Pin Lithium sắt phosphate (lithium iron phosphate – LiFePO4), còn gọi là Pin LFP – lithium ferrophosphate, là loại Pin có thể xạc lại thuộc dòng Pin lithium. Pin LiFePO4 có mật độ năng lượng cao, thời gian hoạt động lâu và an toàn.
* Lịch sử ra đời:
– LiFePO4 là một khoáng chất tự nhiên thuộc họ olivin (triphylite). Năm 1996 nhóm nghiên cứu John B. Goodenough tại Đại học Texas sử dụng lần đầu tiên chất này làm vật liệu catốt. Do chi phí thấp, 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) nên Pin LFP đã được một số thị trường như quân sự, giao thông … nhanh chóng chấp nhận.
– Rào cản chủ yếu cho việc thương mại hóa sản phẩm là khả năng dẫn điện thấp. Điều này khắc phục bằng cách giảm kích thước hạt, phủ hạt LiFePO4 với chất dẫn điện như các bon. Phương pháp này được phát triển bởi Michel Armand và đồng nghiệp. Một phương pháp khác thực hiện bởi nhóm Yet Ming ghép LPF với các ion dương của các vật liệu nhôm, niobi, và zirconi. Pin được sản xuất chủ yếu và sử dụng trong công nghiệp tại các hãng DeWalt Decker, Karma Fisker, Daimler AG, Cessna và BAE Systems.
– MIT đã giới thiệu công nghệ phủ mới cho phép các ion di chuyển dễ dàng hơn trong Pin. “Beltway Battery” sử dụng một công nghệ cho phép các ion lithium ra vào các điện cực với tốc độ lớn để có thể xạc đầy Pin trong một phút. Họ phát hiện ra rằng bằng cách phủ hạt lithium iron phosphate trong chất pyrophosphate lithium thủy tinh, các ion bỏ qua các kênh và di chuyển nhanh hơn so với các loại Pin khác. Khả năng nạp và phóng điện của Pin phụ thuộc vào tốc độ dịch chuyển các ion này. Công nghệ như vậy 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.
** Ưu và Nhược điểm:
– Ắc quy 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.
– LFP có chu kỳ sống dài hơn các Pin lithium-ion khác.
– Pin hoạt động như Pin nickel, không giống các ắc quy 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, Pin LFP sử dụng rộng rãi thay thế cho ắc quy axit chì trong nhiều ứng dụng như ô tô và năng lượng mặt trời, 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).
*** Độ an toàn:
– 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.
– Không còn lithium ở cathode khi tế bào trong ngăn LiFePO4 khi sạc đầy, trong khi ngăn LiCoO2 vẫn còn tới 50% trong cathode. LiFePO4 rất bền trong quá mất oxy, mà thường dẫn đến phản ứng tỏa nhiệt với các ngăn lithium khác.
– Kết quả là ngăn lithium iron phosphate rất khó bị đốt cháy (đặc biệt trong quá trình nạp) mặc dù quá trình nạp đầy luôn tỏa nhiệt. Vẫn có khả năng Pin bị hỏng do quá trình nạp không đúng cách. Chỉ chấp nhận được là Pin LiFePO4 không bị phá hủy ở nhiệt độ cao.
**** Đặc điểm kỹ thuật:
– Điên áp ngăn
– Điện áp phóng tối thiểu = 2,5 V
– Điện áp làm việc = 3,0 ~ 3,3 V
– Điện áp nạp tối đa = 3,65 V
– Mật độ năng lượng thể tích = 220 Wh / dm3 (790 kJ / dm3)
– Mật độ năng lượng khối lượng> 90 Wh / kg [15] (> 320 J / g)
100% DOD cycle life (chu kì xả sâu – số chu kỳ đạt 80% công suất ban đầu) = 2,000-7,000
10% DOD cycle life (chu kì xả sâu – số chu kỳ tới 80% công suất ban đầu)> 10.000
Thành phần Cathode
90% C-LiFePO4, tiêu chuẩn Phos-Dev-12
5% carbon EBN-10-10 (graphite cao cấp)
5% florua polyvinylidene (PVDF)
– Cấu tạo ngăn
Carbon-coated aluminium current collector 15
1,54 cm2 cathode
Điện giải: ethylene carbonate-dimethyl carbonate (EC-DMC) 1-1 lithium perchlorate (LiClO4) 1M
Anode: graphit hoặc carbon cứng với lithium kim loại xen kẽ.
Điều kiện thí nghiệm:
Nhiệt độ phòng
Giới hạn điện áp: 2,0-3,65 V
Nạp: Nạp tỷ tỷ lệ C/1 lên đến 3,6 V, sau đó duy trì điện áp ổn định ở 3,6 V đến I <C / 24
***** Ứng dụng
+ Giao thông vận tải
– Khả năng xả nhanh giúp cho việc tăng tốc, trọng lượng thấp và thời gian sống lâu nên Pin LiFePo4 lý tưởng sử dụng cho ô tô điện và và xe đạp điện, năng lượng mặt trời và hệ thống bảo vệ.
– Pin LFP “14500” (cỡ AA) dùng cho đèn đường năng lượng mặt trời thay cho pin 1,2 V NiCd / NiMH. Pin LFP mức cao hơn (3,2 V) chỉ cần dùng một tế bào để cấp điện cho đèn LED mà không cần dùng mạch tăng áp. Khả năng chịu nạp quá áp (so với các pin Li khác) cho phép pin LiFePO4 kết nối thẳng với pin tế bào pin năng lượng mặt trời mà không cần mạch điện phức tạp. Sử dụng một tế bào đơn Pin LFP cũng giúp giảm bớt các vấn đề chống ăn mòn, ngưng tụ và bụi bẩn giữa cực Pin và cực tế bào năng lượng mặt trời, điều thường gây vấn đề với hệ thống sử dụng ngoài trời dùng tế bào NiMH rời.
– Pin LFP cũng sử dụng cho các hệ thống đèn an ninh năng lượng hồng ngoại. Pin tế bào LFP cỡ AA có công suất 600 mA⋅h, trong khi đèn LED hồng ngoại sử dụng công suất 60 mA, nên cho phép đèn hoạt động trong 10 giờ. Khi ở chế độ tự đồng kích hoạt thỉnh thoảng làm việc hệ thống đèn chỉ sử dụng công suất khoảng 1 mA.
+ Các ứng dụng khác
– Các loại xe chạy điện yêu cầu tỷ lệ công suất trên trọng lượng cao (đặc biệt trong quân sự) đều sử dụng pin LiFePO4.
– Thuốc lá điện tử cũng sử dụng loại pin này.
– Các xe mô hình, thiết bị bay không người lái dùng pin này thay thế cho pin NiMh hoặc LiPo mà không cần điều chỉnh điện áp, khi dùng điện áp danh định 6,6 V thay thế cho điiện áp danh định 7.4 V của pin LiPo, cao hơn một chút với điện áp yêu cầu 6,0 V.
