Hướng dẫn Đầy đủ về Pin Lithium-Ion: Ứng dụng trong Nguồn điện, Tiêu dùng và Lưu trữ Năng lượng

Pin lithium-ion có thể được chia thành các loại pin lithium tiêu dùng nhỏ (3C), pin lithium-ion dùng cho động lực và các loại pin lưu trữ năng lượng cỡ lớn tùy theo ứng dụng cuối của chúng.

I. Pin năng lượng

Pin năng lượng là loại pin cung cấp nguồn điện cho các thiết bị vận hành, và hiện tại đang là lĩnh vực ứng dụng phát triển nhanh chóng của pin lithium-ion. Chúng được sử dụng rộng rãi trong xe năng lượng mới, dụng cụ điện, xe đạp điện và nhiều lĩnh vực khác. Pin năng lượng cũng là một loại pin lưu trữ năng lượng, chủ yếu dùng trong xe điện. Do giới hạn về kích thước và trọng lượng của ô tô, cùng với các yêu cầu về gia tốc, pin năng lượng có yêu cầu hiệu suất cao hơn so với các loại pin lưu trữ năng lượng thông thường. Những yêu cầu này bao gồm mật độ năng lượng cao hơn, tốc độ sạc nhanh hơn và dòng xả lớn hơn, trong khi các loại pin lưu trữ năng lượng thông thường không có những yêu cầu nghiêm ngặt như vậy.

1. đặc điểm của sản phẩm:

Đối với pin lithium-ion loại năng lượng, cần xem xét thêm về tốc độ sạc, phạm vi hoạt động, độ tin cậy và tính ổn định, do yêu cầu dài hạn (ít nhất 5-10 năm). Mật độ năng lượng: Bộ pin chiếm khoảng 25% trọng lượng xe, và sự thay đổi trọng lượng pin ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của xe. Với cùng một lượng điện tích, bộ pin có mật độ năng lượng cao hơn sẽ mang lại phạm vi di chuyển xa hơn. Tốc độ sạc: Tốc độ sạc cũng là chỉ số quan trọng đối với các loại pin năng lượng hiện nay. Các nhà sản xuất pin lớn hiện đang thiết kế tốc độ sạc trong khoảng từ 4C đến 6C, hoặc thậm chí cao hơn, nhằm giảm thời gian chờ đợi cho người dùng. An toàn và tính ổn định: Bộ pin xe điện sử dụng số lượng lớn các pin được nối tiếp và song song với nhau. Trong điều kiện lý tưởng, xác suất xảy ra sự cố ở pin năng lượng (an toàn, lưu trữ, tuổi thọ chu kỳ, v.v.) phải nhỏ hơn một trên một trăm triệu. Nếu xác suất này duy trì ở mức thấp, pin dễ bị sạc quá mức và xả quá mức trong quá trình sử dụng, có thể dẫn đến các vấn đề về an toàn.

2. Loại điện cực dương:

Hiện tại, các loại pin năng lượng chính trên thị trường bao gồm pin lithium tam nguyên, pin LiFePO4 và pin LiMn2O4. Về tổng thể khả năng tương thích của pin năng lượng, pin lithium tam nguyên và pin LiFePO4 chiếm ưu thế trên thị trường. Tất nhiên, một vật liệu catốt khác đáng chú ý trong lĩnh vực pin năng lượng là NCA (niken-coban-nhôm) (8:1.5:0.5), loại này có mật độ năng lượng trên mỗi tế bào rất cao nhưng cũng đi kèm với rào cản gia nhập rất lớn.

Ii. Pin tiêu dùng

Pin tiêu dùng là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của pin lithium-ion. Pin lithium-ion tiêu dùng chủ yếu được sử dụng trong các sản phẩm điện tử tiêu dùng như điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, máy quay phim kỹ thuật số, pin sạc dự phòng và đồ chơi điện tử – còn gọi là các sản phẩm "3C" – dùng cho các tế bào và mô-đun pin lithium. Chúng chủ yếu được phân thành ba loại: pin hình trụ, pin hình khối và pin dạng túi polymer. Pin lithium hình trụ có đường kính lớn hơn, làm hạn chế độ mỏng của các sản phẩm điện tử dành cho người tiêu dùng cuối; pin lithium hình khối có thiết kế ngoại hình tương đối cố định và khó làm mỏng. Do đó, cả hai loại pin lithium này đều không thể đáp ứng yêu cầu của một số sản phẩm điện tử tiêu dùng về pin mỏng, nhẹ, kích thước linh hoạt. Pin lithium dạng túi polymer sử dụng màng nhôm - nhựa làm vỏ bọc, nhờ đó nhẹ, an toàn và mang lại nhiều lựa chọn thiết kế linh hoạt hơn cùng mật độ năng lượng cao hơn, khiến chúng phù hợp hơn với các yêu cầu của sản phẩm điện tử tiêu dùng về pin mỏng, nhẹ, kích thước thay đổi được và an toàn. Vì vậy, pin lithium dạng túi polymer hiện nay là loại pin lithium tiêu dùng được sử dụng phổ biến nhất. Ngành công nghiệp pin tiêu dùng đã trưởng thành và nhu cầu tổng thể tương đối ổn định.

1. đặc điểm của sản phẩm:

Các pin lithium-ion dùng cho người tiêu dùng có điều kiện sử dụng tương đối ít khắt khe và không yêu cầu độ tin cậy lâu dài. Chúng thường được sử dụng độc lập và không cần phải ghép nối với các pin khác, do đó yêu cầu về tính nhất quán không quá cao. Tuy nhiên, do không gian hạn chế và giá trị quý giá của các sản phẩm tiêu dùng như điện thoại di động và máy tính bảng, các pin lithium-ion dùng cho người tiêu dùng có yêu cầu nghiêm ngặt về kích thước, dung lượng và mật độ năng lượng. Các pin cao cấp dành cho thiết bị tiêu dùng sử dụng các công nghệ và vật liệu tiên tiến nhất, trong khi các pin năng lượng lại đòi hỏi kiểm soát quy trình, kiểm soát tính nhất quán và quản lý chất lượng tiên tiến hơn. Yêu cầu về tuổi thọ chu kỳ đối với sản phẩm tiêu dùng không dài bằng so với pin năng lượng và lưu trữ năng lượng. Ví dụ, sau 2-3 năm sử dụng, chúng ta nhận thấy dung lượng pin điện thoại đã giảm xuống còn 80%, chủ yếu vì hầu hết điện thoại được sạc một hoặc hai lần mỗi ngày. Điều này có nghĩa là dung lượng điện thoại giảm xuống dưới 80% trong vòng chưa đầy 3 năm, đến lúc đó cần phải thay pin hoặc thay cả điện thoại.

2. Loại điện cực dương:

Lithium cobalt oxide (LCO) vẫn thống trị thị trường pin tiêu dùng. Mặc dù ternary NCM (Non-Lithium Cobalt Oxide) mang lại dung lượng riêng cao, nhưng nó không dễ thay thế LCO do hiện tượng sinh khí ở điện áp cao. Mặc dù vật liệu cathode LCO có những nhược điểm như chi phí cao (do cobalt đắt tiền), hiệu suất chu kỳ kém và độ an toàn thấp, nhưng mật độ đổ chặt cao và điện áp hoạt động cao vẫn mang lại lợi thế cho LCO trong các sản phẩm điện tử siêu mỏng. Nhu cầu vẫn ổn định ở các dòng smartphone, laptop và máy tính bảng tầm trung đến cao cấp. Hơn nữa, việc tăng dung lượng pin trên điện thoại 5G cùng sự xuất hiện của các thiết bị điện tử tiêu dùng mới như drone, tai nghe TWS và thuốc lá điện tử đang thúc đẩy nhu cầu thị trường đối với vật liệu cathode LCO. LCO sở hữu mật độ đổ chặt cao nhất, dẫn đến mật độ năng lượng theo thể tích cao nhất trong không gian giới hạn của các thiết bị điện tử tiêu dùng. Mật độ đổ chặt tốt, mật độ năng lượng theo thể tích, hiệu suất chu kỳ và hiệu suất nhiệt độ cao/thấp vượt trội, cùng khả năng tiếp tục nâng cao mật độ năng lượng của LCO bằng cách tăng điện thế ngắt sạc, khiến vật liệu LCO cao áp, cao đổ chặt trở thành định hướng phát triển trong tương lai.

III. Pin Lưu Trữ Năng Lượng

Pin lưu trữ năng lượng là loại pin lưu trữ điện năng, chuyển đổi nó thành năng lượng hóa học. Hiện tại, thị trường pin lưu trữ năng lượng chủ yếu có hai lĩnh vực ứng dụng lớn: lưu trữ năng lượng điện và lưu trữ năng lượng dân dụng. Pin lưu trữ điện về cơ bản là công nghệ lưu trữ điện năng, công nghệ tích trữ điện năng. Các kịch bản ứng dụng bao gồm lưu trữ thủy điện bơm, lưu trữ bằng pin, lưu trữ cơ học và lưu trữ bằng không khí nén, có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Pin lưu trữ năng lượng dân dụng thường được thiết kế cho sử dụng ngoài trời; ví dụ, khi mất điện tại nhà hoặc khi đi cắm trại, một viên pin lưu trữ năng lượng có dung lượng lớn, tuổi thọ dài là cần thiết để đáp ứng các nhu cầu bất ngờ.

1. đặc điểm của sản phẩm:

Các pin lithium lưu trữ năng lượng có yêu cầu cao hơn về tuổi thọ. Tuổi thọ của phương tiện năng lượng mới thường là 5-8 năm, trong khi các dự án lưu trữ năng lượng thường hướng tới tuổi thọ lớn hơn 10 năm. Số chu kỳ của pin lithium dùng cho động lực là 1.000-2.000 chu kỳ, trong khi pin lithium lưu trữ năng lượng nói chung yêu cầu số chu kỳ lớn hơn 5.000. Điều này là do pin lưu trữ không ưu tiên mật độ năng lượng theo thể tích và mật độ năng lượng theo khối lượng, mà thay vào đó nhấn mạnh vào độ an toàn và chi phí. Xét từ đặc tính nội tại của vật liệu, pin lithium sắt phốt phát có độ ổn định nhiệt và chi phí vật liệu tốt hơn so với pin lithium ternary, đồng thời tuổi thọ chu kỳ của nó đã đạt gần 10.000 chu kỳ, do đó việc ứng dụng của nó trên thị trường lưu trữ năng lượng toàn cầu ngày càng trở nên phổ biến.

2. Loại điện cực dương:

Có một số khác biệt giữa pin lithium dùng cho năng lượng và pin lithium dùng trong lưu trữ năng lượng, nhưng xét từ góc độ bản thân tế bào pin, cả hai đều dường như có thể sử dụng pin lithium sắt phốt phát (LFP) và pin lithium ternary. Tuy nhiên, trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng, pin LFP gần như được sử dụng độc quyền. Điều này chủ yếu là do các sự cố an toàn xảy ra thường xuyên tại các trạm lưu trữ năng lượng. Pin lithium chuyên dụng cho lưu trữ không yêu cầu mật độ năng lượng cao nhưng cần độ an toàn cao, bởi vì các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa học chứa từ hàng trăm đến hàng chục nghìn pin. Một khi xảy ra cháy và lan rộng, tình hình sẽ trở nên cực kỳ khó kiểm soát. Ngày 29 tháng 6 năm 2022, Cục Năng lượng Quốc gia đã ban hành bản dự thảo ý kiến về "Hai mươi lăm yêu cầu chính nhằm ngăn ngừa tai nạn sản xuất điện", trong đó quy định các trạm lưu trữ năng lượng điện hóa học quy mô lớn không được sử dụng pin lithium ternary hoặc pin natri-lưu huỳnh, và không được sử dụng pin động lực đã qua sử dụng. Do đó, pin lưu trữ năng lượng về cơ bản đều được làm từ LFP.

bản tóm tắt:

Thị trường pin tiêu dùng đã phần lớn ổn định, với các hoạt động nghiên cứu và phát triển pin chủ yếu tập trung vào việc đạt được mật độ năng lượng theo thể tích cao hơn và dung lượng lớn hơn. Thị phần của các loại pin năng lượng hàng đầu đã cơ bản được thiết lập, chỉ còn một phần nhỏ đang được tái cấu trúc. Hiện tại, trọng tâm chính đối với pin năng lượng là kéo dài phạm vi di chuyển và tăng tốc độ sạc. Các loại pin lưu trữ năng lượng cũng chưa có bất kỳ bước phát triển đáng kể nào, chủ yếu theo đuổi dung lượng cực lớn, từ 280Ah đến 314Ah, và hiện nay là loại 587Ah của CATL và Haichen, hoặc loại 684Ah của Sungrow.