.

Lý do chính cho vòng đời kéo dài này là cấu trúc tinh thể olivin của vật liệu làm cực âm trong LiFePO4.

Cấu trúc này cho phép các ion lithium chèn và trích xuất với ít ứng suất và biến dạng hơn so với các cực âm oxit phân lớp như oxit lithium coban.

Cấu trúc cứng nhắc của LiFePO4 không giãn nở hoặc co lại nhiều trong quá trình đạp xe, dẫn đến độ ổn định cao hơn qua hàng nghìn chu kỳ.

Ngược lại, cấu trúc phân lớp của cực âm lithium-ion thông thường thay đổi hình dạng đáng kể hơn trong quá trình đạp xe khi các ion lithium được thêm vào và loại bỏ.

Điều này gây thêm áp lực vật lý lên các điện cực và chất điện phân, dẫn đến pin xuống cấp nhanh hơn theo thời gian.

Vì vậy, đối với các ứng dụng yêu cầu hàng nghìn chu kỳ trong nhiều năm, như bộ lưu trữ năng lượng tái tạo hoặc xe điện, LiFePO4 rõ ràng là người chiến thắng so với pin lithium-ion thông thường khi nói đến vòng đời.

Khả năng chịu được chu kỳ gấp 3-10 lần trước khi hỏng khiến LiFePO4 trở thành sự lựa chọn hấp dẫn khi độ bền và tuổi thọ lâu dài là những yếu tố quan trọng.

Sự an toàn

Pin LiFePO4 vốn đã an toàn hơn pin lithium-ion. Điều này là do cấu trúc hóa học và tính chất của vật liệu catốt.

Pin lithium-ion thường sử dụng vật liệu catốt như oxit coban lithium (LiCoO2) hoặc oxit coban mangan lithium niken (NMC).

Những vật liệu catốt oxit nhiều lớp này không ổn định, đặc biệt khi bị sạc quá mức hoặc bị đoản mạch.

Điều này có thể dẫn đến việc giải phóng oxy từ cực âm và gây ra sự thoát nhiệt, dẫn đến cháy hoặc nổ.

Ngược lại, LiFePO4 có cấu trúc tinh thể olivin rất ổn định, ngay cả trong điều kiện lạm dụng.

Các liên kết cộng hóa trị mạnh trong khung photphat khiến việc giải phóng oxy trở nên vô cùng khó khăn.

Kết quả là LiFePO4 không dễ dàng thoát nhiệt và ít bị bắt lửa hoặc phát nổ hơn.

LiFePO4 có thể chịu được nhiệt độ cao hơn nhiều (lên tới 700°F) trước khi phân hủy so với nhiệt độ thoát nhiệt tương đối thấp của lithium-ion.

Đoản mạch, sạc quá mức và các hành vi lạm dụng điện hoặc cơ học khác ít có khả năng dẫn đến hỏng hóc nghiêm trọng với LiFePO4.

Sự an toàn và ổn định vốn có này là lý do chính khiến LiFePO4 được ưu tiên sử dụng cho xe điện và các ứng dụng khác mà sự an toàn là rất quan trọng.

Trị giá

Pin LiFePO4 thường rẻ hơn trên mỗi kWh so với pin lithium-ion.

Điều này là do LiFePO4 sử dụng sắt photphat làm vật liệu catốt, rất dồi dào và rẻ tiền so với coban, niken và mangan được sử dụng trong cực âm lithium-ion.

Ngoài ra, LiFePO4 có đường cong phóng điện phẳng hơn lithium-ion, cho phép nó sử dụng ít thiết bị điện tử trong hệ thống quản lý pin hơn.

Hệ thống quản lý pin đơn giản hơn giúp giảm chi phí cho LiFePO4 hơn nữa.

Về chi phí trả trước của bộ pin, pin LiFePO4 dao động từ 300-500 USD mỗi kWh, trong khi các gói lithium-ion có giá 150-300 USD mỗi kWh.

Tuy nhiên, vòng đời của LiFePO4 dài hơn so với lithium-ion có nghĩa là chi phí cho mỗi chu kỳ hoặc chi phí trong suốt thời gian sử dụng pin đối với LiFePO4 sẽ thấp hơn.

Nhìn chung, chi phí nguyên liệu thô rẻ hơn và thiết bị điện tử đơn giản hơn khiến LiFePO4 có chi phí trọn đời trên mỗi kWh thấp hơn mặc dù chi phí ban đầu cao hơn.

Điều này làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn so với lithium-ion trong nhiều ứng dụng, đặc biệt khi tuổi thọ dài và độ an toàn là ưu tiên hàng đầu.

Ứng dụng

Cả pin LiFePO4 và lithium-ion đều được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, nhưng mỗi loại đều có những ưu điểm giúp chúng phù hợp hơn với một số trường hợp sử dụng nhất định.

Pin LiFePO4 có xu hướng được ưa chuộng cho các ứng dụng năng lượng cao như dụng cụ điện và xe điện.

Tính chất hóa học an toàn và khả năng cung cấp dòng điện cao khiến chúng phù hợp với những thứ cần nhiều năng lượng tức thời. LiFePO4 tạo ra cú hích khi bạn cần nguồn điện ngay lập tức.

Mặt khác, pin lithium-ion thường tốt hơn cho các thiết bị điện tử nhỏ hơn như máy tính xách tay, điện thoại di động và máy tính bảng.

Mật độ năng lượng cao hơn có nghĩa là chúng có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn trong một gói nhỏ hơn, nhẹ hơn.

Điều này làm cho lithium-ion trở nên tuyệt vời khi bạn cần tối ưu hóa không gian và trọng lượng, chẳng hạn như trên điện thoại thông minh.

Sự đánh đổi là họ cũng không xử lý được sức mạnh cao.

LiFePO4 lý tưởng cho các dụng cụ công suất cao, xe điện và các ứng dụng khác yêu cầu dòng điện lớn. Tính chất hóa học an toàn của chúng cũng khiến chúng rất phù hợp cho các thiết bị y tế.

Lithium-ion tốt hơn cho thiết bị điện tử tiêu dùng và các ứng dụng khác tập trung vào trọng lượng nhẹ và kích thước nhỏ. Mật độ năng lượng cao hơn của chúng là hoàn hảo để tối đa hóa thời gian chạy.

Mỗi công nghệ có điểm mạnh trong các ứng dụng khác nhau dựa trên nhu cầu và sự cân bằng cụ thể. LiFePO4 cho năng lượng thô, lithium-ion khi không gian và trọng lượng rất quan trọng.

Môi trường

Pin LiFePO4 có lợi thế về môi trường rõ ràng so với pin lithium-ion truyền thống.

Vật liệu catốt trong pin LiFePO4 sử dụng sắt photphat, không độc hại và có nhiều trong tự nhiên.

Ngược lại, coban, niken và mangan được sử dụng trong cực âm lithium-ion là những nguyên tố hiếm hơn và có thể gây nguy hiểm ở nồng độ cao.

Trong quá trình sản xuất pin, quá trình tổng hợp LiFePO4 thải ra lượng khí nhà kính tối thiểu so với lithium-ion.

Việc xử lý cũng ít gặp vấn đề hơn vì sắt photphat không thải các hóa chất độc hại ra môi trường.

Nhìn chung, vật liệu và quá trình sản xuất pin LiFePO4 có tác động môi trường thấp hơn nhiều.

Khi xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng ngày càng phổ biến, việc lựa chọn hóa chất pin sẽ có tác động lớn đến sinh thái.

Việc áp dụng rộng rãi LiFePO4 có thể làm giảm đáng kể tác động môi trường của các công nghệ này.

Với tính bền vững và an toàn được cải thiện, pin LiFePO4 có thể sẽ đóng vai trò hàng đầu trong quá trình chuyển đổi năng lượng xanh.

Phần kết luận

Khi đánh giá pin LiFePO4 và pin lithium-ion, có một số điểm khác biệt chính cần xem xét.

Pin LiFePO4 có mật độ năng lượng thấp hơn nhưng ổn định nhiệt và hóa học tốt hơn.

Chúng cũng có vòng đời dài hơn, khả năng suy giảm công suất chậm hơn và vốn dĩ an toàn hơn.

Nhược điểm chính là điện áp thấp hơn, đòi hỏi nhiều tế bào nối tiếp hơn cho cùng điện áp như lithium-ion.

Pin lithium-ion có điện áp và mật độ năng lượng cao hơn.

Điều này cho phép pin nhỏ hơn, nhẹ hơn với cùng dung lượng.

Tuy nhiên, chúng kém ổn định về nhiệt, dễ bị lão hóa và có thể gây nguy cơ hỏa hoạn nếu không được quản lý đúng cách.

Đối với các ứng dụng yêu cầu độ an toàn và tuổi thọ dài như xe điện và lưu trữ năng lượng, LiFePO4 thường là lựa chọn tốt hơn mặc dù kích thước và trọng lượng lớn hơn.

Đối với các thiết bị điện tử tiêu dùng có kích thước nhỏ là quan trọng nhất thì lithium-ion được ưu tiên hơn.

Mặc dù đối với các ứng dụng ở giữa, vẫn có những sự cân bằng cần cân nhắc.

Nhìn chung, LiFePO4 là loại pin hóa học an toàn hơn, bền hơn nhưng lại có hiệu suất kém hơn so với lithium-ion.

Vì vậy hãy chọn lithium-ion khi tối ưu hóa mật độ năng lượng và LiFePO4 khi tối ưu hóa độ an toàn và tuổi thọ. Xem xét các ưu tiên cho ứng dụng cụ thể của bạn.