Cốt lõi của hóa học pin lithium: Bốn vật liệu catốt chính

Pin lithium, Pin lithium-ion, còn được gọi là pin lithium-ion, là một công nghệ đột phá trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng điện hóa hiện đại. Nguyên lý hoạt động cốt lõi của chúng liên quan đến việc đưa và rút các ion lithium một cách thuận nghịch giữa cực âm (chẳng hạn như Lthứ ioxit Coban (LCO), photphat sắt Liti (LiFePO₄), hoặc vật liệu ba thành phần (NMC/NCA)) và cực dương (như than chì hoặc vật liệu composite silicon-carbon). Cơ chế này mang lại cho chúng những lợi thế mang tính cách mạng bao gồm mật độ năng lượng cực cao, tuổi thọ chu kỳ dài, khả năng sạc/xả nhanh và tốc độ tự xả thấp.

Từ nguồn năng lượng di động trong điện thoại thông minh và máy tính xách tay đến bộ não mạnh mẽ của xe điện, từ hệ thống lưu trữ năng lượng lưới điện quy mô lớn đến các ứng dụng mở rộng trong xe công nghiệp và máy móc, pin lithium đã định hình lại sâu sắc việc sử dụng năng lượng. Chúng là công nghệ nền tảng thúc đẩy cuộc cách mạng điện tử tiêu dùng và quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng xanh.

Lithium Cobalt Oxide (LCO) - Cựu binh của ngành Điện tử Tiêu dùng

Pin lithium với hóa chất LCO là loại pin gần đây nhất, chủ yếu được sử dụng cho các thiết bị điện tử và ứng dụng di động, và bao gồm cực âm oxit coban (điện cực dương) và cực dương carbon than chì (điện cực âm).

Công thức hóa học: LiCoO₂ (LCO)

Đặc điểm cốt lõi: Mật độ năng lượng cao, quy trình sản xuất hoàn thiện.

Cấu trúc vi mô: Coban mang lại sự ổn định về cấu trúc, nhưng hàm lượng coban cao dẫn đến chi phí cao, độ ổn định nhiệt kém và vòng đời hạn chế.

Phù hợp nhất cho: Điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số và các thiết bị khác thiết bị điện tử tiêu dùng.

“Nó đánh dấu sự ra đời thương mại của pin lithium, tuy nhiên những hạn chế về an toàn, tuổi thọ và chi phí khiến nó hoàn toàn không phù hợp cho các ứng dụng điện công nghiệp.”

Đường cong phóng điện hóa học Lithium LFP

Mặt khác, ưu điểm này cũng có thể biến thành nhược điểm, vì do đường cong phẳng, việc chỉ đọc các điện áp sẽ khiến việc xác định chính xác trở nên phức tạp hơn. SOC (phí của nhà nước). 

Để tránh hạn chế này, các BMS hệ thống quản lý pin sẽ phải được thiết kế theo cách thông minh để cung cấp Trạng thái sạc chính xác và thực hiện các chức năng cân bằng theo cách tốt nhất có thể.

Một trong nhiều ưu điểm của hóa chất này là hoàn toàn không có coban, một chất liệu mà như chúng tôi đã đề cập là độc hại, một trong những chất có tác động lớn nhất đến môi trường. 

nhiều nhà sản xuất pin lithium hiện đang cố gắng giảm tỷ lệ phần trăm coban trong pin của họ, vì vậy hóa học LFP, không chứa coban, bắt đầu với một lợi thế lớn.

Mặc dù chỉ cách đây vài năm, Pin LFP dường như đã được định sẵn để bị lãng quên, vì mật độ năng lượng của chúng rất thấp, vào khoảng 100 Wh / Kg, ngày nay công nghệ này 

thực sự đã tái xuất hiện từ đống tro tàn với mật độ năng lượng tăng lên rất đáng kể, đạt tới 170 Wh / Kg trong một thời gian ngắn, thu hút sự quan tâm mạnh mẽ từ thế giới ô tô. 

Dự kiến ​​mật độ trọng lượng sẽ tiếp tục tăng lên 220/230 Wh/Kg trong những năm tới. Đây chính là lý do tại sao nhiều nhà sản xuất ô tô đã quyết định giới thiệu lại hóa chất LFP để điện khí hóa phương tiện của họ, trước hết là Tesla, hiện đang sử dụng nó trong “phạm vi tiêu chuẩn” của nó 

phương tiện vì nó đảm bảo mức độ an toàn tốt hơn, với chi phí thấp hơn một chút so với hóa học NMC được sử dụng cho các loại xe hiệu suất cao. Giống Tesla, Vì vậy, BYD, Volkswagen và nhiều nhà sản xuất ô tô lớn khác hiện nhìn thấy tiềm năng to lớn trong hóa học LFP.

Thành phần và đặc điểm của pin lithium với hóa học NCA:

Niken – Coban – Nhôm (LiNiCoAIO2)

Pin có hóa chất NCA cũng được sử dụng trong lĩnh vực ô tô cùng với pin NMC. Xếp hạng an toàn của chúng thấp hơn một chút so với NMC, nhưng đồng thời chúng có mật độ năng lượng rất cao, đạt 250-300 Wh/Kg. NCA Cấu trúc tế bào rất giống với cấu trúc của NMC 811, với hàm lượng niken cao và hàm lượng coban và nhôm thấp. Do khả năng lưu trữ năng lượng cao, pin lithium NCA thường được sử dụng kết hợp với các chất hóa học NMC để đạt được sự thỏa hiệp giữa mật độ năng lượng, an toàn và ổn định.

Từ lý thuyết đến thực hành: Sử dụng hóa chất lithium phù hợp cho mọi ứng dụng

Chúng tôi đã phác thảo 6 loại hóa chất chính dựa trên lithium hiện đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các lĩnh vực điện khí hóa khác nhau. Nhưng chúng ta không được nghĩ rằng những hóa chất này đang cạnh tranh với nhau, hoàn toàn ngược lại! Chúng đều có giá trị và hiệu suất cao, nhưng mỗi hóa chất lithium hoạt động tốt nhất trong các lĩnh vực sử dụng khác nhau.

Biểu đồ này cho thấy sự so sánh các đặc tính khác nhau của các chất hóa học về:

● Năng lượng riêng hoặc Mật độ trọng lượng [Wh/Kg]: là tỷ lệ giữa lượng năng lượng chứa (Wh = V x Ah) với trọng lượng của pin.

● An toàn: liên quan chặt chẽ đến độ ổn định nhiệt vì độ an toàn nội tại phụ thuộc rất nhiều vào mức độ ổn định nhiệt của các bộ phận

● C- Rate: tốc độ sạc/xả, tức là tỷ lệ giữa dòng sạc hoặc dòng xả (A) và dung lượng danh định của pin (Ah). Đây là thông số liên quan mật thiết đến khả năng phát điện của tế bào.

● Vòng đời: Số lần pin có thể được xả và sạc cho đến khi hết tuổi thọ, thường được tính khi đạt 80% dung lượng còn lại.

● Chi phí