Sạc nhanh và cực nhanh (ultra fast charge) pin lithium có hại không

Sạc cực nhanh (ultra fast charge) là gì

Trong bài viết này chúng tôi đề cập tới sạc nhanh và cực nhanh cho các loại pin như li-ion, pin gốc Ni, pin axit chì. Bạn cần phân biệt “sạc nhanh” là loại phổ thông thường gặp, thường sạc trong vòng 3-6h với dòng nhỏ hơn 1C. Sạc cực nhanh (ultra fast charge) là loại đặc biệt, thời gian sạc từ 10 phút tới 1 giờ, và dòng cao từ 1-10C, chỉ được sử dụng trong một số trường hợp nhất định.

Có thể sạc cực nhanh cho pin không?

Câu trả lời ngắn gọn là có, đi kèm những điều kiện nhất định. 

Không nơi nào có nhu cầu sạc cực nhanh lớn hơn xe điện (EV). Việc sạc lại xe điện trong vài phút sẽ tạo nên sự tiện lợi tương tự việc đổ 50 lít nhiên liệu vào bình chứa 600kWh. Việc lưu trữ năng lượng lớn như vậy trong một thiết bị điện hóa là không thực tế vì một cục pin có dung lượng như vậy sẽ nặng tới 6 tấn. Hầu hết Li-ion chỉ tạo ra khoảng 150Wh mỗi kg; năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch cao hơn khoảng 100 lần.

Việc sạc xe điện sẽ luôn mất nhiều thời gian so với việc đổ xăng vào bình do pin cung cấp ít năng lượng hơn trên trọng lượng so với nhiên liệu hóa thạch. Việc vi phạm luật và buộc sạc cực nhanh sẽ gây thêm căng thẳng, ngay cả khi pin được thiết kế cho mục đích như vậy. Chúng ta phải nhớ rằng bản chất của pin là chậm chạp. Hãy ví pin như một người già đi, tình trạng thể chất trở nên kém sung mãn sau thời gian làm việc cùng với tuổi tác tăng cao. Khả năng sạc nhanh cũng vậy. Hãy giả định rằng 100% năng lượng sạc đều đi vào pin, dù được sạc chậm, nhanh hay cực nhanh. Pin là thiết bị phi tuyến tính và hầu hết các loại pin đều chấp nhận sạc nhanh từ trạng thái 0% tới khoảng 50% trạng thái sạc (SoC) với ít hao hụt. NiCd chấp nhận sạc nhanh tốt nhất và chịu ít áp lực nhất. Vấn đề căng thẳng xảy ra trong nửa sau của chu kỳ sạc cho đến khi sạc đầy khi quá trình “ăn thêm” khó khăn. Một cách ví von như khi ăn no rồi mà vẫn bắt ăn thêm món tráng miệng.

Áp dụng sạc cực nhanh khi pin cạn và sau đó giảm dần dòng điện khi đạt 50% SoC trở lên được gọi là sạc theo nấc (step charging). Ngành công nghiệp máy tính xách tay đã áp dụng tính năng sạc theo nấc trong nhiều năm, xe điện cũng vậy. Dòng sạc phải phù hợp với loại pin vì các hệ thống pin khác nhau có yêu cầu khác nhau về khả năng chấp nhận sạc. Các nhà sản xuất pin không công bố mức sạc trong thông số SOC. Những thông số này thuộc sở hữu trí tuệ được bảo hộ.

Nhiều nghiên cứu khoa học tuyên bố đạt được kết quả với sạc Li-ion bằng dòng ngắt quãng (pulse charge) thay vì sạc CCCV thông thường. Cộng đồng còn lại vô cùng hoài nghi về cách sạc này và họ chọn cách “chờ xem”.

Tương tự cơ thể chúng ta hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ 37°C, cơ chế vận chuyển cũng được cải thiện khi pin ấm. Xe điện hiện đại sẽ kích hoạt tính năng “sạc trước” để chuẩn bị nhiệt độ pin cho quá trình sạc nhanh đang chờ xử lý khi đang lái xe.

Các điều kiện cho phép sạc cực nhanh

1. Pin phải được thiết kế để có thể sạc cực nhanh và phải ở tình trạng tốt. Li-ion có thể được thiết kế để sạc nhanh trong khoảng 10 phút nhưng năng lượng riêng của loại pin như vậy sẽ thấp.
2. Sạc cực nhanh chỉ áp dụng từ pin đói tới khoảng 70% trạng thái sạc (SoC). Sau đó nên giảm dòng sạc.
3. Tất cả các cell trong khối phải được cân bằng và có điện trở cực thấp. Các cell đã già thường có điện trở và dung lượng khác nhau, gây ra sự không phù hợp và căng thẳng quá mức đối với các cell yếu hơn trong chuỗi.
4. Việc sạc cực nhanh chỉ có thể được thực hiện ở nhiệt độ vừa phải, vì nhiệt độ thấp sẽ làm chậm phản ứng hóa học. Năng lượng không sử dụng sẽ biến thành khí, mạ hóa kim loại và nhiệt.

Một bộ sạc cực nhanh có thể được so sánh với một chiếc tàu cao tốc ( Hình 1 ) đang di chuyển với tốc độ 300km / giờ. Đường ray sẽ chi phối tốc độ cho phép của tàu chứ không phải máy tàu. Theo cách tương tự, tình trạng của pin quyết định tốc độ sạc.

Hình 1: Tốc độ sạc cực nhanh có thể được so sánh với tàu cao tốc
Máy móc mạnh mẽ rất dễ chế tạo nhưng chính đường ray lại hạn chế tốc độ.

Bộ sạc cực nhanh được thiết kế tốt sẽ đánh giá tình trạng của pin và đưa ra các điều chỉnh tùy theo khả năng nhận sạc. Bộ sạc cũng phải bao gồm khả năng tản nhiệt và các tính năng an toàn khác để giảm dòng sạc khi đạt được một số điều kiện nhất định và  tự ngắt nếu pin bị căng thẳng quá mức.

Pin “thông minh” chạy trên SMBus hoặc các protocols khác chịu trách nhiệm về dòng điện sạc. Hệ thống sẽ quan sát tình trạng pin và giảm hoặc ngừng sạc nếu xảy ra bất thường. Những bất thường thường gặp là mất cân bằng cell hoặc cần hiệu chuẩn. Một số loại pin “thông minh” sẽ ngừng hoạt động nếu lỗi không được khắc phục.

 

Sạc 10 phút có thật không? hay vẫn còn là các nghiên cứu trên giấy tờ?

Ngành công nghiệp ô tô đang yêu cầu sạc cực nhanh. Các nghiên cứu khoa học đang theo hướng làm nóng pin Li-ion đến nhiệt độ ngăn chặn lớp mạ lithium đồng thời hạn chế sự hình thành màng bọc chất điện phân rắn – solid electrolyte interphase (SEI) – hiện tượng vốn xảy ra ở nhiệt độ cao. Nhiệt độ sạc được chọn là 60°C (140°F), được làm nóng bằng các bộ phận làm nóng trong suốt thời gian sạc và sau đó được làm mát xuống khoảng 24°C (75°F) bằng hệ thống làm mát tích hợp trên xe điện để hạn chế thời gian pin duy trì ở nhiệt độ cao. Điều này cho phép sạc Li-ion ở thông số 6C đến 80% trạng thái sạc SoC trong 10 phút.

Hình 2: số chu kỳ pin khi sạc nhanh ở các nhiệt độ khác nhau

Sạc ở nhiệt độ 60°C sẽ ngăn chặn lớp mạ lithium đồng thời ngăn chặn sự phát triển SEI do thời gian sạc ngắn ở nhiệt độ cao.

Công nghệ có tên Aligned Graphite® Technology tuyên bố sẽ giảm thời gian sạc từ 25 phút xuống chỉ còn 15 phút bằng cách sắp xếp lớp than chì trên anode theo thứ tự thẳng đứng. Battrion, một công ty con của Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zurich), cho biết định hướng này làm giảm khoảng cách di chuyển của lithium, cho phép dòng điện tích và phóng điện rất cao mà không bị suy giảm.

Hạn chế của pin Li-ion khi sạc cực nhanh:

Giảm tuổi thọ pin

Dòng sạc tối đa mà Li-ion có thể chấp nhận được điều chỉnh bởi thiết kế cell pin chứ không phải do vật liệu cathode như người ta thường hiểu nhầm. Mục đích là để tránh mạ lithium lên anode và giữ nhiệt độ trong tầm kiểm soát. Anode mỏng có độ xốp cao và các phân tử than chì nhỏ cho phép sạc cực nhanh nhờ diện tích bề mặt lớn. Pin năng lượng Power cell có thể được sạc và xả ở dòng điện cao nhưng mật độ năng lượng thấp. Trong khi đó, Pin năng lượng Energy cell có anode dày hơn và độ xốp thấp hơn và tốc độ sạc phải từ 1C trở xuống. Một số cell “lai” trong NCA (niken-coban-nhôm) có thể được sạc với dòng lớn hơn 1C mà ít gây ra căng thẳng gì.

Chỉ áp dụng sạc cực nhanh khi cần thiết. Bộ sạc cực nhanh được thiết kế tốt phải có các option lựa chọn thời gian sạc để người dùng tùy chọn chọn mức sạc ít gây căng thẳng nhất trong thời gian nhất định. Hình 3 so sánh vòng đời của pin lithium-ion thông thường khi được sạc và xả ở tốc độ 1C, 2C và 3C. Tuổi thọ ghi nhận dài hơn nếu sạc xả dưới 1C, 0,8C là tỷ lệ được khuyến nghị.

 

Hình 3: Hiệu suất chu kỳ của Li-ion với mức sạc và xả 1C, 2C và 3C

Sạc và xả Li-ion lớn hơn 1C làm giảm tuổi thọ. Sử dụng sạc và xả chậm hơn nếu có thể. Quy tắc này áp dụng cho hầu hết các loại pin.

Hiện tượng Mạ lithium và các vấn đề về an toàn

Hiện tượng mạ lithium (deposit lithium) xảy ra nếu tốc độ sạc vượt quá khả năng mà lithium có thể thẩm thấu vào anode than chì của Li-ion . Một màng lithium kim loại hình thành trên điện cực âm trải đều trên vật chủ hoặc bị hút về một vùng ở dạng phẳng, dạng rêu hoặc dạng đuôi gai. Dạng đuôi gai (dendrites) là một vấn đề lớn vì nó là nguyên nhân làm tăng độ tự xả và trong tình huống xấu gây ngắn mạch và xả khí bằng ngọn lửa (hiện tượng thermal runaway).

Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến hiện tượng mạ lithium như sau:

1. Hiện tượng mạ lithium tăng lên khi Li-ion được sạc cực nhanh ở nhiệt độ thấp
2. Hiện tượng mạ phát triển nếu Li-ion được sạc cực nhanh sau khi đã tới ngưỡng sạc nhanh SOC.
3. Sự tích tụ cũng được cho là tăng lên khi cell Li-ion già đi và có nội trở lớn.

Ngày này, người tiêu dùng càng ngày càng mong muốn sạc nhanh ở nhiệt độ thấp và điều này đặc biệt quan trọng với xe điện. Các giải pháp bao gồm thêm các chất phụ gia và dung môi điện phân đặc biệt, tỷ lệ điện cực âm và điện cực dương tối ưu và thiết kế cell đặc biệt.

Câu hỏi thường gặp: sạc cực nhanh có hại pin hay không?

Câu trả lời là; Sạc cực nhanh có thể gây hại pin nếu làm không đúng kỹ thuật. Bao gồm (1) sạc quá dòng thiết kế cho phép trong nhiệt độ thấp (2) bộ sạc rẻ tiền bị thất bại và không giảm dòng khi đạt ngưỡng, (3) bản thân pin đã già , nội trở cao dễ gây cháy nổ.

Câu hỏi thường gặp; “Tại sao bộ sạc cực nhanh chỉ sạc pin tới 70, 80% là dừng?”

Các nhà cung cấp sạc đã cài đặt điều này có chủ đích, nhằm giảm căng thẳng cho pin. Tuy nhiên, đây là một cách tự nhiên do điện áp và trạng thái sạc SOC có độ trễ tăng lên khi pin ở trạng thái sạc nhanh. Tốc độ sạc cực nhanh đẩy điện áp lên mức trần 4,20V/cell trong khi pin mới chỉ no một phần. Việc sạc no sẽ diễn ra với tốc độ sạc chậm hơn như một phần của quá trình bão hòa.

Lithium Titanate có thể là ngoại lệ và cho phép sạc cực nhanh mà không bị căng thẳng quá mức. Tính năng này có thể sẽ được sử dụng trong các xe điện trong tương lai; tuy nhiên, Li-titanate có năng lượng riêng thấp hơn Li-ion hỗn hợp coban và rất đắt tiền.

Niken-cadmium là một loại hóa chất pin khác có thể được sạc trong vài phút đến mức 70%. Giống như hầu hết các loại pin, mức chấp nhận sạc giảm xuống khi sạc đầy và dòng sạc phải giảm.

Tất cả các phương pháp cực nhanh đều cần năng lượng cao. Một trạm sạc xe điện cực nhanh tiêu thụ lượng điện tương đương cho 5 hộ gia đình. Sạc một hạm đội xe điện có thể làm điện của một thành phố bớt sáng!!!!

 

Bảng tóm tắt sạc các loại pin khác nhau

Tất cả các loại pin đều hoạt động tốt nhất ở nhiệt độ phòng và với mức sạc và xả vừa phải. Tình trạng lý tưởng đó không phải là thực tế khi khối pin luôn hoạt động trong điều kiện thời tiết nóng lạnh thất thường, cần sạc nhanh hơn, và xả cao hơn. (Ví dụ điển hình là máy bay không người lái drone và thiết bị điều khiển từ xa dành của các tay chơi). Hãy chuẩn bị tâm lý pin có tuổi thọ ngắn khi phải thỏa mãn quá nhiều mong mỏi đó.

Nếu yêu cầu sạc nhanh và tải cao là điều kiện tiên quyết thì Power Cell chắc chắn là lý tưởng; tuy nhiên, điều này làm tăng kích thước và trọng lượng của pin. Một sự tương tự là việc chọn một động cơ diesel hạng nặng để chạy một chiếc xe tải lớn thay vì một động cơ cải tiến được thiết kế cho một chiếc xe thể thao. Động cơ diesel lớn sẽ tồn tại lâu hơn động cơ nhẹ ngay cả khi cả hai đều có cùng mã lực. Sử dụng loại nặng hơn sẽ tiết kiệm hơn về lâu dài. Bảng 4 tóm tắt các đặc tính sạc của pin chì, niken và lithium.

Loại	Hoá học	tỷ lệ C	Thời gian	Nhiệt độ	Chấm dứt sạc
Sạc chậm	Axit chìNiCd	0,1C	14h	0°C đến 45°C	Sạc thấp liên tục hoặc hẹn giờ cố định. Có thể bị sạc quá mức. Tháo pin khi sạc.
Sạc nhanh cấp độ 1	NiCd, NiMH, Li-ion	0,3-0,5C	3-6h	10°C đến 45°C	Cảm nhận pin bằng điện áp, dòng điện, nhiệt độ và hẹn giờ hết thời gian.
Sạc nhanh cấp độ 2	NiCd, NiMH, Li-ion	1C	1h+	10°C đến 45°C	Tương tự như bộ sạc nhanh nhưng thời gian sạc rút ngắn.
Bộ sạc cực nhanh	Li-ion, NiCd, NiMH	1-10C	10-60 phút	10°C đến 45°C	Áp dụng mức sạc cực nhanh cho 70% SoC; chỉ sử dụng cho loại cell pin đặc biệt có thiết kế cho phép sạc cực nhanh.

Bảng 4: Đặc tính của bộ sạc.
Mỗi hóa chất sử dụng một điểm kết thúc điện tích duy nhất.

Kết luận: Những điều cần nhớ về sạc cực nhanh

• Sạc nhanh tốt hay sạc chậm tốt? Nếu có thể, hãy sạc ở mức vừa phải. Bộ sạc cực nhanh tốt sẽ cung cấp tùy chọn sạc ở tốc độ bình thường khi bạn có nhiều thời gian hơn để giảm bớt căng thẳng.
• Sạc nhanh và cực nhanh chỉ làm đầy một phần pin; điện tích bão hòa chậm hơn sẽ hoàn thành quá trình sạc. Không giống như axit chì, Li-ion không cần sạc bão hòa nhưng dung lượng sẽ thấp hơn một chút.
• Không sạc nhanh khi pin lạnh hoặc nóng. Chỉ sạc ở nhiệt độ vừa phải. Tránh sạc nhanh pin cũ hoặc hiệu suất thấp.