PIN Lithum-ion và đôi nét tìm hiểu về quá trình SẠC - XẢ PIN Lithum-ion

PIN Lithum-ion và đôi nét tìm hiểu về quá trình SẠC - XẢ Pin Li-on

1. ĐỊNH NGHĨA PIN LITHUM LÀ GÌ?

- Pin Lithium-ion, hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc.

- Pin Lithium thường được dùng cho các thiết bị di động như điện thoại, máy chụp hình, máy chơi game, máy tính,…Không những thế, loại pin này đang được chú trọng phát triển trong quân đội, các ứng dụng của phương tiện di chuyển chạy bằng điện (như xe đạp điện, xe máy điện,…) và kĩ thuật hàng không.

- Nói một cách khác, pin Lithium được kì vọng sẽ thay thế cho ắc quy chì - thường được sử dụng trong ô tô, xe máy và các loại xe điện trước đây. Nó không chỉ mang lại hiệu suất hoạt động cao, mà còn hứa hẹn về việc đảm bảo môi trường sạch (vì hạn chế thải ra kim loại nặng), cũng như nâng cao việc sử dụng an toàn (vì tránh dùng dung dịch điện ly chứa axit).

2.CẤU TẠO PIN LITHIUM-ION

- Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầy khoảng trống giữa các lớp này. Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động.

- Cực dương được làm bằng hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li (như LiMnO2, LiCoO2,… còn cực âm được làm bằng graphite. Ngoài ra, dung dịch điện ly của pin (nghĩa là môi trường cho phép các ion Li chuyển dịch từ điện cực này sang điện cực kia) phải có độ dẫn ion tốt cũng là chất cách điện tốt.

Ví dụ:

+ Các thiết bị điện di động: sử dụng pin Lithium có điện cực âm làm bằng Lithium Coban Oxit (LiCoO2, viết tắt LCO). Đặc điểm của chất này là có mật độ năng lượng cao nhưng kém an toàn khi pin bị rò rỉ, gây nguy hiểm.

+ Các thiết bị điện y tế, xe điện: sử dụng pin Lithium có điện cực dương thường làm bằng Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4, viết tắt LFP), Lithium Niken Mangan Coban Oxit (LiNiMnCoO2, viết tắt NMC), và Lithium Mangan Oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, viết tắt LMO). Dù các vật liệu này có mật độ năng lượng thấp hơn so với LCO nhưng lại có tuổi thọ lâu và sử dụng an toàn hơn.

3. SO SÁNH PIN LITHIUM-ION VỚI ACQUY CHÌ

4. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SẠC - XẢ PIN LITHIUM-ION

- Thông thường, pin Li-ion chỉ nên hoạt động (sạc/xả) ở vùng điện áp được thiết kế (dưới 4,2V/cell). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khi pin đã đầy mà vẫn bơm dòng điện vào, điện áp pin sẽ dâng lên cao hơn 4,3V. Lúc này, ắc quy gọi là bị over-charging.

- Khi ở điện áp pin nằm ngoài vùng làm việc an toàn (trên 4,2V/cell hoặc dưới 2,5V/cell) hoạt động của nó trở nên không ổn định. Các lớp Lithium Metallic sẽ hình thành trên cực dương trong khi cực âm sẽ bị oxi hóa mạnh làm giảm tính ổn định và sản sinh ra khí CO2 bên trong pin làm áp suất trên trong pin sẽ tăng lên. Thông thường, để an toàn, bộ sạc cần phải ngừng sạc ngay khi áp suất trong cell đạt 200psi.

- Nếu bộ sạc không có chức năng theo dõi và bảo vệ áp suất lớn, do khí CO2 không ngừng sinh ra, áp suất pin sẽ tiếp tục tăng, đồng thời nhiệt độ pin cũng tăng nhanh. Khi áp suất đạt khoảng 500psi, lúc này nhiệt độ pin đạt khoảng 130 độ- 150 độ, lớp màng an toàn ngăn cách các cell sẽ bị đánh thủng và pin sẽ bắt đầu bốc cháy thậm chí gây nổ.

- Vì vậy, trong quá trình sạc, cần tuyệt đối tuân thủ các yêu cầu về nhiệt độ và điện áp trên các cell.

- Pin Li-ion nói chung không nên và không được phép xả quá sâu (over-discharge). Khi điện áp pin giảm xuống dưới 3,0V/cell, tốt nhất nên cắt pin khỏi mạch. Nếu để điện áp pin giảm xuống dưới 2,7V/cell hệ thống mạch bảo vệ của bản thân pin sẽ tự động chuyển pin sang chế độ sleep. Lúc này, pin không thể sạc lại được theo cách thông thường mà cần phải sử dụng chu trình sạc 4 giai đoạn.

- Trong chu trình sạc 4 giai đoạn, ngoài 2 giai đoạn sạc ổn dòng, ổn áp giống như quy trình sạc pin Li-ion thường, 2 giai đoạn Pre-charge và Activation được thêm vào để khôi phục lại hoạt động của pin.

- Trước tiên, trong giai đoạn Pre-charge, pin sẽ được bơm vào một dòng điện nhỏ (5-15%C) sau đó điện áp pin được giám sát. Nếu sau một khoảng thời gian xác định (testing time), điện áp pin không tăng hoặc tăng quá chậm thì pin coi như không thể phục hồi được nữa. Trái lại nếu điện áp tăng lên trên 2,8V khi đó pin gọi là còn tốt và có thể tiếp tục sạc được. Lúc này, bộ sạc chuyển sang sạc pin trong chế độ Activation để kích hoạt trở lại hoạt động của pin.

- Trong chế độ Activation, dòng điện 5-15%C tiếp tục được duy trì cho đến khi điện áp pin tăng lên trên 3V. Lúc này bộ sạc lại chuyển sang hoạt động ở chế độ sạc ổn dòng và ổn áp như bình thường.

- Khi các nhà sản xuất bán pin, họ thường sạc sẵn pin đến 40% dung lượng. Tuy nhiên, sau một thời gian, do hiện thượng tự xả (self-discharge) dung lượng pin giảm dần, đồng nghĩa với việc điện áp pin giảm. Vì vậy, để tránh hiện tượng over-discharge,pin nên được bảo trì định kỳ bằng cách sạc lại sau khi để không dùng trong một thời gian dài.

- Mỗi cell pin Li-ion thường có điện áp hở mạch khoảng 3,5V . Trong các hệ thống như xe điện, để cấp điện cho động cơ truyền lực chính và các thiết bị điện khác trong xe, các cell thường được mắc song song nối tiếp cho đến khi đạt được điện áp DC-Bus khoảng 200VDC trở lên.4. Vấn đề cân bằng cell (cell balancing).

- Những nguyên nhân như thông số các cell do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định; trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell không đồng đều. Có cell có điện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, các cell không cân bằng với nhau.

- Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cell còn lại chưa đầy. Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao (như đã phân tích ở trên) làm giảm tuổi thọ của cả quả pin thậm chí phá hỏng cell đó. Ngược lại, trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn. Nếu vẫn tiếp tục xả sâu, cell đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ pin. Khi một cell bị hỏng, thông thường ta phải thay thế toàn bộ cả hệ thống pin, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể được trong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại, nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra.

- Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậy càng giảm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống pin được ghép nối bởi n cell, xác suất xảy ra mất cân bằng tăng lên gấp n lần so với chỉ 1 cell hoạt động độc lập.

- Để hạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét. Trước tiên, người ta sẽ cố gắng chọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau. Các cell sau đó sẽ được ghép nối song song nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dòng vòng chạy giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing). Sau đó, trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều trên các cell.

- Tuy vậy, để giải quyết triệt để việc mất cân bằng áp pin Li-ion, trong các xe điện, hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS) cần giám sát chặt chẽ dung lượng của mỗi cell (State of Charge – SOC). Nếu phát hiện có sự mất cân bằng, hệ thống BMS cần thực hiện các biện pháp nhất định nhằm đưa các cell về trạng thái cân bằng với nhau. Có hai cách để thực hiện việc này là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.

- Phương pháp cân bằng chủ động sẽ chuyển bớt năng lượng từ các cell có dung lượng cao hơn vào các cell có dung lượng thấp hơn. Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp và không có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell. Tuy nhiên, thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế. Việc cân bằng áp được thực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell. Do đó, để sạc đầy cả bộ pin cần thời gian khá lớn.

- Phương pháp cân bằng thụ động đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động nhưng gây ra tổn hao trên điện trở. Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đã đầy. Sau đó, cell đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn. Sau đó, bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đã đầy.

- Như vậy, trong quá trình sạc, ngoài việc tuân thủ đúng các quy trình sạc, bộ sạc cần phối hợp chặt chẽ với hệ thống BMS để thực hiện các kỹ thuật cell balancing nhằm điền đầy các cell, chống sự mất cân bằng giữa các cell, qua đó kéo dài tuổi thọ của cả bộ ắc quy.

5. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc pin Lithium ion

- Như đã nói, hoạt động nạp xả của pin phụ thuộc lớn vào nhiệt độ. Nói chung, tất cả các loại pin đều có thể hoạt động trong một dải nhiệt độ khá rộng. Đối với ắc quy Li-ion, dải nhiệt độ này là từ 0 độ – 45 độ trong chế độ sạc và 0 độ – 60 độ trong chế độ xả. Một số pin dựa trên Lithium đời mới hơn như Lithi-Ferro – Phophat (LiFePO4) hoặc Li-Polimer cho phép mở rộng vùng nhiệt độ làm việc hơn một chút. Trong vùng này, tính chất của pin hầu như ổn định, hiệu suất sử dụng năng lượng cao. Nhưng ngoài vùng nhiệt độ đó, ở những nhiệt độ rất thấp hoặc rất cao, hoạt động của pin bị ảnh hưởng mạnh, các phản ứng hóa học bên trong pin diễn ra chậm lại, đồng nghĩa với dòng điện do ắc quy sinh ra hoặc hấp thu sẽ giảm đi so với khi hoạt động trong.

- Đối với pin Li-ion nói chung, người ta đã chứng minh được rằng dải nhiệt độ từ 5 độ – 45 độ là dải nhiệt độ hoạt động tối ưu. Dưới 5 độ dòng sạc cần phải được giảm xuống và khi nhiệt độ giảm xuống dưới 0 độ (nhiệt độ đóng băng) cần dừng ngay quá trình sạc.

- Ngược lại, ở nhiệt độ cao hơn 45 độ hoạt động của pin trở nên mạnh mẽ hơn, nghĩa là có có thể phóng hoặc nạp dòng điện lớn hơn dòng danh định (C). Tuy nhiên, cả 2 trường hợp (nhiệt độ quá thấp cũng như nhiệt độ quá cao) đều làm tăng nội trở pin, do đó, nếu vẫn cố gắng sạc thì sẽ làm giảm tuổi thọ pin.

(Sưu tầm và biên dịch)