Sạc ở nhiệt độ cao và thấp – pin li-ion và axit chì

Bài viết này nghiên cứu việc sạc pin li-ion và axit chì ở nhiệt độ cao và thấp.

Nhiệt độ thông thường từ10°C đến 30°C, nhiệt độ cao và thấp được nhắc tới trong bài viết là khoảng nhiệt nằm ngoài ngưỡng thông thường, nhưng vẫn ở trong khoảng hoạt động an toàn của pin.

Sạc ở nhiệt độ cao hay thấp đối với li-ion và axit chì đều có rủi ro về cháy nổ nếu không biết xử lý đúng cách.

Khoảng nhiệt độ hoạt động an toàn của li-ion, axit chì

Pin hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng (xả), nhưng sạc pin là một chuyện khác. Nhiệt độ cực lạnh và cao làm giảm khả năng chấp nhận sạc và pin phải được đưa về nhiệt độ vừa phải trước khi sạc.

Pin axit chì và NiCd “dễ tính hơn” li-ion trong việc sạc. Chúng chấp nhận sạc dưới mức đóng băng ở tốc độ C giảm . Khi nói đến sạc lạnh, NiCd bền hơn NiMH.

Bảng 1 tóm tắt nhiệt độ sạc và xả cho phép của các loại pin sạc thông thường. Bảng này không bao gồm các loại pin chuyên dụng được thiết kế để sạc ngoài các thông số này.

Loại pin	Nhiệt độ sạc	Nhiệt độ xả	KHUYẾN NGHỊ SẠC
Axit chì	–20°C đến 50°C	–20°C đến 50°C	Sạc ở 0,3C hoặc thấp hơn dưới mức đóng băng. Giảm ngưỡng V xuống 3mV/°C khi nóng.
NiCd, NiMH	0°C đến 45°C	–20°C đến 65°C	Sạc ở 0,1C trong khoảng – 18°C ​​và 0°C. Sạc ở 0,3C trong khoảng 0°C và 5°C. Khả năng chấp nhận sạc ở 45°C là 70%. Khả năng chấp nhận sạc ở 60°C là 45%.
Li-ion	0°C đến 45°C	–20°C đến 60°C	Không được phép sạc ở nhiệt độ dưới mức đóng băng. Hiệu suất sạc/xả tốt ở nhiệt độ cao hơn nhưng tuổi thọ ngắn hơn.

Bảng 1: Giới hạn nhiệt độ cho phép đối với các loại pin khác nhau

Pin có thể xả trong phạm vi nhiệt độ lớn, nhưng nhiệt độ sạc bị hạn chế. Để có kết quả tốt nhất, hãy sạc ở nhiệt độ từ 10°C đến 30°C  Giảm dòng sạc khi lạnh.

Sạc ở nhiệt độ thấp

• Không sạc Lithium-ion ở 0°C:
• Sạc dưới 5°C với dòng thấp và thời gian sạc sẽ kéo dài. 
• Sạc nhanh chỉ có thể thực hiện từ 5°C đến 45°C

Li-ion có thể sạc nhanh từ 5°C đến 45°C. Dưới 5°C, dòng điện sạc phải giảm và không được phép sạc ở nhiệt độ đóng băng do tốc độ khuếch tán vào anode giảm. Trong quá trình sạc, điện trở bên trong của cell gây ra sự gia tăng nhiệt độ nhẹ để bù đắp cho một phần nhiệt độ lạnh. Điện trở bên trong của tất cả các loại pin đều tăng khi lạnh, kéo dài đáng kể thời gian sạc. Điều này cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xả của Li-ion. Đây là lý do tại sao trời lạnh sạc pin lithium lại nóng.

Nhiều người dùng pin không biết rằng pin lithium-ion tiêu dùng không thể sạc dưới 0°C (32°F). Mặc dù bộ pin có vẻ sạc bình thường, nhưng lớp mạ lithium kim loại xảy ra trên anode trong quá trình sạc dưới mức đóng băng dẫn đến suy giảm vĩnh viễn hiệu suất và độ an toàn. Pin có lớp mạ lithium dễ bị hỏng hơn nếu tiếp xúc với rung động hoặc các điều kiện căng thẳng khác. Bộ sạc tiên tiến sẽ không cho sạc Li-ion dưới mức đóng băng.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu để sạc Li-ion dưới nhiệt độ đóng băng. Thực tế, sạc có thể thực hiện được với hầu hết các cell pin lithium-ion nhưng chỉ ở dòng điện rất thấp. Theo các bài báo nghiên cứu, tốc độ sạc cho phép ở –30°C (–22°F) là 0,02C. Ở dòng điện thấp này, thời gian sạc sẽ kéo dài đến hơn 50 giờ, một khoảng thời gian được coi là không thực tế. Tuy nhiên, có những loại Li-ion chuyên dụng có thể sạc xuống tới –10°C (14°F) với tốc độ giảm.

Một số nhà sản xuất Li-ion cung cấp các cell tùy chỉnh để sạc lạnh. Cũng cần có bộ sạc chuyên dụng giúp giảm tỷ lệ C theo nhiệt độ và sạc pin đến mức điện áp đỉnh thấp hơn; 4,00V/cell thay vì 4,20V/cell thông thường chẳng hạn. Những hạn chế như vậy làm giảm năng lượng mà pin Li-ion có thể giữ xuống còn khoảng 80% thay vì 100% thông thường. Thời gian sạc cũng sẽ kéo dài và có thể kéo dài 12 giờ hoặc lâu hơn khi lạnh.

Pin Li-ion sạc dưới 0°C (32°F) cần phải được cấp chứng chỉ pháp lý để không xảy ra hiện tượng mạ lithium. Ngoài ra, bộ sạc cũng phải được thiết kế đặc biệt sẽ giữ dòng điện và điện áp được phân bổ trong giới hạn an toàn trong suốt dải nhiệt độ. Chứng nhận cho các loại pin và bộ sạc như vậy rất tốn kém, điều này làm tăng giá thành. Các yêu cầu pháp lý tương tự cũng áp dụng cho pin an toàn.

Có một số nhà sản xuất cell và bộ sạc tuyên bố sạc Li-ion ở nhiệt độ thấp; tuy nhiên, hầu hết các công ty không muốn chịu rủi ro về khả năng hỏng hóc và trách nhiệm liên đới. Đúng, Li-ion có thể sạc ở nhiệt độ thấp nhưng các phòng thí nghiệm nghiên cứu khi kiểm tra loại pin này cho thấy nhiều vấn đề đáng ngại.

Sạc ở nhiệt độ cao

Nhiệt là kẻ thù tồi tệ nhất của pin, bao gồm cả axit chì. Một bộ sạc có chức năng điều chỉnh theo nhiệt độ môi trường được cho là giúp kéo dài tuổi thọ pin thê 15%.  Mức khuyến nghị là giảm 3mV / cell nếu nhiệt độ tăng 1°C. Ví dụ: Nếu cài đặt điện áp nổi là 2,30V/cell ở 25°C, thì nếu nhiệt độ tăng lên 35°C, bộ sạc sẽ điều chỉnh sạc tới 2,27V/cell. Hoặc, nếu nhiệt độ giảm tới 15°C, bộ sạc sẽ sạc ở 2,33V/cell. Sự thay đổi 10°C này dẫn tới thay đổi 30mV.

Có thể sạc pin li-ion và axit chì ở nhiệt độ cao nhưng hãy sử dụng sạc chuyên dụng

Sạc này có khả năng điều chỉnh giới hạn điện áp và điện áp nổi theo nhiệt độ. Tuy nhiên, nếu không có sạc chuyên dụng, hãy đảm bảo giảm dòng sạc khi sạc ở nhiệt độ cao.

Bảng 2 chỉ ra điện áp đỉnh tối ưu ở nhiều nhiệt độ khác nhau khi sạc pin axit chì. Bảng này cũng bao gồm điện áp nổi được khuyến nghị khi ở chế độ chờ.

Trạng thái pin	-40°C (-40°F)	-20°C (-4°F)	0°C (32°F)	25°C (77°F)	40°C (104°F)
Giới hạn điện áp khi sạc	2,85V/cell	2,70V/ cell	2,55V/ cell	2,45V/ cell	2,35V/tế bào
Điện áp nổi khi sạc đầy	2,55V/cell hoặc thấp hơn	2,45V/cell hoặc thấp hơn	2,35V/cell hoặc thấp hơn	2,30V/cell hoặc thấp hơn	2,25V/cell hoặc thấp hơn

Bảng 3: Giới hạn điện áp khuyến nghị đối với pin axit chì khi sạc ở các nhiệt độ khác nhau. Tùy chỉnh điện áp kéo dài tuổi thọ pin khi hoạt động ở nhiệt độ khắc nghiệt.

Lithium-ion có thể sạc ở nhiệt độ cao nhưng tiếp xúc lâu với nhiệt sẽ làm giảm tuổi thọ.

Sạc và xả ở nhiệt độ cao có thể tạo ra khí có thể khiến cell hình trụ bị rò rỉ và pouch cell bị phồng lên. Nhiều bộ sạc cấm sạc ở nhiệt độ trên 50°C.

Một số loại pin lithium buộc phải làm việc trong môi trường nhiệt độ cao: ví dụ như pin trong dụng cụ phẫu thuật cần phải được khử trùng ở nhiệt độ 137°C trong tối đa 20 phút , hoặc đối với khoan dầu khí trong quá trình frackling, pin cũng phải tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Mất dung lượng ở nhiệt độ cao có mối quan hệ trực tiếp với trạng thái sạc (SoC). Hình 5 minh họa tác động của Li-coban (LiCoO2) , ban đầu được sạc xả ở nhiệt độ phòng (Room temperature – RT) , tiếp theo được làm nóng đến 130°C trong 90 phút và hoạt động ở 20, 50 và 100 % SoC. Không có mất dung lượng đáng chú ý ở nhiệt độ phòng. Ở 130°C với 20 % SoC, có thể thấy mất dung lượng nhẹ trong 10 chu kỳ. Mất mát này cao hơn với 50 phần trăm SoC và cho thấy tác động tàn phá khi xả ở mức sạc đầy.

Hình 3: Biểu đồ so sánh mất dung lượng ở nhiệt độ phòng (RT) và ở 130°C trong 90 phút ^[3]
Việc khử trùng pin cho dụng cụ phẫu thuật điện nên được thực hiện ở SoC thấp.

FAQ:

1.Tại sao trời lạnh sạc pin lại nóng?

Trong quá trình sạc, điện trở bên trong của cell gây ra sự gia tăng nhiệt độ nhẹ để bù đắp cho một phần nhiệt độ lạnh. Điện trở bên trong của tất cả các loại pin đều tăng khi lạnh, kéo dài đáng kể thời gian sạc. Điều này cũng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất xả của Li-ion. Đây là lý do tại sao trời lạnh sạc pin lithium lại nóng.

2. Tại sao điện thoại hết pin nhanh hơn vào mùa đông?

Tương tự bên trên, nội trở lớn ảnh hưởng tới cả hiệu xuất sạc và xả của pin.

3. Sạc pin ở nhiệt độ cao (hoặc thấp) có ảnh hưởng gì không?

Sạc ở nhiệt độ cao hay thấp đều làm pin bị stress, giảm dung lượng không thể hồi phục, giảm tuổi thọ và có thể gây ra rủi ro về an toàn.

4. Các khuyến nghị khi sạc ở nhiệt độ cao và thấp. 

Tốt nhất nên sạc pin ở nhiệt độ phòng. Nếu không thể tránh được việc pin phải làm việc trong nhiệt độ khắc nghiệt, hãy đảm bảo thời gian ngắn nhất có thể. Hãy sử dụng sạc chuyên dụng và giảm dòng sạc. Khi pin nóng, hãy giữ pin hoạt động ở trạng thái sạc SOC thấp.