Các loại pin sơ cấp

Pin sơ cấp, hay còn gọi là pin không thể sạc lại (loại dùng 1 lần rồi bỏ), gần đây bị lu mờ dưới ánh đèn sân khấu của truyền thông đối với pin sạc lại. Tuy nhiên, việc không phải là trung tâm sự chú ý không có nghĩa công nghệ pin này là cũ kỹ, lạc hậu hay lỗi thời. Thực tế không phải vậy.

Pin sơ cấp đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt khi việc sạc lại là không thể, chẳng hạn như trong chiến đấu quân sự, cứu hộ hoặc cứu hỏa rừng. Được quản lý theo tiêu chuẩn IEC 60086, pin sơ cấp còn phục vụ máy điều hòa nhịp tim ở bệnh nhân tim, đồng hồ đo áp suất lốp trong xe, đồng hồ thông minh, mũi khoan thông minh trong khai thác mỏ, theo dõi động vật, đèn hiệu từ xa, cũng như đồng hồ đeo tay, điều khiển từ xa, chìa khóa điện và đồ chơi trẻ em

Hầu hết pin máy điều hòa nhịp tim cấy ghép đều có gốc lithium, chỉ tiêu thụ 10–20 microamper (µA) và có tuổi thọ từ 5–10 năm. Nhiều pin máy trợ thính cũng là loại sơ cấp có dung lượng từ 70–600mAh, sử dụng được từ 5–14 ngày trước khi cần thay thế. Phiên bản có thể sạc lại cung cấp ít dung lượng hơn trên mỗi kích thước và thọ được khoảng 20 giờ. Tiết kiệm chi phí là ưu điểm lớn nhất của pin thứ cấp.

Năng lượng riêng cao, thời gian lưu trữ lâu và khả năng làm việc ngay lập tức mang lại cho pin sơ cấp một lợi thế đặc biệt so với các nguồn năng lượng khác. Chúng có thể được mang đến những địa điểm xa và sử dụng ngay lập tức, ngay cả sau khi bảo quản trong thời gian dài; chúng cũng sẵn sàng hoạt động và thân thiện với môi trường khi thải bỏ.

Pin sơ cấp phổ biến nhất là alkaline. Nó có năng lượng riêng cao và tiết kiệm chi phí, thân thiện với môi trường và không bị rò rỉ ngay cả khi đã xả hết. Alkaline có thể được lưu trữ tới 10 năm, có “lý lịch” an toàn và có thể được vận chuyển trên máy bay mà không phải tuân theo Quy định vận tải của Liên hợp quốc và các quy định khác. Nhược điểm là dòng điện tải thấp, vì vậy các ứng dụng của chúng khá hạn chế và được sử dụng ở những tải nhẹ như điều khiển từ xa, đèn pin và các thiết bị giải trí cầm tay.

Khi cần dung lượng cao hơn và khả năng tải tốt hơn, người ta dùng pin lithium-kim loại. Những sản phẩm này có hướng dẫn vận chuyển hàng không rất nghiêm ngặt và phải tuân theo Quy định về hàng hóa nguy hiểm liên quan đến vật liệu nguy hiểm Loại 9.

 

Hình 1: So sánh năng lượng riêng của ắc quy axit chì, NiMH và Li-ion ở dạng thứ cấp, cũng như alkaline và pin lithium gốc kim loại ở dạng pin sơ cấp.

Ghi chú: Năng lượng riêng chỉ cho biết dung lượng mà pin có thể chứa mà không bao gồm khả năng cung cấp năng lượng, điểm yếu của hầu hết các loại pin sơ cấp. Nhà sản xuất pin sơ cấp công bố thông số năng lượng riêng; còn công suất riêng hiếm khi được công bố. Trong khi hầu hết các pin thứ cấp có dòng xả tiêu chuẩn 1C, dung lượng trên pin sơ cấp dành cho người tiêu dùng , dòng điện rất thấp là 25mA. Ngoài ra, pin alkaline được phép xả từ mức danh định 1,5V xuống 0,8V trước khi được coi là đã xả hết. Điều này mang lại các thông số ấn tượng trên giấy, nhưng kết quả sẽ “không đẹp” hơn khi sử dụng cho các thiết bị cần tải cao hơn.

Hình 2 so sánh biểu hiện của pin sơ cấp và pin thứ cấp theo các thông số “trên nhãn” và “Thực tế”. “Trên nhãn” đề cập đến năng lượng riêng cụ thể khi phóng điện ở dòng điện rất thấp; “thực tế” là xả 1C – dòng tiêu chuẩn sử dụng để đánh giá pin thứ cấp. Hình minh họa rõ ràng rằng pin kiềm sơ cấp hoạt động tốt với tải nhẹ đặc trưng của các thiết bị giải trí, trong khi pin thứ cấp đại diện là ắc quy axit chì, NiMH và Li-ion có dung lượng định danh thấp hơn nhưng biểu hiện tót hơn khi tải dòng 1C.

Một trong những nguyên nhân dẫn đến hiệu suất thấp trong điều kiện tải là điện trở trong của pin sơ cấp cao, khiến điện áp sụt giảm. Điện trở xác định cường độ dòng điện chạy qua vật liệu hoặc thiết bị và được đo bằng ohm (Ω). Khi pin giảm năng lượng trong quá trình xả, điện trở vốn đã tăng cao sẽ tăng thêm. Máy ảnh kỹ thuật số có pin sơ cấp là loại nằm trong ranh giới, trong khi một máy công cụ cầm tay chạy bằng pin alkaline là điều không thực tế. Pin alkaline qua sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số thường để lại đủ năng lượng để chạy đồng hồ trong bếp của bạn trong hai năm.

Hình 3: thể hiện dung lượng của các loại pin alkaline phổ biến trên thị trường dùng để chạy các thiết bị giải trí cá nhân hoặc đèn flash

AA và AAA là các định dạng cell phổ biến nhất của pin sơ cấp. Được biết đến như pin cho đèn bỏ túi, AA được cung cấp rộng rãi cho công chúng vào năm 1915 và được sử dụng làm công cụ gián điệp trong Thế chiến thứ nhất; Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ đã chuẩn hóa định dạng này vào năm 1947. AAA được phát triển vào năm 1954 để giảm kích thước của máy ảnh Kodak và Polaroid cũng như thu nhỏ các thiết bị cầm tay khác. Vào những năm 1990, một nhánh của pin 9V đã sản xuất AAAA cho con trỏ laser, đèn bút LED, bút stylus máy tính và bộ khuếch đại tai nghe. (9V sử dụng sáu pin AAAA mắc nối tiếp.)

Hình 4 so sánh các loại pin sơ cấp khác nhau.

 

Cell pin AA có dung lượng gấp đôi pin AAA nhỏ hơn nhưng mức giá gần bằng nhau. Điều này làm đơn giá năng lương của pin AAA gấp đôi so với AA. Chi phí năng lượng thường chỉ là nhân tố xếp thứ 2 so với kích cỡ pin. Đây là trường hợp của đèn xe đạp, trong đó định dạng AA sẽ chỉ tăng kích thước của đèn một chút nhưng có thể mang lại thời gian chạy gấp đôi với cùng một mức chi phí.

Giá bán lẻ của pin AA alkaline của các hãng khác nhau rất khác nhau, hiệu suất cũng vậy. Exexpon Inc., một công ty kỹ thuật của Hoa Kỳ, đã kiểm tra dung lượng của tám cục pin kiềm có thương hiệu trên thị trường và phát hiện ra sự khác biệt 800% giữa hiệu suất cao nhất và thấp nhất. Tiêu chuẩn kiểm tra dựa trên việc đếm số lần chụp của máy ảnh kỹ thuật số cho đến khi cạn pin, một bài kiểm tra xem xét dung lượng và khả năng tải của pin.

Kết luận:

Pin sơ cấp rất thiết thực cho các ứng dụng tiêu thụ điện không thường xuyên nhưng sẽ trở nên đắt đỏ khi sử dụng liên tục. Giá sẽ tiếp tục tăng nếu sau mỗi lần sử dụng lại phải thay thế khối pin, kể cả không tính tới độ dài thời gian hoạt động. Việc loại bỏ pin đã sử dụng một phần là điều phổ biến, đặc biệt là trong các ứng dụng quân đội và các nhiệm vụ quan trọng vì việc thay thế pin mới sau mỗi lần công vụ dễ dàng hơn nhiều so với việc đoán dung lượng còn lại. Tại một hội nghị về pin, một tướng quân đội Hoa Kỳ cho biết một nửa số pin bị loại bỏ vẫn còn 50% năng lượng.

Tình trạng sạc của pin sơ cấp có thể được ước tính bằng cách đo nội trở. Mỗi loại pin cần có bảng tra cứu riêng vì đặc tính điện trở có thể khác nhau. Một phương pháp chính xác hơn là đếm Coulomb để quan sát năng lượng thoát ra ngoài, nhưng phương pháp này đòi hỏi một mạch điện đắt tiền hơn và hiếm khi được thực hiện.