EnglishBiểu đồ các giai đoạn sạc pin lithium-ion
Sạc và xả pin là một phản ứng hóa học, nhưng Li-ion được cho là ngoại lệ. Các nhà khoa học về pin nói về năng lượng chảy vào và ra khỏi pin như một phần của chuyển động ion giữa cực dương và cực âm. Tuyên bố này có giá trị nhưng nếu các nhà khoa học hoàn toàn đúng thì pin sẽ tồn tại mãi mãi. Họ đổ lỗi cho sự suy giảm công suất là do các ion bị giữ lại, nhưng cũng như với tất cả các hệ thống pin, sự ăn mòn bên trong và các tác động thoái hóa khác lên chất điện phân và điện cực vẫn có tác động lớn lên pin.
Bộ sạc Li ion là một thiết bị có điện áp giới hạn và khá tương đồng với hệ thống axit chì. Sự khác biệt là cell li-ion có điện áp cao hơn, ít dung sai điện áp và không có hiện tượng sạc nhỏ giọt hoặc thả nổi khi sạc đầy. Trong khi axit chì có thể linh hoạt được thông số điện áp ngắt dòng, các nhà sản xuất li-ion rất nghiêm ngặt trong việc giữ cho thông số này được chính xác vì li-ion không chịu được quá sạc. Loại sạc “thần tiên” với quảng cáo có thể kéo dài tuổi thọ pin và thêm dung lượng cùng các thủ thuật khác thực sự không tồn tại. Li-ion sẽ chỉ nhận những gì nó có thể hấp thụ được mà thôi.
Sạc Li-ion gốc coban
Li-ion có vật liệu cathode truyền thống gồm coban, niken, mangan và nhôm thường sạc tới 4,20V/cell. Dung sai là +/–50mV/ cell. Một số loại làm từ niken có điện áp 4,10V/cell; Li-ion công suất cao có thể lên tới 4,30V/cell và cao hơn. Việc tăng điện áp sẽ làm tăng công suất, nhưng việc vượt quá thông số kỹ thuật sẽ gây căng thẳng cho pin và ảnh hưởng đến sự an toàn. BMS được tích hợp trong khối pin sẽ không cho phép vượt quá điện áp cài đặt.
Hình 1 cho thấy biểu đồ điện áp và dòng điện khi pin lithium-ion sạc qua các giai. Sạc đầy (ready) đạt được khi dòng điện giảm xuống nhỏ hơn 3 % Ah danh định.
Hình 1: Các giai đoạn sạc của lithium-ion [1]
Stage 1: Giai đoạn 1: Giai đoạn dòng sạc không đổi liên tục CCCV. Ở giai đoạn này điện áp tăng nhanh lên đỉnh 4.2V/ cell.
Stage 2: Giai đoạn 2: Sạc bão hòa (saturation charge): dòng sạc giảm dần, áp đạt đỉnh, dung lượng vẫn tiếp tục tăng dần tới 100%
Stage 3: Giai đoạn 3: Sạc no (Ready): Dừng sạc , dòng sạc bằng 0.
Stage 4: Giai đoạn 4: Sạc bù đắp thỉnh thoảng (topping charge): khi tự xả làm pin rơi xuống ngưỡng đỉnh và tới áp thấp hơn, topping charge sẽ khởi động và đưa áp về mức đỉnh.
Pin Li-ion được sạc đầy (ready) khi dòng điện giảm xuống mức đã đặt. Thay vì sạc nhỏ giọt (trickle charge), một số bộ sạc áp dụng sạc bổ sung (topping charge) khi điện áp giảm.
Tốc độ sạc được khuyến nghị của energy battery là từ 0,5C đến 1C; thời gian sạc đầy là khoảng 2–3 giờ. Các nhà sản xuất loại pin này khuyến nghị sạc ở dòng 0,8C trở xuống để kéo dài tuổi thọ pin; tuy nhiên, hầu hết các Pin Năng lượng đều có thể chịu mức điện tích C cao hơn mà ít bị căng thẳng. Hiệu suất sạc là khoảng 99 phần trăm và cell vẫn mát trong quá trình sạc.
Khi sạc, Pin Li-ion có thể bị tăng nhiệt độ lên khoảng 5°C được coi là bình thường, hiện tượng này có thể là do mạch bảo vệ và/hoặc tăng nội trở. Nếu pin tăng tới 10°C ở tốc độ sạc vừa phải, hãy ngừng sử dụng pin hoặc sạc.
Sạc đầy (ready) xảy ra khi pin đạt đến ngưỡng điện áp và dòng sạc giảm xuống còn 3% dòng định mức. Pin cũng được coi là đã sạc đầy nếu mức dòng điện giảm và không thể giảm thêm nữa. Nguyên nhân của việc này là do pin đã có vấn đề về hệ số tự xả cao (elevated self discharge).
Việc tăng dòng sạc không làm pin đạt mức sạc đầy nhanh hơn. Mặc dù pin đạt đến điện áp đỉnh nhanh hơn nhưng quá trình sạc bão hòa (saturation charge) sẽ mất nhiều thời gian hơn. Với dòng điện cao hơn, Giai đoạn 1 sẽ ngắn hơn nhưng độ bão hòa trong Giai đoạn 2 sẽ lâu hơn. Tuy nhiên, dòng sạc cao sẽ nhanh chóng làm đầy pin đến khoảng 70%.
làm việc đó. Trên thực tế, tốt hơn hết là bạn không nên sạc đầy vì điện áp cao sẽ gây căng thẳng Li-ion không cần phải sạc no như trường hợp của axit chì, và người ta cũng khuyến nghị không cho pin. Việc chọn ngưỡng điện áp thấp và hơn bỏ qua luôn bước sạc bão hòa sẽ kéo dài tuổi thọ pin nhưng điều này làm giảm thời gian hoạt động của pin.
Một số bộ sạc tiêu dùng phổ thông có thể sử dụng phương pháp đơn giản hóa để sạc pin lithium-ion trong một giờ hoặc ít hơn – bỏ qua Giai đoạn 2. Đèn xanh “Sẵn sàng” xuất hiện khi pin đạt đến ngưỡng điện áp tối đa ở Giai đoạn 1. Trạng thái sạc (SoC) tại thời điểm này là khoảng 85 %, mức đủ cho người tiêu dùng.
Một số bộ sạc công nghiệp đặt ngưỡng điện áp sạc thấp hơn nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ pin.
Việc sạc bão hòa giai đoạn 2 sẽ tăng công suất lên khoảng 10% nhưng gây thêm căng thẳng do điện áp cao.
Hiệu ứng lag – độ trễ giữa áp và dung lượng: Khi pin được bắt đầu sạc, điện áp sẽ tăng lên rất nhanh, trong khi dung lượng tăng lên từ từ, cuối cùng khi sạc gần đầy thì mới bắt kịp. Đây là lý do tại sao pin đã ổn áp mà vẫn chưa đầy.
( Hình 3 ). Đặc tính sạc này là điển hình của tất cả các loại pin. Dòng sạc càng cao thì độ trễ càng lớn. Nhiệt độ lạnh hoặc sạc pin nội trở lớn cũng sẽ khuếch đại hiệu ứng.
Hình 3: Biểu đồ điện áp và dung lượng so với thời gian khi sạc lithium-ion [1]
Vì lý do đó, ước tính SoC bằng cách đọc điện áp của pin sạc là không thực tế; đo điện áp mạch hở (OCV) sau khi pin đã nghỉ vài giờ là một chỉ báo tốt hơn. Giống như tất cả các loại pin, nhiệt độ ảnh hưởng đến OCV, vật liệu hoạt động của Li-ion cũng vậy. SoC của điện thoại thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị khác được ước tính bằng cách đếm Coulomb. (Xem: Cách đo trạng thái sạc )
Li-ion không thể hấp thụ quá mức. Khi được sạc đầy, dòng sạc phải được cắt. Việc sạc nhỏ giọt liên tục sẽ gây ra hiện tượng mạ lithium và ảnh hưởng đến độ an toàn. Để giảm thiểu căng thẳng, hãy hạn chế việc sạc pin lithium-ion tới áp tối đa càng ngắn càng tốt.
Sau khi ngừng sạc, điện áp pin bắt đầu giảm. Điều này làm giảm căng thẳng điện áp. Theo thời gian, điện áp mạch hở sẽ ổn định ở mức từ 3,70V đến 3,90V/cell. Lưu ý rằng pin Li-ion đã được sạc bão hòa hoàn toàn sẽ giữ điện áp ở mức cao lâu hơn so với pin chưa được sạc bão hòa.
Khi buộc phải cắm lithium-ion trong bộ sạc để sẵn sàng hoạt động, một số bộ sạc sẽ áp dụng một lần sạc đầy ngắn hạn để bù đắp cho lượng điện năng tự xả nhỏ của pin và mức tiêu thụ mạch BMS. Bộ sạc có thể khởi động khi điện áp mạch hở giảm xuống 4,05V/cell và tắt khi đạt mức 4,20V/cell. Các bộ sạc được thiết kế để sẵn sàng hoạt động hoặc ở chế độ chờ, thường để điện áp pin giảm xuống 4,00V/cell và chỉ sạc lại ở mức 4,05V/cell thay vì 4.2. Điều này làm giảm căng thẳng liên quan đến điện áp và kéo dài tuổi thọ pin.
Sạc pin Li-ion không có coban
Trong khi pin lithium-ion truyền thống có điện áp danh nghĩa của cell là 3,60V, thì Li-phosphate (LiFePO) lại có ngoại lệ với điện áp danh nghĩa của cell là 3,20V và sạc đến 3,65V. Pin Li-titanate (LTO) tương đối mới với điện áp danh nghĩa của cell là 2,40V và sạc đến 2,85V. (Xem: Các loại pin Lithium-ion)
Bộ sạc cho các pin Li-ion pha trộn không coban này không tương thích với pin Li-ion 3,60 volt thông thường. Cần phải xác định loại pin nào để dùng sạc tương thích. Pin lithium 3,60 volt trong bộ sạc được thiết kế cho Li-phosphate sẽ không nhận đủ điện tích; pin Li-phosphate trong bộ sạc thông thường sẽ gây ra tình trạng sạc quá mức.
Sạc quá mức pin Lithium-ion – overcharge lithium-ion battery
Sạc quá mức bao gồm:
- Sạc ở dòng cao hơn thông số cho phép.
- Sạc ở áp cao hơn áp cho phép.
- Sạc quá dòng / quá áp trong thời gian dài.
Pin Lithium-ion hoạt động an toàn trong phạm vi điện áp hoạt động được chỉ định; tuy nhiên, pin sẽ trở nên không ổn định nếu vô tình sạc ở mức điện áp cao hơn mức quy định. Sạc trong thời gian dài trên 4,30V trên pin Li-ion được thiết kế cho 4,20V/cell sẽ mạ lithium kim loại lên anode. Vật liệu cathode trở thành chất oxy hóa, mất độ ổn định và tạo ra carbon dioxide (CO2). Áp suất của cell tăng lên và nếu tiếp tục sạc, thiết bị ngắt dòng điện (CID) chịu trách nhiệm về an toàn cell sẽ ngắt kết nối ở mức 1.000–1.380kPa (145–200psi). Nếu áp suất tăng thêm, màng an toàn trên một số pin Li-ion sẽ nổ tung ở mức khoảng 3.450kPa (500psi) và cuối cùng cell thoát khí bằng ngọn lửa – Thermal runaway.
Thoát khí bằng ngọn lửa có liên quan đến nhiệt độ cao. Pin được sạc đầy có nhiệt độ thoát nhiệt thấp hơn và sẽ thoát ra sớm hơn pin được sạc một phần. Tất cả các loại pin lithium đều an toàn hơn khi sạc ở mức thấp hơn và đây là lý do tại sao các cơ quan chức năng sẽ yêu cầu vận chuyển Li-ion bằng đường hàng không khi pin ở mức sạc 30 phần trăm thay vì khi pin sạc đầy. (Xem: Vận chuyển pin lithium bằng đường hàng không)
Ngưỡng Li-coban khi pin sạc đầy là 130–150ºC (266–302ºF); niken-mangan-coban (NMC) là 170–180ºC (338–356ºF) và Li-mangan là khoảng 250ºC (482ºF). Li-phosphate có độ ổn định nhiệt độ tương tự và tốt hơn mangan. (Xem thêm BU-304a: Mối quan ngại về an toàn với Li-ion
Li-ion không phải là loại pin duy nhất gây nguy hiểm nếu sạc quá mức. Pin chì và niken cũng có thể bị tan chảy và gây cháy nếu xử lý không đúng cách. Thiết bị sạc được thiết kế phù hợp là tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống pin và cảm biến nhiệt độ là người canh gác đáng tin cậy.
Tóm tắt
Sạc pin lithium-ion đơn giản hơn so với các hệ thống dựa trên niken. Mạch sạc đơn giản; giới hạn điện áp và dòng điện dễ điều chỉnh hơn so với việc phân tích các đặc điểm điện áp phức tạp, thay đổi theo tuổi thọ của pin. Quá trình sạc có thể không liên tục và Li-ion không cần sạc bão hòa như axit chì. Điều này mang lại lợi thế lớn cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo như tấm pin mặt trời và tua-bin gió, những thứ không phải lúc nào cũng có thể sạc đầy pin. Việc không có điện tích nhỏ giọt giúp bộ sạc đơn giản hơn nữa. Sạc cân bằng, như yêu cầu đối với axit chì, không cần thiết đối với Li-ion.
Bộ sạc Li-ion tiêu dùng và hầu hết các bộ sạc công nghiệp đều sạc đầy pin. Chúng không cung cấp điện áp cuối sạc có thể điều chỉnh được để kéo dài tuổi thọ của Li-ion bằng cách hạ điện áp cuối sạc và chấp nhận thời gian chạy ngắn hơn. Các nhà sản xuất thiết bị lo ngại rằng tùy chọn như vậy sẽ làm phức tạp bộ sạc. Ngoại lệ là xe điện và vệ tinh không sạc đầy để đạt được tuổi thọ dài.
Hướng dẫn đơn giản để sạc pin Lithium
- Tắt thiết bị hoặc ngắt kết nối tải khi sạc để dòng điện giảm không bị cản trở trong quá trình bão hòa.
- Sạc ở nhiệt độ vừa phải. Không sạc ở nhiệt độ đóng băng. (Xem: Sạc ở nhiệt độ cao và thấp)
- Pin lithium-ion không cần phải được sạc đầy; sạc một phần sẽ tốt hơn.
- Không phải tất cả bộ sạc đều áp dụng chế độ sạc đầy và pin có thể không được sạc đầy khi tín hiệu “sẵn sàng” xuất hiện; mức sạc 100 phần trăm trên đồng hồ đo nhiên liệu có thể là sai.
- Ngừng sử dụng bộ sạc và/hoặc pin nếu pin quá nóng.
- Sau khi dùng pin gần hết, hãy đảm bảo sạc pin tới khoảng 40-50% trạng thái sạc SOC rồi mới đem lưu kho. (Xem Cách lưu kho pin li-ion)
