Giỏ hàng

Pin nào tốt nhất?

Đâu mới là loại pin tốt nhất trên thị trường hiện nay? Chúng ta thường bối rối trước những thông báo về pin mới được cho là có mật độ năng lượng rất cao, chu kỳ sạc/xả 1000 lần và mỏng như tờ giấy. Liệu chúng có thật không? Có lẽ vậy — nhưng không phải trong cùng một loại pin. Mặc dù một loại pin có thể được thiết kế cho kích thước nhỏ và thời gian sử dụng dài, nhưng loại pin này sẽ không bền và nhanh hỏng. Một loại pin khác có thể được chế tạo cho tuổi thọ cao, nhưng kích thước lại lớn và cồng kềnh. Một loại pin thứ ba có thể cung cấp tất cả các đặc tính mong muốn, nhưng giá thành sẽ quá cao để sử dụng thương mại. Để bạn đọc có được những thông tin quan trọng về chủ đề này, Interlift đã tổng hợp đầy đủ thông tin và dịch lại tài liệu bài viết dưới đây từ BatteryUniversity. 

Các nhà sản xuất pin hiểu rõ nhu cầu của khách hàng và đã đáp ứng bằng cách cung cấp các gói pin phù hợp nhất với các ứng dụng cụ thể. Ngành công nghiệp điện thoại di động là một ví dụ điển hình về sự thích ứng thông minh. Trọng tâm được đặt vào kích thước nhỏ, mật độ năng lượng cao và giá thành thấp. Tuổi thọ pin đứng thứ hai.

cac-loai-pin-tren-thi-truong

Trên thị trường có rất nhiều loại pin khác nhau

Việc ghi nhãn NiMH trên bộ pin không tự động đảm bảo mật độ năng lượng cao. Ví dụ, pin Nickel-Metal Hydride hình lăng trụ cho điện thoại di động được thiết kế mỏng. Một bộ pin như vậy cung cấp mật độ năng lượng khoảng 60Wh/kg và số chu kỳ xả khoảng 300. Để so sánh, pin NiMH hình trụ cung cấp mật độ năng lượng từ 80Wh/kg trở lên. Tuy nhiên, số chu kỳ xả của loại pin này ở mức trung bình đến thấp. Pin NiMH độ bền cao, có thể chịu được 1000 lần xả, thường được đóng gói trong các cell hình trụ cồng kềnh. Mật độ năng lượng của các cell này chỉ ở mức khiêm tốn 70Wh/kg.

Pin lithium cũng có những nhược điểm. Pin Li-ion đang được sản xuất cho các ứng dụng quốc phòng với mật độ năng lượng vượt xa pin thương mại tương đương. Đáng tiếc là những loại pin Li-ion dung lượng siêu cao này bị coi là không an toàn khi sử dụng trong dân chúng và giá thành cao khiến chúng nằm ngoài tầm với của thị trường thương mại.

Trong bài viết này, chúng tôi xem xét những ưu điểm và hạn chế của pin thương mại. Loại trừ loại pin được gọi là "thần kỳ" chỉ hoạt động trong môi trường được kiểm soát. Chúng tôi xem xét kỹ lưỡng các loại pin không chỉ về mật độ năng lượng mà còn về tuổi thọ, đặc tính tải, yêu cầu bảo trì, khả năng tự xả và chi phí vận hành. Vì NiCd vẫn là tiêu chuẩn để so sánh với các loại pin khác, chúng tôi đánh giá các hóa chất thay thế dựa trên loại pin cổ điển này.

  • Niken Cadmium (NiCd) — đã được nghiên cứu kỹ lưỡng và thành thạo nhưng mật độ năng lượng tương đối thấp. NiCd được sử dụng trong những trường hợp quan trọng như tuổi thọ cao, tốc độ phóng điện cao và giá thành kinh tế. Các ứng dụng chính bao gồm bộ đàm hai chiều, thiết bị y sinh, máy quay video chuyên nghiệp và dụng cụ điện. NiCd chứa kim loại độc hại và không thân thiện với môi trường.
  • Niken-Kim loại Hydride (NiMH) — có mật độ năng lượng cao hơn so với NiCd nhưng tuổi thọ chu kỳ ngắn hơn. NiMH không chứa kim loại độc hại. Các ứng dụng bao gồm điện thoại di động và máy tính xách tay.
  • Ắc quy axit chì — tiết kiệm nhất cho các ứng dụng công suất lớn, nơi trọng lượng không phải là vấn đề đáng quan tâm. Ắc quy axit chì là lựa chọn ưu tiên cho thiết bị bệnh viện, xe lăn, đèn chiếu sáng khẩn cấp và hệ thống UPS.
  • Lithium Ion (Li-ion) — hệ thống pin phát triển nhanh nhất. Li-ion được sử dụng ở những nơi mật độ năng lượng cao và trọng lượng nhẹ là yếu tố quan trọng hàng đầu. Công nghệ này khá yếu và cần có mạch bảo vệ để đảm bảo an toàn. Các ứng dụng bao gồm máy tính xách tay và điện thoại di động.
  • Lithium Ion Polymer (Li-ion polymer) — sở hữu các đặc tính của Li-ion trong hình dạng siêu mỏng và bao bì đơn giản. Ứng dụng chính là điện thoại di động.

So sánh các loại pin phổ biến trên thị trường hiện nay

Hình 1 so sánh các đặc điểm của sáu hệ thống pin sạc được sử dụng phổ biến nhất về mật độ năng lượng, vòng đời, yêu cầu vận động và chi phí. Các số liệu này dựa trên xếp hạng trung bình của các loại pin thương mại tại thời điểm xuất bản.

 NiCdNiMHAxit chìPin Li-ionPolymer Li-ionKiềm tái sử dụng
Mật độ năng lượng/trọng lượng (Wh/kg(45-8060-12030-50110-160100-13080
Điện trở trong100-200 gói 6V200-300 gói 6V<100 gói 12V150-250 gói 7.2V200-300 gói 7.2V200-2000 gói 6V
Vòng đời (đạt 80% công suất ban đầu15002300-5002.3 200-3002500-10003300-500503
Thời gian sạc1 giờ2-4 giờ8-16 giờ 2-4 giờ2-4 giờ2-3 giờ
Khả năng chịu quá tảiVừa phảithấpcaorất thấpthấpVừa phải
Tự xả/tháng (nhiệt độ phòng)20%430%45%10%510%50.3%
Điện áp Cell1.25V61.25V62V3.6V3.6V1.5V
Dòng tải đỉnh (Độ C)2055220.5
Kết quả tốt nhất (Độ C)10.50.2110.2
Nhiệt độ hoạt động (xả) (độ C)-40-60-20-60

-20-60

-20-600-600-65
Chi phí (tham khảo) (USD)5060251001005
Chi phí mỗi chu kỳ (USD)0.040.120.10.140.290.1-0.5
Thương mại195019901970199119991992

Hình 1: Đặc điểm của các loại pin sạc thông dụng

Điện trở trong của bộ pin thay đổi tùy theo định mức cell, loại mạch bảo vệ và số lượng cell. Mạch bảo vệ của Li-ion và Li-polymer cộng thêm khoảng 100mΩ.
Tuổi thọ pin phụ thuộc vào việc pin được bảo dưỡng thường xuyên. Việc không thực hiện chu kỳ xả đầy định kỳ có thể làm giảm tuổi thọ pin gấp ba lần.
Tuổi thọ chu kỳ phụ thuộc vào độ sâu của lần xả. Xả nông cung cấp nhiều chu kỳ hơn xả sâu.
Độ phóng điện đạt mức cao nhất ngay sau khi sạc, sau đó giảm dần. Dung lượng NiCd giảm 10% trong 24 giờ đầu, sau đó giảm xuống còn khoảng 10% sau mỗi 30 ngày. Độ tự phóng điện tăng theo nhiệt độ.
Các mạch bảo vệ bên trong thường tiêu thụ 3% năng lượng được lưu trữ mỗi tháng.
1,25V là điện áp cell hở. 1,2V là giá trị thường được sử dụng. Không có sự khác biệt giữa các cell; đây chỉ đơn giản là một phương pháp đánh giá.
Có khả năng tạo xung dòng điện cao.
Chỉ áp dụng cho quá trình xả; phạm vi nhiệt độ sạc bị hạn chế hơn.
Bảo trì có thể ở dạng sạc 'cân bằng' hoặc 'thêm'.
Chi phí pin cho các thiết bị di động có bán trên thị trường.
Được tính bằng giá pin chia cho tuổi thọ. Không bao gồm chi phí điện và bộ sạc.
Nhận xét: Điều thú vị cần lưu ý là NiCd có thời gian sạc ngắn nhất, cung cấp dòng điện tải cao nhất và có tổng chi phí cho mỗi chu kỳ thấp nhất, nhưng lại có yêu cầu bảo trì khắt khe nhất.

Pin Nickel Cadmium (NiCd)

Pin NiCd ưa chuộng sạc nhanh hơn sạc chậm và sạc xung hơn sạc DC. Tất cả các loại pin khác đều ưa chuộng xả nông và dòng tải vừa phải. NiCd là một cỗ máy mạnh mẽ và êm ái; làm việc nặng nhọc cũng không thành vấn đề. Trên thực tế, NiCd là loại pin duy nhất hoạt động tốt trong điều kiện làm việc khắc nghiệt. Nó không thích bị nuông chiều bằng cách nằm trong bộ sạc hàng ngày và chỉ được sử dụng thỉnh thoảng trong thời gian ngắn. Việc xả đầy định kỳ rất quan trọng, nếu không thực hiện, các tinh thể lớn sẽ hình thành trên các tấm cell (còn gọi là bộ nhớ ) và NiCd sẽ dần mất hiệu suất.

Trong số các loại pin sạc, NiCd vẫn là lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng như radio hai chiều, thiết bị y tế khẩn cấp và dụng cụ điện. Pin có mật độ năng lượng cao hơn và ít kim loại độc hại hơn đang khiến người ta chuyển hướng từ NiCd sang các công nghệ mới hơn.

Ưu điểm và hạn chế của pin NiCd

Thuận lợi    

Sạc nhanh và đơn giản — ngay cả sau thời gian lưu trữ kéo dài.

Số chu kỳ sạc/xả cao — nếu được bảo dưỡng đúng cách, NiCd có thể cung cấp hơn 1000 chu kỳ sạc/xả.

Hiệu suất tải tốt — NiCd cho phép sạc lại ở nhiệt độ thấp.

Thời hạn sử dụng dài – trong mọi trạng thái sạc.

Lưu trữ và vận chuyển đơn giản — hầu hết các công ty vận tải hàng không đều chấp nhận NiCd mà không có điều kiện đặc biệt.

Hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp.

Có thể sử dụng nếu bị lạm dụng — NiCd là một trong những loại pin sạc bền nhất.

Giá cả phải chăng — NiCd là loại pin có giá thành thấp nhất tính theo chi phí cho mỗi chu kỳ.

Có sẵn nhiều kích cỡ và tùy chọn hiệu suất khác nhau — hầu hết các pin NiCd đều có dạng hình trụ.

Hạn chế

Mật độ năng lượng tương đối thấp — so với các hệ thống mới hơn.

Hiệu ứng bộ nhớ — NiCd phải được sử dụng định kỳ để ngăn ngừa hiệu ứng bộ nhớ.

Không thân thiện với môi trường — NiCd chứa kim loại độc hại. Một số quốc gia đang hạn chế sử dụng pin NiCd.

Có khả năng tự xả tương đối cao — cần sạc lại sau khi lưu trữ.

Hình 2: Ưu điểm và hạn chế của pin NiCd.

pin-nicd

Pin NiCd

Pin Niken-Kim loại Hydride (NiMH)

Nghiên cứu về hệ thống NiMH bắt đầu vào những năm 1970 như một phương tiện để khám phá cách lưu trữ hydro cho pin niken-hydro . Ngày nay, pin niken-hydro chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng vệ tinh. Chúng cồng kềnh, chứa các bình thép chịu áp suất cao và có giá hàng nghìn đô la mỗi cell.

Trong những ngày đầu thử nghiệm pin NiMH, hợp kim hydride kim loại không ổn định trong môi trường cell pin và không thể đạt được các đặc tính hiệu suất mong muốn. Kết quả là, sự phát triển của NiMH bị chậm lại. Các hợp kim hydride mới được phát triển vào những năm 1980, đủ ổn định để sử dụng trong cell pin. Kể từ cuối những năm 1980, NiMH đã không ngừng được cải thiện.

Thành công của NiMH được thúc đẩy bởi mật độ năng lượng cao và việc sử dụng kim loại thân thiện với môi trường. Pin NiMH hiện đại cung cấp mật độ năng lượng cao hơn tới 40% so với pin NiCd. Dung lượng pin vẫn còn tiềm năng, nhưng không tránh khỏi một số tác dụng phụ tiêu cực.

NiMH kém bền hơn NiCd. Việc sử dụng liên tục dưới tải nặng và lưu trữ ở nhiệt độ cao làm giảm tuổi thọ. NiMH có độ tự phóng điện cao hơn đáng kể so với NiCd.

Pin NiMH đã và đang thay thế pin NiCd trong các lĩnh vực như truyền thông không dây và điện toán di động. Ở nhiều nơi trên thế giới, người mua được khuyến khích sử dụng pin NiMH thay vì pin NiCd. Điều này xuất phát từ những lo ngại về môi trường liên quan đến việc xử lý pin đã qua sử dụng một cách cẩu thả.

Các chuyên gia đồng ý rằng NiMH đã được cải thiện đáng kể qua nhiều năm, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Hầu hết những thiếu sót đều bắt nguồn từ công nghệ pin niken và cũng xuất hiện ở pin NiCd. Người ta thường cho rằng NiMH là bước chuyển tiếp sang công nghệ pin lithium.

Ưu điểm và hạn chế của pin NiMH

Thuận lợi

Dung lượng cao hơn 30-40 phần trăm so với pin NiCd tiêu chuẩn. Pin NiMH có tiềm năng đạt mật độ năng lượng cao hơn nữa.

Ít bị ảnh hưởng bởi trí nhớ hơn NiCd. Tần suất tập luyện định kỳ cũng ít hơn.

Lưu trữ và vận chuyển đơn giản — điều kiện vận chuyển không phải chịu sự kiểm soát theo quy định.

Thân thiện với môi trường — chỉ chứa độc tố nhẹ; có lợi cho việc tái chế.

Hạn chế

Tuổi thọ hạn chế — nếu xả sâu nhiều lần, đặc biệt là ở dòng điện tải cao, hiệu suất sẽ bắt đầu giảm sau 200 đến 300 chu kỳ. Nên xả nông thay vì xả sâu.

Dòng xả giới hạn — mặc dù pin NiMH có khả năng cung cấp dòng xả cao, nhưng việc xả nhiều lần với dòng tải cao sẽ làm giảm tuổi thọ của pin. Kết quả tốt nhất đạt được với dòng tải từ 0,2C đến 0,5C (một phần năm đến một nửa dung lượng định mức).

Cần thuật toán sạc phức tạp hơn — NiMH tạo ra nhiều nhiệt hơn trong quá trình sạc và cần thời gian sạc lâu hơn NiCd. Sạc nhỏ giọt rất quan trọng và phải được kiểm soát cẩn thận.

Khả năng tự xả cao — NiMH có khả năng tự xả cao hơn khoảng 50% so với NiCd. Các chất phụ gia hóa học mới cải thiện khả năng tự xả nhưng phải đánh đổi bằng mật độ năng lượng thấp hơn.

Hiệu suất sẽ giảm nếu được bảo quản ở nhiệt độ cao — Pin NiMH nên được bảo quản ở nơi thoáng mát và ở mức sạc khoảng 40 phần trăm.

Bảo trì nhiều — pin cần được xả đầy thường xuyên để ngăn ngừa sự hình thành tinh thể.

Đắt hơn khoảng 20 phần trăm so với pin NiCd — Pin NiMH được thiết kế để tiêu thụ dòng điện lớn nên đắt hơn so với phiên bản thông thường.

Hình 3: Ưu điểm và hạn chế của pin NiMH

pin-nimh

Pin NiMH

Pin axit chì

Được phát minh bởi bác sĩ người Pháp Gaston Planté vào năm 1859, axit chì là loại pin sạc đầu tiên được sử dụng cho mục đích thương mại. Ngày nay, pin axit chì ngập nước được sử dụng trong ô tô, xe nâng và các hệ thống cung cấp điện liên tục (UPS) quy mô lớn.

Vào giữa những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại pin axit chì không cần bảo dưỡng, có thể hoạt động ở mọi vị trí. Chất điện phân lỏng được chuyển thành các lớp ngăn ẩm và vỏ pin được bịt kín. Van an toàn được bổ sung để cho phép xả khí trong quá trình sạc và xả.

Xuất phát từ các ứng dụng khác nhau, hai loại pin đã ra đời. Đó là pin axit chì kín cỡ nhỏ (SLA), còn được biết đến dưới thương hiệu Gelcell, và pin axit chì điều chỉnh van lớn (VRLA). Về mặt kỹ thuật, cả hai loại pin này đều giống nhau. (Các kỹ sư có thể cho rằng cụm từ "pin axit chì kín" là một cách gọi sai vì không có loại pin axit chì nào có thể kín hoàn toàn.) Do tập trung vào pin di động, chúng tôi tập trung vào SLA.

Không giống như ắc quy axit chì ngập nước, cả SLA và VRLA đều được thiết kế với điện thế quá áp thấp để ngăn ắc quy đạt đến điện thế sinh khí trong quá trình sạc. Sạc quá mức sẽ gây ra hiện tượng thoát khí và cạn kiệt nước. Do đó, những loại ắc quy này không bao giờ có thể được sạc đầy.

Axit chì không bị ảnh hưởng bởi bộ nhớ. Việc để pin ở chế độ sạc nổi trong thời gian dài không gây hư hỏng. Khả năng lưu trữ điện của pin là tốt nhất trong số các loại pin sạc. Trong khi NiCd tự xả khoảng 40% năng lượng lưu trữ trong ba tháng, SLA tự xả cùng mức năng lượng đó trong một năm. SLA có giá thành tương đối rẻ, nhưng chi phí vận hành có thể đắt hơn NiCd nếu cần sạc đầy pin liên tục.

SLA không hỗ trợ sạc nhanh — thời gian sạc thông thường là 8 đến 16 giờ. SLA phải luôn được bảo quản ở trạng thái sạc đầy. Việc để pin ở trạng thái xả sẽ gây ra hiện tượng sunfat hóa, khiến pin khó sạc lại, thậm chí là không thể sạc lại.

Không giống như NiCd, SLA không thích chu kỳ xả sâu. Việc xả hết điện gây ra áp lực lớn hơn và mỗi chu kỳ xả sẽ làm giảm một lượng nhỏ dung lượng của pin. Đặc tính hao mòn này cũng áp dụng cho các loại pin khác ở các mức độ khác nhau. Để tránh pin bị quá tải do xả sâu lặp đi lặp lại, nên sử dụng pin SLA dung lượng lớn hơn.

pin-axit-chi

Pin axit chì

Tùy thuộc vào độ sâu xả và nhiệt độ vận hành, SLA cung cấp 200 đến 300 chu kỳ xả/sạc. Nguyên nhân chính dẫn đến tuổi thọ tương đối ngắn của nó là sự ăn mòn lưới điện cực dương, sự cạn kiệt vật liệu hoạt động và sự giãn nở của các bản cực dương. Những thay đổi này thường xảy ra nhất ở nhiệt độ vận hành cao hơn. Chu kỳ xả/sạc không ngăn chặn hoặc đảo ngược xu hướng này.

Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin SLA và VRLA là 25°C (77°F). Theo nguyên tắc chung, cứ mỗi 8°C (15°F) nhiệt độ tăng sẽ làm giảm một nửa tuổi thọ pin. Pin VRLA có thể hoạt động được 10 năm ở 25°C nhưng chỉ hoạt động tốt trong 5 năm nếu hoạt động ở 33°C (95°F). Cùng loại pin này sẽ hoạt động được hơn một năm một chút ở nhiệt độ 42°C (107°F).

Trong số các loại pin sạc hiện đại, dòng pin axit chì có mật độ năng lượng thấp nhất, không phù hợp với các thiết bị cầm tay đòi hỏi kích thước nhỏ gọn. Ngoài ra, hiệu suất ở nhiệt độ thấp cũng kém.

SLA được đánh giá ở mức xả 5 giờ hoặc 0,2C. Một số loại pin thậm chí còn được đánh giá ở mức xả chậm 20 giờ. Thời gian xả dài hơn cho kết quả đo dung lượng cao hơn. SLA hoạt động tốt ở dòng điện xung cao. Trong các xung này, tốc độ xả có thể vượt quá 1C.

Về mặt xử lý, SLA ít gây hại hơn pin NiCd nhưng hàm lượng chì cao khiến SLA không thân thiện với môi trường.

Ưu điểm và hạn chế của pin axit chì

Thuận lợi

Giá thành rẻ và dễ sản xuất — xét về chi phí cho mỗi watt giờ, SLA là loại rẻ nhất.

Công nghệ hoàn thiện, đáng tin cậy và dễ hiểu — khi sử dụng đúng cách, SLA sẽ bền bỉ và cung cấp dịch vụ đáng tin cậy.

Tỷ lệ tự xả thấp —tỷ lệ tự xả nằm trong số thấp nhất trong các hệ thống pin sạc.

Yêu cầu bảo trì thấp — không cần bộ nhớ; không cần đổ chất điện phân.

Có khả năng xả với tốc độ cao.

Hạn chế

Không thể lưu trữ ở trạng thái xả.

Mật độ năng lượng thấp — mật độ trọng lượng/năng lượng thấp hạn chế việc sử dụng trong các ứng dụng cố định và có bánh xe.

Chỉ cho phép một số chu kỳ xả đầy hạn chế — rất phù hợp cho các ứng dụng dự phòng chỉ yêu cầu xả sâu thỉnh thoảng.

Không thân thiện với môi trường — chất điện phân và hàm lượng chì có thể gây hại cho môi trường.

Hạn chế vận chuyển axit chì ngập nước — có những lo ngại về môi trường liên quan đến sự cố tràn dầu trong trường hợp xảy ra tai nạn.

Hiện tượng mất ổn định nhiệt có thể xảy ra khi sạc không đúng cách.

Hình 4: Ưu điểm và hạn chế của pin axit chì.

Pin Lithium Ion

Công trình tiên phong về pin lithium bắt đầu vào năm 1912 dưới thời GN Lewis, nhưng phải đến đầu những năm 1970, pin lithium không sạc lại đầu tiên mới được thương mại hóa. Lithium là kim loại nhẹ nhất, có tiềm năng điện hóa lớn nhất và cung cấp mật độ năng lượng trên mỗi trọng lượng lớn nhất.

Những nỗ lực phát triển pin lithium sạc lại được tiếp nối vào những năm 1980, nhưng đã thất bại do các vấn đề về an toàn. Do tính không ổn định vốn có của kim loại lithium, đặc biệt là trong quá trình sạc, nghiên cứu đã chuyển sang pin lithium phi kim loại sử dụng ion lithium. Mặc dù mật độ năng lượng thấp hơn một chút so với kim loại lithium, Li-ion vẫn an toàn, miễn là tuân thủ một số biện pháp phòng ngừa nhất định khi sạc và xả. Năm 1991, Tập đoàn Sony đã thương mại hóa pin Li-ion đầu tiên. Các nhà sản xuất khác cũng làm theo. Ngày nay, pin Lithium là loại pin phát triển nhanh nhất và hứa hẹn nhất. 

Mật độ năng lượng của Li-ion thường gấp đôi NiCd tiêu chuẩn. Những cải tiến trong vật liệu hoạt động điện cực có tiềm năng tăng mật độ năng lượng gần gấp ba lần NiCd. Bên cạnh dung lượng cao, đặc tính tải cũng khá tốt và hoạt động tương tự NiCd về đặc tính xả (hình dạng biên dạng xả tương tự, nhưng điện áp khác nhau). Đường cong xả phẳng mang lại khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng được lưu trữ trong phổ điện áp mong muốn.

Điện áp cell cao cho phép bộ pin chỉ có một cell. Hầu hết điện thoại di động ngày nay sử dụng một cell duy nhất, một lợi thế giúp đơn giản hóa thiết kế pin. Để duy trì cùng một công suất, dòng điện được tiêu thụ cao hơn. Điện trở cell thấp rất quan trọng để cho phép dòng điện chạy không bị hạn chế trong các xung tải.

Pin Li-ion là loại pin ít cần bảo trì, một ưu điểm mà hầu hết các loại pin hóa học khác không thể có được. Pin không có bộ nhớ và không cần chu kỳ sạc định kỳ để kéo dài tuổi thọ. Hơn nữa, khả năng tự xả thấp hơn một nửa so với NiCd, khiến Li-ion rất phù hợp cho các ứng dụng đo nhiên liệu hiện đại. Pin Li-ion ít gây hại khi thải bỏ.

pin-axit-chi

Pin Lithium cho xe nâng, xe điện hiệu Interlift

Bên cạnh những ưu điểm tổng thể, Li-ion cũng có những nhược điểm riêng. Pin này dễ vỡ và cần có mạch bảo vệ để duy trì hoạt động an toàn. Được tích hợp trong mỗi bộ pin, mạch bảo vệ giới hạn điện áp đỉnh của mỗi cell trong quá trình sạc và ngăn điện áp cell giảm xuống quá thấp khi xả. Ngoài ra, nhiệt độ cell cũng được theo dõi để ngăn ngừa nhiệt độ quá cao. Dòng điện sạc và xả tối đa được giới hạn trong khoảng từ 1°C đến 2°C. Với những biện pháp phòng ngừa này, khả năng xảy ra hiện tượng mạ kim loại lithium do sạc quá mức hầu như được loại bỏ.

Lão hóa là một vấn đề đáng lo ngại với hầu hết pin Li-ion, và nhiều nhà sản xuất vẫn im lặng về vấn đề này. Dung lượng pin giảm sút đáng kể sau một năm, bất kể pin có được sử dụng hay không. Sau hai hoặc có lẽ ba năm, pin thường bị hỏng. Cần lưu ý rằng các hóa chất khác cũng có tác động thoái hóa theo tuổi tác. Điều này đặc biệt đúng với pin NiMH nếu tiếp xúc với nhiệt độ môi trường cao.

Bảo quản pin ở nơi thoáng mát sẽ làm chậm quá trình lão hóa của pin Li-ion (và các loại hóa chất khác). Nhà sản xuất khuyến nghị nhiệt độ bảo quản là 15°C (59°F). Ngoài ra, pin nên được sạc một phần trong quá trình bảo quản.

Các nhà sản xuất liên tục cải tiến thành phần hóa học của pin Li-ion. Cứ khoảng sáu tháng lại có những kết hợp hóa học mới và cải tiến được giới thiệu. Với tiến độ nhanh chóng như vậy, rất khó để đánh giá pin được cải tiến sẽ lão hóa tốt như thế nào.

Pin Li-ion tiết kiệm nhất về mặt chi phí/năng lượng là cell 18650 hình trụ. Loại cell này được sử dụng cho điện toán di động và các ứng dụng khác không yêu cầu hình dạng siêu mỏng. Nếu cần một bộ pin mỏng hơn (mỏng hơn 18 mm), cell Li-ion hình lăng trụ là lựa chọn tốt nhất. Mặc dù không có sự gia tăng mật độ năng lượng so với 18650, nhưng chi phí để có được cùng một mức năng lượng có thể tăng gấp đôi.

Đối với hình dạng siêu mỏng (dưới 4 mm), lựa chọn duy nhất là pin Li-ion polymer. Đây là hệ thống đắt nhất xét về tỷ lệ chi phí/năng lượng. Không có sự gia tăng về mật độ năng lượng và độ bền kém hơn so với pin 18560 bền bỉ.

Ưu điểm và hạn chế của pin Li-ion

Thuận lợi

Mật độ năng lượng cao — tiềm năng cho công suất cao hơn nữa.

Độ tự xả tương đối thấp — độ tự xả thấp hơn một nửa so với NiCd và NiMH.

Ít bảo trì — không cần xả định kỳ; không cần bộ nhớ

Hạn chế 

Cần có mạch bảo vệ — mạch bảo vệ giới hạn điện áp và dòng điện. Pin an toàn nếu không bị kích thích.

Pin có thể bị lão hóa ngay cả khi không sử dụng — bảo quản pin ở nơi thoáng mát và sạc ở mức 40% sẽ làm giảm tác động lão hóa.

Dòng xả vừa phải.

Tuân thủ các quy định về vận chuyển — việc vận chuyển pin Li-ion số lượng lớn có thể phải tuân theo quy định kiểm soát. Hạn chế này không áp dụng cho pin xách tay cá nhân.

Chi phí sản xuất đắt đỏ — cao hơn khoảng 40% so với NiCd. Kỹ thuật sản xuất tốt hơn và việc thay thế các kim loại hiếm bằng các lựa chọn thay thế có chi phí thấp hơn có thể sẽ giúp giảm giá thành.

Chưa hoàn toàn trưởng thành — những thay đổi trong sự kết hợp kim loại và hóa chất sẽ ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra pin, đặc biệt là với một số phương pháp kiểm tra nhanh.

Hình 5: Ưu điểm và hạn chế của pin Li-ion

Pin Lithium Polymer

Pin Li-polymer khác biệt so với các hệ thống pin khác ở loại chất điện phân được sử dụng. Thiết kế ban đầu, có từ những năm 1970, sử dụng chất điện phân polymer rắn khô. Chất điện phân này trông giống như một màng nhựa, không dẫn điện nhưng cho phép trao đổi ion (các nguyên tử hoặc nhóm nguyên tử tích điện). Chất điện phân polymer thay thế cho lớp phân cách xốp truyền thống, vốn được ngâm trong chất điện phân.

Thiết kế polymer khô mang lại sự đơn giản hóa về mặt chế tạo, độ bền, độ an toàn và hình dạng mỏng. Không có nguy cơ cháy nổ vì không sử dụng chất điện phân dạng lỏng hoặc dạng gel. Với độ dày cell pin chỉ một milimét (0,039 inch), các nhà thiết kế thiết bị có thể tự do sáng tạo về hình dạng, kích thước và kiểu dáng.

Đáng tiếc là Li-polymer khô có độ dẫn điện kém. Điện trở trong quá cao và không thể cung cấp dòng điện đột biến cần thiết cho các thiết bị truyền thông hiện đại và ổ cứng của thiết bị điện toán di động. Việc làm nóng pin đến 60°C (140°F) trở lên sẽ làm tăng độ dẫn điện, nhưng yêu cầu này không phù hợp cho các ứng dụng di động.

Để làm cho pin Li-polymer nhỏ dẫn điện, một số chất điện phân dạng gel đã được thêm vào. Hầu hết pin Li-polymer thương mại được sử dụng cho điện thoại di động ngày nay đều là loại lai và chứa chất điện phân dạng gel. Thuật ngữ chính xác cho hệ thống này là Lithium Ion Polymer . Vì lý do quảng cáo, hầu hết các nhà sản xuất pin đều ghi nhãn pin đơn giản là Li-polymer . Vì lithium polymer lai là loại pin polymer duy nhất có thể hoạt động được cho mục đích di động hiện nay, chúng ta sẽ tập trung vào thành phần hóa học này.

pin-axit-chi

Pin Polymer Ion

Sau khi thêm chất điện phân dạng gel, sự khác biệt giữa Li-ion cổ điển và polymer Li-ion là gì? Mặc dù đặc tính và hiệu suất của hai hệ thống rất giống nhau, nhưng polymer Li-ion lại độc đáo ở chỗ chất điện phân rắn thay thế lớp phân tách xốp. Chất điện phân dạng gel chỉ được thêm vào để tăng cường độ dẫn ion.

Những khó khăn kỹ thuật và sự chậm trễ trong sản xuất hàng loạt đã trì hoãn việc giới thiệu pin Li-ion polymer. Hơn nữa, tính ưu việt được hứa hẹn của pin Li-ion polymer vẫn chưa được hiện thực hóa. Không có cải tiến nào về dung lượng được thực hiện — thực tế, dung lượng của pin này thấp hơn một chút so với pin Li-ion tiêu chuẩn. Hiện tại, không có lợi thế về chi phí. Lý do chính để chuyển sang pin Li-ion polymer là hình dạng. Nó cho phép thiết kế hình học siêu mỏng, một phong cách được ngành công nghiệp điện thoại di động cạnh tranh cao yêu cầu.

Ưu điểm và hạn chế của pin Li-ion Polymer

Thuận lợi

Cấu hình rất thấp — pin có cấu hình giống như thẻ tín dụng là khả thi.

Hình thức linh hoạt — các nhà sản xuất không bị ràng buộc bởi định dạng cell pin tiêu chuẩn. Với khối lượng lớn, bất kỳ kích thước hợp lý nào cũng có thể được sản xuất một cách tiết kiệm.

Nhẹ – chất điện phân dạng gel thay vì dạng lỏng giúp đóng gói đơn giản hơn, trong một số trường hợp loại bỏ lớp vỏ kim loại.

Cải thiện độ an toàn — chống quá tải tốt hơn; ít có khả năng rò rỉ chất điện phân.

Hạn chế

Mật độ năng lượng thấp hơn và số chu kỳ giảm so với Li-ion — vẫn có tiềm năng cải tiến.

Chi phí sản xuất đắt đỏ — khi được sản xuất hàng loạt, polymer Li-ion có tiềm năng giảm chi phí. Mạch điều khiển được thu gọn giúp bù đắp chi phí sản xuất cao hơn.

 

 
Zalo Nhận tư vấn 0916929883