Pin lithium sắt photphat (LiFePO4) là gì? Vì sao các hãng ô tô lớn lại đặt cược vào loại pin này?

Ô tô điện đang dần trở nên phổ biến trên thị trường và người dùng cũng bắt đầu quen với những khái niệm, thuật ngữ mới như pin lithium-ion. Đây là loại pin hiện đang được sử dụng cho phần lớn các mẫu ô tô điện bán trên thị trường. Trong thời gian gần đây, một số hãng ô tô lớn như Tesla hay Toyota còn chuyển sang dùng pin lithium sắt photphat cho xe.

Vậy lithium sắt photphat là gì? Vì sao các hãng ô tô lớn lại đặt cược vào loại pin này? Mời các bạn cùng chúng tôi tìm hiểu qua bài viết sau đây.

Pin lithium sắt photphat là gì?

Không ít người nhầm tưởng rằng pin lithium sắt photphat không liên quan gì đến pin lithium-ion. Tuy nhiên, trên thực tế, có nhiều loại pin lithium-ion và pin lithium sắt photphat là một trong số đó.

Pin lithium sắt photphat là một trong các loại pin lithium-ion

Lithium sắt photphat là hợp chất hóa học LiFePO4 hay viết tắt là "LFP". LFP có hiệu suất điện hóa tốt, điện trở thấp và là một trong những vật liệu chế tạo cực dương (cathode) an toàn, ổn định nhất dành cho pin lithium-ion.

Pin lithium sắt photphat là loại pin lithium-ion sử dụng hợp chất LFP làm vật liệu chế tạo cực dương để dự trữ ion lithium. Trong khi đó, cực âm (anode) của pin LFP thường được làm từ than chì. Các thành phần cấu tạo này giúp pin LFP có cường độ dòng điện định mức cao, độ ổn định nhiệt tốt và tuổi thọ dài. 

Pin LFP cũng có cơ chế hoạt động tương tự các loại pin lithium-ion khác, đó là các ion lithium di chuyển giữa điện cực âm và dương để sạc, xả. Tuy nhiên, photphat là kim loại không độc hại như coban oxit hay mangan oxit. 

Cấu tạo cơ bản của pin lithium sắt photphat

Ngoài pin lithium sắt photphat, pin lithium-ion còn có những loại khác như pin lithium coban oxit (LCO), pin lithium mangan oxit (LMO), pin lithium niken coban nhôm oxit (NCA), pin lithium niken mangan coban oxit (NMC) và lithium titanat (LTO). Sự khác biệt giữa những loại pin này chính là vật liệu chế tạo cực dương. Do đó, giá thành của các loại pin lithium-ion này cũng khác nhau.

Mỗi loại pin kể trên đều có những ưu, nhược điểm riêng, biến chúng thành sự lựa chọn phù hợp với các thiết bị khác nhau.

Những ưu điểm của pin lithium sắt photphat

So với ắc quy axit-chì truyền thống hay các loại pin lithium-ion khác, pin LFP có khá nhiều ưu điểm, cụ thể như sau.

Ít tác động đến môi trường hơn

Pin LFP vốn không có niken hay coban, đây đều là những kim loại có nguồn cung giới hạn và giá đắt đỏ. Việc khai thác coban và niken đã dấy lên không ít lo ngại về những tác động đối với môi trường. Trong khi đó, sắt và photphat của pin LFP được khai thác với quy mô lớn trên toàn cầu, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp. Vì vậy, pin LFP được cho là sẽ giảm bớt tác động đối với môi trường hơn. Ngoài ra, pin LFP còn không bị rò rỉ hóa chất độc hại ra môi trường.

Giá rẻ hơn

Theo báo cáo của Bộ Năng lượng Mỹ vào năm 2020, pin LFP có giá tính trên mỗi kWh thấp hơn khoảng 6% so với pin NMC. Vào thời điểm đó, pin LFP có giá thấp nhất là 80 USD/kWh. Nguyên nhân là bởi pin LFP không sử dụng những kim loại đắt đỏ như niken hay coban.

Pin LFP có tên Blade Battery của hãng xe Trung Quốc BYD

Tuổi thọ cao hơn và có thể sạc nhiều lần hơn

Hóa chất của pin LFP có tuổi thọ dài hơn đáng kể so với những loại pin lithium-ion khác. Trong phần lớn các điều kiện, pin LFP cho phép sạc hơn 3.000 chu kỳ. Một chu kỳ sạc là quá trình sạc và xả của pin. Trong điều kiện tối ưu, pin LFP thậm chí có thể sạc hơn 10.000 chu kỳ. Trong khi đó, pin NMC chỉ có thể sạc 1.000 - 2.300 chu kỳ, tùy theo điều kiện.

Chưa hết, pin LFP còn tốc độ giảm dung lượng chậm hơn các loại pin lithium-ion khác. Những điều này mang đến tuổi thọ dài hơn cho pin LFP. Có thể nói, trong các loại pin lithium-ion, pin LFP chỉ thua pin LTO về tuổi thọ. Tuy nhiên, pin LTO lại là loại pin lithium-ion đắt nhất.

Hiệu suất cao

Pin LFP là một trong những loại pin lithium-ion có tỷ lệ công suất/trọng lượng cao nhất. Tỷ lệ công suất/trọng lượng là phép đo hiệu suất thực tế của bất kỳ động cơ hoặc nguồn điện nào. Nói cách khác, tỷ lệ công suất/trọng lượng cao đồng nghĩa với việc pin LFP có thể tạo ra dòng điện và công suất lớn mà không bị quá nhiệt.

An toàn hơn

Một trong những lợi thế lớn nhất của pin LFP so với các loại pin lithium-ion khác chính là độ ổn định nhiệt và hóa học, từ đó tăng tính an toàn. Ngoài ra, pin LFP còn ít có nguy cơ "tỏa nhiệt", dẫn đến cháy nổ như một số loại pin lithium-ion khác. Tỏa nhiệt về cơ bản là một vòng lặp gia tăng năng lượng liên tiếp, làm cho pin nóng lên rồi phát nổ. Pin LFP sẽ không bị hiện tượng tỏa nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ 270 độ C. 

Bên cạnh đó, pin LFP cũng không hòa tan trong nước và không cháy. Ngay cả trong những tình huống nguy hiểm như va chạm hoặc đoản mạch, pin LFP cũng không bị vỡ, phát nổ hay bắt lửa. Đó là lý do vì sao pin LFP là lựa chọn an toàn nhất cho cả các thiết bị gia dụng và công nghiệp.

Chịu được nhiệt độ khắc nghiệt

Một số loại pin lithium-ion sẽ gặp khó khăn khi hoạt động ngoài khoảng nhiệt độ tối ưu, dao động từ 10 - 55 độ C. Trong khi đó, pin LFP có thể chịu được nhiệt độ khắc nghiệt hơn, dao động từ -40 độ C đến 120 độ C. Tất nhiên, ở nhiệt độ cực thấp hoặc cực cao, hiệu suất của pin LFP sẽ giảm mạnh.

Sạc nhanh hơn

Pin LFP có tốc độ sạc nhanh hơn ắc quy axit-chì hay các loại pin lithium-ion khác. Pin LFP thường có mật độ năng lượng cao hơn 4 lần và tốc độ sạc nhanh gấp 5 lần so với ắc quy axit-chì.

Lựa chọn thay thế cho ắc quy 12 V

Phần lớn pin LFP đều có 4 viên pin ghép vào một khối. Điện áp thông thường của 1 viên pin LFP là 3,2 V. Nối 4 viên pin LFP thành một khối được pin 12 V và trở thành lựa chọn thay thế xuất sắc cho ắc quy axit chì 12 V.

Ban đầu, pin LFP có chi phí cao hơn ắc quy axit-chì. Tuy nhiên, tuổi thọ cao của pin LFP sẽ cân bằng chi phí ban đầu này. Trong phần lớn các trường hợp, pin LFP sẽ có tuổi thọ cao gấp 5-10 lần so với ắc quy axit-chì, từ đó giúp tiết kiệm chi phí trong quá trình sử dụng.

Nhược điểm của pin lithium sắt photphat

Pin LFP là một trong những loại pin lithium-ion có mật độ năng lượng thấp nhất. Mật độ năng lượng sẽ được đo bằng đơn vị watt giờ trên kilogram (Wh/kg) và cho thấy năng lượng mà pin có thể dự trữ tỷ lệ với trọng lượng. So với các loại pin lithium-ion khác, pin LFP có mật độ năng lượng thấp hơn từ 15-25%. Để bù lại điều này, các nhà sản xuất sẽ phải sản xuất pin LFP với kích thước và trọng lượng lớn hơn nhằm đảm bảo điện áp cũng như dung lượng pin.

Các ứng dụng của pin lithium sắt photphat

Pin LFP có khá nhiều ứng dụng, ví dụ như dự trữ năng lượng cho các ngôi nhà, dùng cho hệ thống đèn chiếu sáng chạy bằng năng lượng mặt trời, thuốc lá điện tử, đèn pin hoặc đèn khẩn cấp.

Với tỷ lệ xả cao hơn vốn cần thiết cho việc tăng tốc, trọng lượng thấp hơn và tuổi thọ dài hơn, pin LFP còn là lựa chọn lý tưởng cho xe nâng, xe đạp điện hoặc ô tô điện. Hiện nay, hãng Tesla đã sử dụng loại pin này cho một số mẫu xe của mình, ví dụ như Model 3 và Model Y bản Standard Range sản xuất tại Trung Quốc. Trong khi đó, hãng Toyota mới đây cũng giới thiệu mẫu ô tô điện bZ3 với pin LFP do hãng xe Trung Quốc BYD sản xuất.

Toyota bZ3 mới ra mắt cũng dùng pin LFP của BYD

Dù là công nghệ không mới nhưng pin LFP với chi phí thấp hơn có thể là nền tảng để các hãng đẩy mạnh việc "phổ cập hóa" ô tô điện.