Các thử nghiệm phân hủy độc lập gần đây đối với pin lithium thương mại đã tiết lộ một điều bất ngờ lớn! Trái ngược với tuyên bố của nhiều nhà sản xuất pin lithium dựa trên NMC, hóa chất LFP vượt trội hơn so với NMC – an toàn hơn, tuổi thọ dài hơn và thường rẻ hơn NMC, NCA.

Hai loại hóa chất pin lithium-ion chính được sử dụng

Trong số tất cả các loại pin lithium-ion khác nhau, có hai loại nổi lên là lựa chọn tốt nhất cho xe nâng và xe nâng khác: Lithium Ferrum Phosphate hay Lithium Iron Phosphate (LFP) và Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (NMC).

Hóa chất pin LFP đã tồn tại lâu nhất. NMC là một công nghệ tương đối mới. Tuy nhiên, điều đó không phải lúc nào cũng có nghĩa là công nghệ tốt hơn trên toàn thế giới. Trong các loại xe điện (EV), chẳng hạn như ô tô và xe tải, đây thường là lựa chọn được ưa chuộng do tổng trọng lượng nhẹ hơn và mật độ năng lượng trên mỗi kilôgam cao hơn. Tuy nhiên, trong môi trường kho bãi, nơi nhiệt độ môi trường có thể thay đổi và trọng lượng không phải là vấn đề, pin LFP được sử dụng rộng rãi và ngược lại có thể là lựa chọn thuận lợi hơn.

Theo mặc định, tuổi thọ hữu ích của cả hóa chất NMC và LFP có thể dao động từ 3.000 đến 5.000 chu kỳ. Tuy nhiên, với sạc cơ hội, tuổi thọ có thể tăng đáng kể, lên đến 7.000 chu kỳ. Trong khi axit chì không nên được sạc cho đến khi dung lượng pin cạn kiệt đến 20%, pin Lithium-ion phát triển mạnh nhờ cái mà nó gọi là sạc cơ hội. Mặc dù hai loại—LFP và NMC—hoạt động tương tự nhau, nhưng vẫn có một số điểm khác biệt.

Sự xuống cấp của pin Lithium-Ion thương mại: Kết quả thử nghiệm

Theo một bài báo năm 2020 từ Tạp chí của Hiệp hội Điện hóa (Sự xuống cấp của pin Lithium-Ion thương mại theo Chức năng của Hóa học và Điều kiện Chu kỳ), pin LFP có tuổi thọ dài hơn pin NMC. Dữ liệu này trái ngược với quan niệm phổ biến rằng các cell NMC bền hơn và có tuổi thọ dài hơn. Các thử nghiệm này lần đầu tiên được công bố vào tháng 9 năm 2020 nhưng chỉ mới xuất hiện trên mục tin tức của các ấn phẩm phân phối tài liệu gần đây. Các tác giả của bài báo đưa ra một lời giải thích khả thi - dữ liệu về các cell thương mại thực tế có thể thay đổi theo sự thay đổi của quy trình sản xuất, dù rất nhỏ.

Trong điều kiện thử nghiệm nghiêm ngặt, các cell lithium thương mại của cả hai loại đều được xả và sạc nhiều lần từ 0% đến 100%. Kết quả là gì? Theo bài báo, "Các cell LFP thể hiện tuổi thọ chu kỳ dài hơn đáng kể trong các điều kiện được kiểm tra".

Các thử nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia như "một phần của nỗ lực rộng lớn hơn nhằm xác định và mô tả tính an toàn và độ tin cậy của các cell Li-ion thương mại". Nghiên cứu đã xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ, độ sâu xả (DOD) và dòng điện xả đối với sự suy thoái lâu dài của các cell thương mại.

Hóa học LFP vượt trội hơn so với NMC

Tất cả các cell đều được sạc và xả ở tốc độ 0,5 C hoặc lượng xả sẽ làm cạn kiệt toàn bộ dung lượng của pin trong hai giờ.

Trong biểu diễn đồ họa được hiển thị (trích từ bài báo kỹ thuật năm 2020 của Tạp chí), bạn có thể dễ dàng thấy rằng khả năng duy trì dung lượng xả của pin lithium LFP (các điểm dữ liệu màu xanh lam) vượt xa khả năng duy trì dung lượng pin NMC (được biểu thị bằng các điểm dữ liệu màu đen) cho mỗi vòng sạc/xả. Biểu đồ cho thấy NMC xuống cấp nhanh gấp đôi so với LFP, cho thấy hiệu suất tổng thể vượt trội của các cell LFP.

Thử nghiệm cho thấy LFP có RTE (hiệu suất khứ hồi) tốt hơn NMC, được tính bằng cách chia năng lượng xả cho năng lượng sạc. Phép tính này cho thấy LFP là lựa chọn hiệu quả và tiết kiệm hơn.

Pin lithium niken coban nhôm oxit, hay NCA, cũng là một phần của thí nghiệm này và có hiệu suất tương tự hoặc kém hơn NMC. Chúng tôi không tập trung vào NCA trong bài viết này vì nó không phải là xu hướng chính trong việc sử dụng pin lithium thương mại để Xử lý Vật liệu, chủ yếu là do các vấn đề về an toàn và chi phí.

Cả pin NMC và NCA đều thể hiện sự phụ thuộc mạnh mẽ vào độ sâu của quá trình xả, với độ nhạy cao hơn đối với chu kỳ phạm vi SOC đầy đủ so với pin LFP.

Pin LFP có tuổi thọ chu kỳ cao nhất trong mọi điều kiện, nhưng khoảng cách hiệu suất này đã giảm khi so sánh các pin theo thông lượng năng lượng xả.

Hóa học của pin lithium LFP và NMC: Tốc độ sạc

Có một điểm khác biệt lớn khác giữa LFP và NMC thường được sử dụng làm điểm bán hàng trong quá trình xử lý vật liệu. Pin lithium ion NMC đôi khi được sạc ở tốc độ cao hơn, nhanh hơn, thường được so sánh với LFP sử dụng chu kỳ sạc từ 0 đến 100%. Tuy nhiên, có một sự đánh đổi. Để làm được điều này, cáp và đầu nối phải được gia cố vì nhiệt độ do quá trình tạo ra cao hơn. Ngoài ra, các pin riêng lẻ phải được cách điện với nhau để chứa và tản nhiệt. Điều này thường được thực hiện bằng cách sử dụng tấm chắn gốm, làm tăng chi phí của bộ pin.

Pin lithium ion LFP thường sạc ở tốc độ thấp hơn, thường lên đến tốc độ 1,5 C. Tuy nhiên, chúng có thể được lắp phích cắm kép, giúp tăng gấp đôi tốc độ sạc, trong khi vẫn duy trì nhiệt độ sạc thấp hơn. Dòng điện tiêu thụ trong quá trình sạc nhìn chung thấp hơn, có khả năng chuyển thành sạc an toàn hơn.

Trên thực tế, tốc độ sạc cao hơn của NMC không phải là vấn đề. Khi sử dụng sạc cơ hội (có lợi cho pin lithium), pin sẽ không bao giờ bị xả hoàn toàn. Do đó, việc sạc từ pin đã xả hoàn toàn sang pin đã sạc đầy hiếm khi xảy ra, nếu có.

Điểm mấu chốt rất đơn giản. Mặc dù có thể được quảng cáo là tốc độ sạc cao hơn cho NMC là khả thi, nhưng không có sự gia tăng tiết kiệm thời gian có thể đo lường được hay giảm thời gian chết để xác nhận sự cần thiết của tốc độ sạc trên tốc độ 1 C.

LFP so với NMC

Mặc dù các ô NMC thường được quảng cáo là công nghệ mới hơn, tiên tiến hơn, nhưng chúng cũng có một số nhược điểm đáng kể khác. Điểm chớp cháy (nhiệt độ mà hóa chất sẽ bắt lửa) thấp hơn đáng kể so với LFP. Điểm chớp cháy của NMC là 419 độ F, trong khi điểm chớp cháy của LFP cao tới 518 độ. Nói cách khác, NMC có nhiều khả năng bắt lửa và cháy trong điều kiện thích hợp. Ví dụ, tốc độ sạc cao góp phần gây ra hiện tượng mất kiểm soát nhiệt, khả năng hư hỏng do nhiệt và phổ biến hơn ở bộ pin NMC so với LFP.

Cả công nghệ và hóa chất của NMC đều khiến pin nóng hơn trong quá trình sử dụng và sạc, đòi hỏi nhiều biện pháp tản nhiệt hơn. Gạch men được sử dụng để tách các ô trong pin NMC để kiểm soát nhiệt. Đây là biện pháp không cần thiết trong công nghệ hóa chất LFP.

Mặc dù NMC là công nghệ có tốc độ sạc nhanh hơn và điện áp danh định trên mỗi ô cao hơn một chút (3,7V so với 3,2V của LFP), nhưng không có lợi thế rõ ràng nào để biện minh cho mức giá mua cao hơn. Mặc dù giá chính xác dao động theo thị trường, nhưng pin NMC có giá cao hơn từ 30% đến 50%. Hóa chất LFP thực sự là công nghệ an toàn hơn và sẽ hoạt động tốt, thậm chí vượt trội hơn NMC đắt tiền hơn.

Pin LFP hoạt động tốt hơn pin axit chì cũ, kém an toàn và kém hiệu quả hơn. Pin NMC cũng vậy. Nhưng khi tổng chi phí sở hữu pin xe nâng là yếu tố thúc đẩy, thì LFP có thể là lựa chọn tốt hơn.

Pin xe nâng axit chì

Chúng ta không thể bỏ qua sự so sánh tất yếu với hóa học axit chì trong bài viết này, vì đây vẫn là công nghệ phổ biến trong thế giới xe nâng. Pin axit chì là pin ướt. Điện năng được tạo ra bởi các hóa chất lỏng, tương tác với chì. Chì được chuyển đổi thành chì sunfat thông qua phản ứng hóa học với axit. Khi được kết nối với tải (xe nâng), các electron di chuyển qua nó, cân bằng các electron. Nói một cách đơn giản, pin được "xả". Sạc lại pin sẽ đảo ngược quá trình này.

While lead-acid batteries have been around the longest, there are some inherent pitfalls. For example, they do have a limited number of charge cycles, somewhere around 1,500. However, that also means that a cycle is used up every time you charge the battery.

Ideally, the battery should be charged when it’s depleted to between 20 and 30 percent remaining charge to avoid capacity loss. Charging when the capacity is less than 20% can damage both the battery and the lift. Charging more often, say above 60%, and you’re wasting charges. The battery’s life will be shortened.

The charging/discharging processes also give off toxic and flammable gases. This makes lead-acid hazardous, both during operation and charging. Lead-acid batteries are also

 maintenance intensive. If water levels are not monitored and maintained properly—both high and low levels—battery life is shortened, and dangerous conditions can arise.

Finally, to properly maintain these batteries, you need to follow the 8-8-8 rule: eight hours of use, eight hours of charging, eight hours of the cool-down period, again, to avoid battery capacity loss due to the degradation mechanism of this technology. That means the battery can only be used during one full shift in 24 hours. And that means that you must have an additional backup battery to swap out for each work shift.

Compared to lead-acid batteries, both NMC and LFP Li ion batteries have a longer overall lifespan and a significantly higher number of charge discharge cycles. Unlike lead-acid, lithium-ion chemistry thrives with frequent charges. Their usable life is increased by opportunity charging during breaks and lunches.

Additionally, battery maintenance is minimal compared to the lead-acid battery. You don’t need to monitor the electrolyte levels because they’re non-existent. And battery room ventilation isn’t required since there is no dangerous gassing during the charging process. Most of the condition monitoring is done by the battery itself using advanced electronics of its battery management system.

Final Thoughts On Battery Chemistry Choice

In choosing the correct battery for your operation, don’t go by initial cost alone. Consider the overall cost of ownership during the life of the battery. The safer operation and longevity of lithium-ion chemistry should be factored in.

A battery with lithium-ion chemistry makes better sense, from both an operational efficiency standpoint, and the increased safety factor afforded.

Even so, don’t make the decision quickly, without weighing the pros and cons of both NMC and LFP battery chemistries.

NMC is an excellent choice for electric vehicles. But the price tag may not be worth it for forklift and PIT (powered industrial truck) use. Overall, there is no significant performance increase, and LFP technology demonstrates a slower battery degradation and a longer cycle life when handled properly.

While some NMC batteries may offer a faster charging rate (possibly up to 3 C rate), that isn’t necessarily a requirement due to opportunity charging. You rarely charge a battery from 0 to 100 percent.

LFP batteries charge at a lower rate, but the rate can be increased easily if it is a requirement.

Contrary to existing perception, the data shows that LFP cells have the highest cycle lifetime across all conditions.

Both Lithium-ion types are much safer than older lead-acid technology. However, the lower flashpoint of the NMC (419 degrees Fahrenheit) increases the possibility of a fire hazard, particularly at the high charge rate.