Lithium-ion là tên loại vật liệu chính dùng để làm pin, bên cạnh đó các hóa chất khác được bổ sung thêm. Mỗi một loại hóa chất được sung sẽ làm cho thay đổi thuốc tính, mật độ năng lượng, độ an toàn của pin.
Ví dụ, lithium cobalt oxide, một trong những loại pin Li-ion phổ biến nhấtcó ký hiệu hóa học là LiCoO2 hoặc LCO, hay Li-cobalt

Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2)

Đây là loại pin Lithium mà có một độ năng lượng cao nhất. Nó được sử dụng rộng rãi cho điện thoại, máy ảnh, laptop. Pin gồm oxit Colbat ở cực âm và một graphite carbon ở cực dương. Cực âm có cấu trúc theo lớp và trong quá trình xả, lithium ions sẽ di chuyển từ cực dương tới cực âm. Quá trình di chyển theo chiều ngược lại khi ta sạc pin. Nhược điểm của loại pin này là tuổi thọ ngắn, nhiệt độ không ổn định và giới han dòng xả.

Hình 1: cấu trúc của pin Li-cobalt.
Cực âm có cấu trúc lớp. Trong quá trình xả lithium ions di chuyển từ cực dương tới cực âm.
Courtesy of Cadex

Li-cobalt hiện đang được thay bổ sung thêm các hóa chất như mới hơn như nickel, manganese hoặc nhôm để cải thiện tuổi thọ, tăng khả năng xả và giảm giá thành.

Các pin Li-cobalt này không nên sạc và xả quá giới hạn dung lượng của nó. Tức là nếu 1 pin 18650 với dung lượng 2,400mAh chỉ nên sạc/xả tối đa ở 2,400mA. Sạc/xả cao hơn giá trị này sẽ dẫn tới tăng nhiệt độ pin và gây nên sức ép lớp lên cell pin. Các nhà sản xuất thường khuyến cáo sạc/xả tối đa ở tầm 0.8C – 80% dung lượng. Với pin 2400mAh ở trên thì nên sạc/xả tối đa không quá 2,000mA.Thường các pin này có thể được bổ sung thêm các mạch bảo vệ để năng pin không bị sạc/xả quá 1C.

Đồ thị 2 minh họa hiệu suất của Li-cobalt theo các tiêu chí như specific energy – mức năng lượng, specific power – dòng xả, Cost– giá, life span-tuổi thọ, safety-độ an toàn

Hình 2: Đánh giá về pin Li-cobalt.
Pin Li-cobalt có mức độ năng lượng cao nhưng dòng xả, độ an toàn và tuổi thọ chỉ ở mức trung bình.
Courtesy of Cadex

Bảng tóm tắt

Lithium Cobalt Oxide: LiCoO2 cathode (~60% Co), graphite anode
Short form: LCO or Li-cobalt.                                                                                                             Từ năm 1991
Voltages 3.60V là điện áp định danh; thường dải hoạt động là từ 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity) 150–200Wh/kg. Các cell đặc biệt có thể tới 240Wh/kg.
Charge (C-rate) 0.7–1C, sạc tới 4.20V (most cells); thông thường là khoảng 3h. Sạc với dòng trên 1C sẽ làm giảm tuổi thọ của pin.
Discharge (C-rate) 1C; 2.50V cut off. Xả trên 1C sẽ làm giảm tuổi thọ pin.
Cycle life 500–1000, tùy thuộc vào dùng xả, mức độ xả, nhiệt độ hoạt động
Thermal runaway(nhiệt độ phát nổ) 150°C (302°F). Full charge promotes thermal runaway
Applications Mobile phones, tablets, laptops, cameras
Comments Có mật độ năng lượng cao, nhưng giới hạn bởi khả năng xả. Cobalt là vật liệu đắt, được dùng như cell năng lượng.

Bảng 3: Bảng đặc tính của pin lithium cobalt oxide.

Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4)

Li-ion được bổ sung thêm Mangan – manganese lần đầu tiên được giới thiệu tại Materials Research Bulletin vào 1983. vào năm 1996, Moli Energy đã đưa ra sản phẩm thương mại đầu tiên là cell Li-ion với lithium manganese oxide dùng làm cực âm. Kiến trúc tại ra một rãnh xoắn 3 chiều làm tăng dòng chảy của ion. Cách làm như vậy làm giảm nội trở của pin và cải thiện chất lượng dòng xả. Ưu điểm nữa của rãnh xoắn là ổn định bởi nhiệt độ, cải thiện độ an toàn, tuy nhiên tuổi thọ lại không cao.

Nội trở thấp cho phép cell sạc nhanh và có thể xả ở dòng lớn. Các cell Li-manganese trong bộ pin 18650 có thể xả tới 20–30A mà nhiệt độ tỏa ra ở mức bình thường, đồng thời xả đỉnh tối đa (trong một vài giây) có thể tới 50A. Xả liên tục với dòng xả lớn trong thời gian dài có thể làn cho nhiệt độ sử dụng tăng. Nhiệt độ sử dụng của pin phải không được vượt quá 80°C (176°F). Li-manganese được sử dụng cho các công cụ cần nguồn năng lượng lớn, công suất xả cao, các thiết bị y tế, và các xe điện.

Hình 4 mình họa việc hình thành tinh thể 3 chiều của âm cực của một pin Li-manganese battery.

Hình 4: Cấu trúc của Li-manganese.
Rãnh xoắn tinh thể của âm cực pin lithium manganese oxide có kiến trúc 3 chiều sau khi khởi tọa. Rãnh xoắn này cho phép luông ion đi dễ hơn, nên nội trở pin thấp và dòng xả cao hơn pin Li-Cobalt.
Courtesy of Cadex

Li-manganese có dung lượng nhỏ hơn 1/3 so với pin Li-cobalt. Thiết kế linh hoạt cho phép kỹ sư có thể dễ dàng tối ưu pin theo một trong các tiêu chí như tuổi thọ, hoặc dòng xả hoặc dung lượng. Ví dụ pin 18650 với có tuổi thọ lớn thì dung lượng khoảng 1100mAh, với dung lượng cao thì cỡ 1,500mAh.

Hình 5 minh họa biểu đồ các tiêu chí cơ bản của pin Li-manganese. Các đặc tính của pin đã được cải thiện rất nhiều trong các thiết kế mới gần đây. Hiện tại pin Li-manganese nguyên gốc không còn phổ biến, nó chỉ được dùng trong một số ứng dụng đặc biệt.

Hình 5: Tóm tắt đặc tính của pin Li-manganese nguyên gốc.
Các cải thiện gần đầy cho phép pin Li-manganese có dung lượng, độ an toàn và tuổi thọ tốt hơn nhiều nguyên bản gốc.
Source: Boston Consulting Group

Hầu hết các pin Li-manganese được bổ sung thêm lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) để cải thiện dung lượng, và tăng tuổi thọ. Sự kết hợp này mang đến một hệ thống tốt hơn là LMO (NMC), loại pin mới này được lựa chọn trong hầu hết các loại xe điện như Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3. thành phần LMO, chiếm khoảng 30% cung cấp mức dòng lớn trong trường hợp cần tăng tốc và phần NMC cho tuối thọ cao hơn.

Các nghiên cứu về Li-ion hiện đang tập chung chính về hướng kết hợp Li-manganese với cobalt, nickel, manganese và/hoặc aluminum như các vật liệu dùng làm âm cực. Trong một vài kiến trúc, một lượng nhỏ silicon được thêm vào cực dương. Điều này làm năng khoảng 25% dung lượng, tuy nhiên tuổi thọ pin lại ngắn lại do silicon tăng và giảm trong quá trình xả/xạc gây sức ép lên kiến trúc hiện tại.

Hiện đang có 3 kím loại chính, và thêm silicon được dùng để cải thiện dung lượng, khả năng xả, và tuổi thọ của pin Lithium-oxide. Trong khi người dùng thông thường cần pin với dung lượng cao hơn, các ứng dụng trong công nghiệp lại cần hệ thống pin có khả năng chịu tải tốt, có tuổi thọ dài và an toàn.
Bảng tóm tắt

Lithium Manganese Oxide: LiMn2O4 dùng làm âm cực. và than chì dùng làm cực dương
Short form: LMO or Li-manganese (spinel structure)                                                                    từ 1996
Voltages 3.70V (3.80V) là điện áp định danh; thông thường điện áp hoạt động là 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity) 100–150Wh/kg
Charge (C-rate) thông thường 0.7–1C, tối đa là 3C, sạc tới tối đa 4.20V (với hầu hết cells)
Discharge (C-rate) 1C; có thể xả ở 10C với một số cell, xả đỉnh có thể tới 30C (thời gian tầm 5s), điện áp cắt sạc 2.50V
Cycle life 300–700 (tùy thuộc vào độ sậu xả và nhiệt độ làm việc)
Thermal runaway (nhiệt độ phát nổ) 250°C (482°F) typical. Dòng sạc cao sẽ làm tăng nguy cơ thermal runaway
Applications Power tools, medical devices, electric powertrains
Comments Năng lượng cao, nhưng dung lượng thấp, an toàn hơn Li-cobalt; thường được kết hợp với NMC để cái thiện hiệu năng.

Bảng 6: Tóm tắt các đặc tính của Lithium Manganese Oxide.

 

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 or NMC)

Một trong những hệ thống Li-ion thành công là âm cực được làm bằng kết hợp của nickel-manganese-cobalt (NMC). Tương tự như Li-manganese, các hệ thống này dùng như các nhân/tế bào năng lượng. Ví dụ, NMC trong pin 18650 với dung lượng khoảng 2,800mAh và có thể cung cấp dòng xả cỡ 4A tới 5A; NMC có thể được tối ưu để dung lượng tầm 2,000mWh nhưng có khả năng cung cấp dòng xả tới  20A. Bổ sung thêm silicon cho cực dương có thể mang tới dung lượng cỡ 4,000mAh hoặc cao hơn nhưng làm giảm khả năng xả và tuổi thọ ngắn hơn. Silicon được thêm vào than chì có nhược điểm là cực dương sẽ tăng hay giảm kích thước trong quá trình xả/sạc, và điều này làm cho cấu trúc của pin không ổn định.

Bí mật của NMC nằm ở sự kết hợp giữa nickel và manganese. Nickel cho mức năng lượng cao, nhưng kém ổn định; manganese tạo ra cấu trúc xoắn cho phép ion di chuyển dễ dàng hơn, nội trở pin thấp và dòng xả cao hơn, nhưng lại có mức năng lượng thấp. Kết hợp cả 2 kim loại này để chúng bổ sung thế mạnh lẫn nhau.

NMC là sự lựa chọn của các công cụ cần năng lượng lớn, dòng xả cao như khoan, xe điện, và tàu điện,.. Âm cực thường là kết hợp của 1/3 niken, 1/3 là manganese và 1/3 là cobalt, hay tỉ lệ 1-1-1. Điều này cũng làm giảm chi phí vật liệu ban đầu vì giá của Cobalt khá cao. Một cách kết hợp khác của NCM là với 5 phần nickel, 3 phần cobalt và 2 phần manganese. Các kết hợp mới nhất gần đây bổ sung thêm một số kim loại mới. Các loại kết hợp mới cho phép pin có thể sạc tới 4.4V/cell hoặc cao hơn để tăng dung lượng của pin. Hình 7 minh họa đặc tính của pin NMC.

Hình 7: Tóm tắt đặc tính của NMC.
NMC là một hệ thống với đánh giá tổng quan là tốt. NMC đang được dùng nhiều trên các xe điện.
Source: Boston Consulting Group

Tùy vào yêu cầu thực tế mà người ta chọn tỉ lệ của nickel, manganese và cobalt khác nhau để tối ưu về dung lượng, hoặc dòng xả hoặc tuổi thọ. NMC phù hợp với các yêu cầu đa dạng về năng lượng trong các hệ thống tự độngk và hệ thống lưu trữ năng lượng – energy storage systems (EES).

Bảng tóm tắt

Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2. dùng làm âm cực, cực dương dùng than chì
Short form: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN similar with different metal combinations) Từ 2008
Voltages 3.60V, 3.70V là đinệ áp định danh; dải điện áp hoạt động từ 3.0–4.2V/cell, hoặc có thể cao hơn
Specific energy (capacity) 150–220Wh/kg
Charge (C-rate) 0.7–1C, sạc tới 4.20V, một số loại có thể lên tới 4.30V; thời gian sạc khoảng 3h. Sạc vơi dòng trên 1C có thể làm giảm tuổi thọ pin.
Discharge (C-rate) 1C; có thể lên tới 2C trên một số loại; điện áp cắt xả là 2.50V cut-off
Cycle life 1000–2000 (Tùy vào độ sâu xả và nhiệt độ)
Thermal runaway(nhiệt độ phát nổ) 210°C (410°F) typical. Sạc với dòng cao sẽ làm tăng nguy cơ thermal runaway
Applications E-bikes, medical devices, EVs, industrial
Comments Cung cấp dung lượng và dòng xả cao. Được dùng trong nhiều hệ thống. Đây là loại pin được ưa thích nhiều nhất.

Bảng 8: Đặc tính của lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC).

 

Lithium Iron Phosphate(LiFePO4)

Vào năm 1996, đại học University of Texas (và một số đối tác) đã phát hiện ra rằng cách dùng phosphate làm cực âm cho pin lithium. Li-phosphate tạo ra chất điện tốt với nội trở thấp. Sử dụng phosphate mang lại nhiều lợi ích nhứ dòng xả cao, tuổi thọ lớn, cải thiện độ an toàn cũng như độ ổn định bởi nhiệt độ.

Li-phosphate có khả năng chịu lỗi tốt hơn các hệ thống pin lithium-ion khác nếu nó được giữ ở điện áp cao trong thời gian dài. Nhưng nhược điểm của loại pin này là điện áp định danh thấp 3.2V/cell làm giảm mức năng lượng so với các pin cobalt lithium-ion. Với hầu hết các pin, nhiệt độ thấp làm giảm hiêu suất của pin và đồng thời cũng làm giảm tuổi thọ, pin Li-phosphate cũng không phải là ngoại lệ. Li-phosphate có dòng tự xả cao hơn các pin Li-ion khác, điều này dẫn tới các vấn đề về cân bằng pin trong bộ pin khi pin sử dụng lâu.

Li-phosphate thường được dùng để thay thế cho các acquy chì trong hệ thống khởi động. 4 cell mắc nối tiếp cho điện áp 12.80V, tương đương 6 acquy chì 2V nối tiếp. Li-phosphate chịu được overcharge; tuy nhiên nếu tiếp tục overcharge trong thời gian dài sẽ làm tổn hại tới pin. Nhiệt độ thấp cũng ảnh hưởng đến hoạt động của pin Li-phosphate.

Hình 9: tóm tắt các đặc tính cơ bản của pin Li-phosphate.
Li-phosphate có độ an tòa vả tuổi thọ cao, với mức năng lượng khá tốt và có dòng tự xả lớn.
Courtesy of Cadex

Bảng tóm tắt

Lithium Iron Phosphate:  âm cực là LiFePO4, cực dương là than chì
Short form: LFP or Li-phosphate                                                                                                       Từ 1996
Voltages Điện áp định danh 3.20, 3.30V; điện áp hoạt động 2.5–3.65V/cell
Specific energy (capacity) 90–120Wh/kg
Charge (C-rate) Thông thường 1C typical, sạc tới 3.65V; và thời gian sạc tầm 3h
Discharge (C-rate) 1C, một số cell có thể xả tới tới 25C;  xả tức thời 40A (2s); Xả thấp tới 2.50V cut-off (Thấp hơn 2V có thể làm hư hại cell)
Cycle life 1000–2000 (tùy vào độ sâu xả và nhiệt độ)
Thermal runaway 270°C (518°F) rất an toàn thậm chí nếu được sạc đầy
Applications Portable and stationary needing high load currents and endurance
Comments Điện áp xả rất ổn định, nhưng dung lượng thấp. Một trong những loại pin Li-ion an toàn nhất. Được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt, có dòng tự xả cao.

Bảng 10: Đặc tính của pin lithium iron phosphate.

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2)

Pin Lithium nickel cobalt aluminum oxide, hay NCA, xuất hiện từ 1999 trong một số ứng dụng đặc biệt. Đặc tính của nó khá giống với NMC, với dòng xả cao, dug lượng lớn và tuổi thọ cao. Bảng 11 tóm tắt các đặc tính của pin. NCA hiện tại đang được phát triển với lithium nickel oxide; bổ sung thêm aluminum để nâng cao tính ổn định.

Hình 11: Tóm tắt đặc tính của pin NCA.
Năng lượng lớn và dòng xả cao, tuổi thọ cao, Pin NCA a được dùng nhiều trong các hệ thống tàu điện. Tuy nhiên giá thành của nó khá cao.
Courtesy of Cadex

Bảng tóm tắt

Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide: LiNiCoAlO2 dùng làm cực âm (~9% Co), cực dương dùng than chì
Short form: NCA or Li-aluminum.                                                                                                     Từ 1999
Voltages Điện áp định danh 3.60V; điện áp hoạt động 3.0–4.2V/cell
Specific energy (capacity) 200-260Wh/kg; 300Wh/kg predictable
Charge (C-rate) 0.7C, sạc tới4.20V (most cells), thời gian sạc cỡ 3h
Discharge (C-rate) thường là 1C; xả tới 3.00V cut-off; Dòng xả cao sẽ làm giảm tuổi thọ
Cycle life 500 (Tùy vào độ sâu xả và nhiệt độ)
Thermal runaway 150°C (302°F) typical, Sạc với dòng lớn và thời gian lâu sẽ làm tăng nguy cơ thermal runaway
Applications Medical devices, industrial, electric powertrain (Tesla)
Comments Đặc tính khá giống với Li-cobalt.

Bảng 12: Đặc tính của pin Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide.

Lithium Titanate (Li4Ti5O12)

Pin với cực dương làm bằng lithium titanate được biết đến từ những năm 1980. Li-titanate thay thế cho than chì trong chế tạo cực dương của pin Lithium thông thường. Âm cực có thể làm bằng lithium manganese oxide or NMC. Li-titanate có điện áp định danh 2.40V, và có thể sạc nhanh và cung cấp dòng xả cỡ 10C, hoặc 10 lần dung lượng của pin. Tuổi thọ của pin cao hơn nhiều so với pin Lithium thông thường. Li-titanate là pin an toàn, có nhiệt độ xả thấp và có thể đạt tới 80% dung lượng ở nhiệt độ –30°C (–22°F). Tuy nhiên pin này khá là đắt và có mức năng lượng thấp 65Wh/kg. Li-titanate có thể sạc tới 2.80V/cell, và điện áp cắt xả là 1.80V/cell. Hình 13 minh họa đặc tính của pin Li-titanate battery. No thường được dùng ở tàu điện, UPS và các bảng điện bằng năng lượng mặt trời trên đường.

Bảng 13: Tóm tắt đặc tính của Li-titanate.
Li-titanate là pin cực kỳ an toàn, nhiệt độ hoạt động thấp và tuổi thọ cao. Hiện tại các ngheien cứu đang cố gắng làm giảm gia và nang cao mức năng lượng của pin.
Source: Boston Consulting Group

 

Bảng tóm tắt 

Lithium Titanate: Âm cực có thể là lithium manganese oxide hoặc NMC; dương cực làm bằng Li4Ti5O12 (titanate)
Short form: LTO or Li-titanate                                              Xuất hiện trong thương mại từ 2008.
Voltages điện áp định danh 2.40V; điện áp hoạt động thông thường 1.8–2.85V/cell
Specific energy (capacity) 70–80Wh/kg
Charge (C-rate) thông thường 1C; tối đa 5C, sạc tới điện áp 2.85V
Discharge (C-rate) Dòng xả 10C, xả đỉnh là 30C trong 5s; điện áp cắt xả 1.80V cut-off  với LCO/LTO
Cycle life 3,000–7,000
Thermal runaway Đây là loại pin Li-ion an toàn nhất
Applications UPS, electric powertrain (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV),
solar-powered street lighting
Comments Tuổi thọ cao, sạc nhanh, dải nhiệt độ hoạt động rộng, nhưng có mức năng lượng thấp và giá thành cao. Là một trong những loại pin Li-ion an toàn nhất.

Bảng 14: Tóm tắt đặc tính của lithium titanate.

Hình 15 só sánh mức năng lượng của các loại pin phổ thông trên thị trường từ Acquy, các hệ thống pin nikel và pin lithium. Li-aluminum (NCA) là loại cho mức năng lượng cao nhất, nhưng nó chỉ được dùng trong một số hệ thống năng lượng đặc biệt. Về dòng xả và độ ổn định thì Li-manganese (LMO) và Li-phosphate (LFP) là hai loại tốt nhất. Li-titanate (LTO) mặc dù co năng lượng thấp nhưng có tuổi thọ rất cao và dùng rất tốt trong điều kiện nhiệt độ lạnh khắc nghiệt.

Hình 15: Bảng tóm tắt mức năng lượng của từng loại pin phổ thông của acquy lead-, nickel- và lithium-based.
NCA cho mức dung lượng cao nhất; tuy nhiên manganese và phosphate lại cho dòng xả cao và ổn định bởi nhiệt độ. Li-titanate có tuổi thọ cao nhất.

Tham khảo http://batteryuniversity.com/

=======================

==============================================
Mua hàng 
  • Call/SMS/viber/Zalo: 0913384126
  • Facebook: TestSacDienThoai
 
***** Mua hàng qua ứng dụng di dộng Shopee với nhiều ưu đãi tại https://shopee.vn/chiroshop và  https://shopee.vn/boxsacduphong  *****

Trả lời