EnglishCách kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion
Cộng đồng khoa học đang đặt cược tương lai vào lithium. Điều này có cơ sở do tính ưu việt mà lithium thể hiện vượt trội so với các hóa chất khác. Chúng đang thay thế dần các ứng dụng sử dụng axit chì vốn phổ dụng. Ngay cả vệ tinh cũng đang được cấp năng lượng bằng pin li-ion.
Lithium-ion vẫn chưa hoàn thiện hoàn toàn và vẫn đang được cải thiện. Những tiến bộ đáng kể đã được thực hiện về tuổi thọ và độ an toàn trong khi dung lượng đang tăng dần. Ngày nay, Li-ion đáp ứng được kỳ vọng của hầu hết các thiết bị tiêu dùng nhưng pin cho EV cần được phát triển thêm trước khi nguồn điện này trở thành chuẩn mực được chấp nhận.
Các Nguyên nhân nào khiến pin Lithium-ion bị lão hóa?
Pin lithium-ion hoạt động dựa trên chuyển động của các ion giữa các điện cực dương và âm. Về mặt lý thuyết, cơ chế này sẽ hoạt động mãi mãi, nhưng chu kỳ, nhiệt độ cao và lão hóa làm giảm hiệu suất theo thời gian. Các nhà sản xuất áp dụng cách tiếp cận thận trọng và chỉ định tuổi thọ của pin Li-ion trong hầu hết các sản phẩm tiêu dùng là từ 300 đến 500 chu kỳ xả/sạc.
Vào năm 2020, pin đeo nhỏ chạy được 300 chu kỳ trong khi điện thoại thông minh hiện đại có yêu cầu về vòng đời là >800. Những tiến bộ lớn nhất được thực hiện trong pin EV với pin một triệu dặm đại diện cho 5.000 chu kỳ.
Đánh giá tuổi thọ pin dựa trên chu kỳ đếm không phải là kết luận cuối cùng vì mức độ xả có thể khác nhau và không có tiêu chuẩn rõ ràng nào về những gì cấu thành nên một chu kỳ . Thay vì đếm chu kỳ, một số nhà sản xuất thiết bị đề xuất thay pin theo dấu ngày, nhưng phương pháp này không tính đến mức sử dụng. Pin có thể hỏng trong thời gian quy định do sử dụng nhiều hoặc điều kiện nhiệt độ không thuận lợi; tuy nhiên, hầu hết các bộ pin đều có tuổi thọ dài hơn đáng kể so với những gì dấu chỉ ra.
Hiệu suất của pin được đo bằng dung lượng, một chỉ số sức khỏe hàng đầu. Điện trở bên trong và tự xả cũng đóng vai trò, nhưng với pin Li-ion hiện đại đã cải tiến, hai tiêu chí này ít quan trọng hơn nhiều trong việc dự đoán khi nào pin chết.
Hình 1 minh họa sự sụt giảm dung lượng của 11 pin Li-polymer đã được chạy tuần hoàn tại phòng thí nghiệm Cadex. Các cell dạng túi 1.500mAh dành cho điện thoại di động đầu tiên được sạc ở dòng điện 1.500mA (1C) đến 4,20V/cell và sau đó được để bão hòa đến 0,05C (75mA) như một phần của quá trình bão hòa sạc đầy. Sau đó, các pin được xả ở mức 1.500mA đến 3,0V/cell và chu kỳ được lặp lại. Sự sụt giảm dung lượng dự kiến của pin Li-ion là đồng đều trong 250 chu kỳ đã cung cấp và các pin hoạt động như mong đợi.
Hình 1: Giảm dung lượng như một phần của chu kỳ [1]
Mười một pin Li-ion mới đã được thử nghiệm trên máy phân tích pin Cadex C7400. Tất cả các khối pin đều bắt đầu ở mức dung lượng 88–94% và giảm xuống còn 73–84% sau 250 chu kỳ xả đầy. Các khối pin 1500mAh được sử dụng trong điện thoại di động.
Mặc dù pin phải cung cấp 100 % dung lượng trong năm đầu tiên sử dụng, nhưng tình trạng chung là dung lượng pin thực tế thấp hơn danh định, thời hạn sử dụng có thể góp phần gây ra tình trạng mất mát này. Ngoài ra, các nhà sản xuất biết rằng rất ít người dùng sẽ kiểm tra ngẫu nhiên và trả lại nếu pin yếu sau thời gian ngắn. Vì vậy, các cell có dung lượng thấp hơn có thể “lọt lưới” mà người tiêu dùng không biết.
Tương tự như một thiết bị cơ học bị xuống mã nhanh hơn khi tải nặng, độ sâu xả (Depth of Discharge – DoD) quyết định số chu kỳ của pin. DoD càng thấp thì pin sẽ càng bền. Nếu có thể, hãy tránh xả hết và sạc pin thường xuyên hơn giữa các lần sử dụng. Xả bán phần trên Li-ion là việc được khuyến khích. Pin không có bộ nhớ và không cần chu kỳ xả hết định kỳ để kéo dài tuổi thọ.
Các bảng sau đây chỉ ra tổn thất công suất liên quan đến ứng suất trên lithium-ion gốc coban. Điện áp của lithium sắt phosphate và lithium titanate thấp hơn và không áp dụng cho các tham chiếu điện áp đã cho.
| Ghi chú: | Bảng 2, 3 và 4 chỉ ra xu hướng lão hóa chung của pin Li-ion gốc coban thông thường về độ sâu xả, nhiệt độ và mức sạc, Bảng 6 xem xét thêm về mất dung lượng khi hoạt động trong băng thông xả và băng thông cho trước. Các bảng không đề cập đến việc sạc cực nhanh và xả tải cao sẽ làm giảm tuổi thọ pin. Không phải tất cả các loại pin đều có phản ứng giống nhau. |
Độ sâu xả DOD
Bảng 2 ước tính số chu kỳ xả/sạc mà Li-ion có thể cung cấp ở nhiều mức DoD khác nhau trước khi dung lượng pin giảm xuống 70 %. DoD bao gồm một lần sạc đầy tiếp theo là một lần xả đến mức trạng thái sạc (SoC) được hiển thị trong bảng.
| Độ sâu xả | Chu kỳ xả | |
| NMC | Pin LiPO4 | |
| 100% DoD | ~300 | ~600 |
| 80% DoD | ~400 | ~900 |
| 60% DoD | ~600 | ~1.500 |
| 40% DoD | ~1.000 | ~3.000 |
| 20% DoD | ~2.000 | ~9.000 |
| 10% DoD | ~6.000 | ~15.000 |
Bảng 2: Tuổi thọ theo độ sâu xả*
Xả bán phần làm giảm stress và kéo dài tuổi thọ pin, hiện tượng này cũng tương tự sạc một phần.
* 100% DoD là một chu kỳ sạc xả đầy đủ; 10% thì thời gian xả là rất ngắn.
KẾT LUẬN: DOD càng thấp thì số chu kỳ càng dài. Sạc xả ở trạng thái sạc giữa sẽ giúp pin có tuổi thọ tốt nhất.
Nhiệt độ môi trường và trạng thái sạc SOC
Pin lithium-ion bị căng thẳng khi tiếp xúc với nhiệt, cũng như việc giữ một cell ở điện áp sạc cao. Pin ở nhiệt độ >30°C được coi là nhiệt độ cao và đối với hầu hết pin Li-ion, điện áp trên 4,10V/cell được coi là điện áp cao . Việc để pin ở nhiệt độ cao và ở trạng thái sạc đầy trong thời gian dài có thể gây stress nhiều hơn sự lão hóa tự nhiên do sử dụng. Bảng 3 minh họa mất dung lượng theo chức năng của nhiệt độ và SoC.
| Nhiệt độ | Sạc 40% | Sạc 100% |
| 0°C | 98% (sau 1 năm) | 94% (sau 1 năm) |
| 25°C | 96% (sau 1 năm) | 80% (sau 1 năm) |
| 40°C | 85% (sau 1 năm) | 65% (sau 1 năm) |
| 60°C | 75% (sau 1 năm) | 60% (sau 3 tháng) |
Bảng 3: Dung lượng có khả năng khôi phục được khi lưu trữ Li-ion trong một năm ở nhiều nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ mất dung lượng vĩnh viễn. Không phải tất cả các hệ thống Li-ion đều hoạt động giống nhau.
Hầu hết các pin Li-ion sạc đến 4,20V/cell, và mỗi lần giảm điện áp sạc đỉnh 0,10V/cell được cho là sẽ tăng gấp đôi tuổi thọ chu kỳ. Ví dụ, một cell pin lithium-ion được sạc đến 4,20V/cell thường chạy được 300–500 chu kỳ. Nếu chỉ sạc đến 4,10V/cell, tuổi thọ có thể kéo dài đến 600–1.000 chu kỳ; 4,0V/cell sẽ cung cấp 1.200–2.000 và 3,90V/cell sẽ cung cấp 2.400–4.000 chu kỳ.
Về mặt tiêu cực, điện áp sạc đỉnh thấp hơn làm dung lượng pin có thể lưu trữ ít hơn. Theo hướng dẫn đơn giản, cứ mỗi lần giảm 70mV điện áp sạc sẽ làm giảm dung lượng tổng thể đi 10 %. Áp dụng điện áp sạc đỉnh vào lần sạc tiếp theo sẽ khôi phục lại toàn bộ dung lượng.
Về mặt tuổi thọ, điện áp sạc tối ưu là 3,92V/cell. Các chuyên gia về pin tin rằng ngưỡng này loại bỏ mọi căng thẳng liên quan đến điện áp; việc giảm xuống có thể không mang lại thêm lợi ích nhưng lại gây ra các triệu chứng khác (Xem Nguyên nhân khiến Li-ion chết? ) Bảng 4 tóm tắt dung lượng theo mức điện áp sạc.
| Mức sạc* (V/cell) | Chu kỳ xả | Năng lượng lưu trữ có sẵn ** |
| 4.20 | 300–500 | 100% |
| 4.13 | 400–700 | 90% |
| 4.06 | 600–1.000 | 81% |
| 4,00 | 850–1.500 | 73% |
| 3,92 | 1.200–2.000 | 65% |
| 3,85 | 2.400–4.000 | 60% |
Bảng 4: số chu kỳ xả và dung lượng biến thiên theo giới hạn điện áp sạc
Mỗi lần giảm 0,10V xuống dưới 4,20V/cell sẽ tăng gấp đôi chu kỳ nhưng giữ ít dung lượng hơn. Tăng điện áp lên trên 4,20V/cell sẽ làm giảm tuổi thọ. Các số liệu phản ánh quá trình sạc Li-ion thường xuyên lên 4,20V/cell.
Hướng dẫn: Mỗi lần giảm 70mV điện áp sạc sẽ làm giảm dung lượng sử dụng khoảng 10%.
Lưu ý: Sạc một phần để kéo dài tuổi thọ sẽ làm mất đi ưu thế của Li-ion về mặt năng lượng riêng cao.
Thí nghiệm: Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, báo cáo rằng việc sử dụng mức sạc giảm 50% SOC có thể tăng tuổi thọ của pin Li-ion trên xe lên 44–130%.
Hầu hết các bộ sạc cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy tính bảng và máy ảnh kỹ thuật số sạc Li-ion đến 4,20V/cell. Điều này cho phép công suất tối đa, vì người tiêu dùng không muốn gì ngoài thời gian chạy tối ưu. Mặt khác, ngành công nghiệp quan tâm nhiều hơn đến tuổi thọ và có thể chọn ngưỡng điện áp thấp hơn (Vệ tinh và xe điện là những ví dụ như vậy).
Kết luận: Nhiệt độ môi trường và SOC tăng tỷ lệ thuận với tốc độ mất dung lượng của pin.
Điện áp sạc
Vì lý do an toàn, nhiều loại pin lithium-ion không thể vượt quá 4,20V/cell. (Một số NMC là ngoại lệ.) Trong khi điện áp cao hơn làm tăng dung lượng, vượt quá điện áp sẽ làm giảm tuổi thọ và ảnh hưởng đến tính an toàn. Hình 5 minh họa số chu kỳ như một hàm của điện áp sạc. Ở mức 4,35V, số chu kỳ của pin Li-ion thông thường bị giảm đi một nửa.
Hình 5: Điện áp sạc cao ảnh hưởng tới số chu kỳ sạc xả.
Điện áp sạc cao hơn làm tăng dung lượng nhưng làm giảm tuổi thọ chu kỳ và ảnh hưởng đến độ an toàn.
Bên cạnh việc lựa chọn ngưỡng điện áp phù hợp nhất cho một ứng dụng nhất định, một pin Li-ion thông thường không nên duy trì ở mức điện áp cao là 4,20V/cell trong thời gian dài. Bộ sạc Li-ion sẽ tắt dòng điện sạc và điện áp pin sẽ trở lại mức tự nhiên hơn. Điều này giống như việc thư giãn cơ sau khi tập thể dục vất vả (Xem Sạc pin Lithium-ion )
Kết luận: Điện áp sạc cao làm giảm tuổi thọ pin và ảnh hưởng tới sự an toàn khi vượt quá 4.35V/Cell
Các trường hợp băng thông sạc xả
Hình 6 minh họa các bài kiểm tra dynamic stress tests (DST) phản ánh tình trạng mất dung lượng khi sạc Li-ion theo chu kỳ ở nhiều băng thông sạc và xả khác nhau. Mất dung lượng lớn nhất xảy ra khi xả một Li-ion đã sạc đầy đến 25 % SoC (màu đen); mức mất sẽ cao hơn nếu xả hoàn toàn. Chu kỳ giữa 85 và 25 % (màu xanh lá cây) cung cấp tuổi thọ dài hơn so với sạc đến 100 % và xả đến 50 % (màu xanh lam đậm). Mất dung lượng nhỏ nhất đạt được bằng cách sạc Li-ion đến 75 % và xả đến 65 %. Tuy nhiên, điều này không tận dụng hết pin. Điện áp cao và tiếp xúc với nhiệt độ cao được cho là làm pin xuống cấp nhanh hơn so với chu kỳ trong điều kiện bình thường.
Hình 6: Mất dung lượng ở các tình huống băng thông sạc xả khác nhau
Sạc và xả Li-ion chỉ kéo dài một phần tuổi thọ pin nhưng làm giảm mức sử dụng.
- Trường hợp 1: SoC 75–65% cung cấp chu kỳ sống dài nhất nhưng chỉ cung cấp 90.000 đơn vị năng lượng (EU). Sử dụng 10% pin.
- Trường hợp 2: 75–25% SoC có 3.000 chu kỳ (đến 90% dung lượng) và cung cấp 150.000 EU. Sử dụng 50% pin. (Pin EV, mới.)
- Trường hợp 3: 85–25% SoC có 2.000 chu kỳ. Cung cấp 120.000 EU. Sử dụng 60% pin.
- Trường hợp 4: 100–25% SoC; thời gian chạy dài với 75% pin sử dụng. Có tuổi thọ ngắn. (Điện thoại di động, máy bay không người lái, v.v.)
Kết luận: Sạc tới 75% rồi xả tới 25% SOC là cách kéo dài tuổi thọ và tận dụng tốt dung lượng của pin. Điều này phù hợp với pin xe điện hoặc pin cho vệ tinh. Ngoài ra, trường hợp 4 giành cho máy tính xách tay, điện thoại di động, drone… với thời gian sử dụng dài nhất có thể.
Điện trở tăng tỷ lệ thuận với độ sâu chu kỳ sạc xả (cycle depth)
Tăng độ sâu chu kỳ cũng làm tăng điện trở bên trong của cell Li-ion. Sự gia tăng điện trở là vĩnh viễn. (Xem thêm Điện trở bên trong tăng ảnh hưởng đến hiệu suất như thế nào? )
Hình 7: Sự gia tăng mạnh điện trở bên trong khi tăng độ sâu chu kỳ của Li-ion – theo phương pháp đo DC
Kết luận: điện trở trong tăng đột ngột ở độ sâu chu kỳ 61%
Cách kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion cho người tiêu dùng.
Điều kiện môi trường, không chỉ riêng số chu kỳ sạc xẩ sẽ quyết định tuổi thọ của pin lithium-ion. Tình huống tệ nhất là giữ pin đã sạc đầy ở nhiệt độ cao. Khối pin không chết đột ngột, nhưng thời gian chạy sẽ dần rút ngắn khi dung lượng giảm dần.
Điện áp sạc thấp hơn kéo dài tuổi thọ pin; pin xe điện và vệ tinh tận dụng điều này. Khuyến nghị tương tự cũng có thể được đưa ra cho các thiết bị tiêu dùng, nhưng chúng hiếm khi được cung cấp; người bán luôn muốn phải mua pin lại theo định kỳ.
Pin máy tính xách tay có thể được kéo dài bằng cách hạ điện áp sạc khi kết nối với lưới điện AC. Để tính năng này thân thiện với người dùng, thiết bị phải có chế độ “Tuổi thọ dài” giúp giữ pin ở mức 4,05V/cell và cung cấp SoC khoảng 80 %. Một giờ trước khi có nhu cầu dùng khi không có kết nối điện, người dùng chuyển sang chế độ “Dung lượng đầy đủ” để đưa điện áp sạc lên 4,20V/cell.
Câu hỏi được đặt ra là, “Tôi có nên ngắt kết nối máy tính xách tay của mình khỏi lưới điện khi không sử dụng không?” Trong những trường hợp bình thường, điều này không cần thiết vì quá trình sạc sẽ dừng lại khi pin Li-ion đầy. Sạc đầy chỉ được áp dụng khi điện áp pin giảm xuống một mức nhất định. Hầu hết người dùng không ngắt nguồn điện và cách làm này là an toàn.
Máy tính xách tay hiện đại chạy mát hơn các mẫu cũ và ít báo cáo cháy nổ hơn. Máy tính xách tay mát sẽ kéo dài tuổi thọ pin và bảo vệ các thành phần bên trong. Pin năng lượng, mà hầu hết các sản phẩm tiêu dùng đều có, nên được sạc ở mức 1C hoặc thấp hơn. Tránh xa các bộ sạc siêu nhanh được cho là có thể sạc đầy pin Li-ion trong vòng chưa đầy một giờ.
