EnglishCách chọn kẽm hàn cell pin lithium ion – những điều cần biết
Khi đóng khối, thiết kế pin lithium-ion, có nhiều nhân tố bạn cần cân nhắc. Cách để chọn vật liệu để hàn cell, và dùng kẽm hàn size nào cho khối pin là những câu hỏi thường gặp. Mặc dù đây là chủ đề được cho là “không quan trọng lắm”, nhưng nếu không hiểu đúng và làm đúng, sẽ có nhiều hệ lụy như: khối pin không hoạt động hiệu quả như thiết kế, pin nóng lên bất thường. Nếu bạn đang có thắc mắc tương tự, thì bạn có thể tìm thấy câu trả lời trong bài viết dưới đây.
Chúng tôi sẽ giải thích cặn kẽ về nguyên tắc lý thuyết, sau đó, đưa ra một số cách mà cộng đồng hay sử dụng, đồng thời cho bạn một số ví dụ cụ thể làm như thế nào.
Phạm vi của bài viết đề cập tới các cell trụ lithium ion như 18650, 21700, 26700 hoặc 32700, 33140…
Nguyên tắc cơ bản chọn vật liệu hàn cell pin lithium
Tính dòng điện tối đa mà khối pin lithium cần cấp
Khi chọn vật liệu hàn cell pin với cell pin trong một khối pin, bạn cần trả lời câu hỏi “Dòng điện tối đa mà pin cần cấp tải là bao nhiêu Ampe?”, do các thanh dẫn này đóng vai trò dẫn điện của toàn khối pin. Vì vậy, kim chỉ nam cho việc lựa chọn vật liệu là tìm ra kim loại dẫn điện với kích cỡ phù hợp có khả năng chịu tải tối đa kể trên. Vật liệu càng dẫn điện thì điện trở càng thấp, hiện tượng sụt áp toàn khối pin càng thấp, nhiệt sinh ra càng ít, và vì vậy khối pin sẽ đạt được tối đa công suất với cùng loại IC/động cơ và tải.
Dòng điện trong chuỗi song song và nối tiếp là khác nhau
Đối với các mối nối trong chuỗi song song, vật liệu dẫn có thể là bất kỳ loại kim loại nào dẫn điện do dòng điện qua đây rất nhỏ. Tuy nhiên trong chuỗi nối tiếp, các thanh nối cần chịu được tải của cả khối pin, việc tính toán sử dụng vật liệu phù hợp với tải là vô cùng quan trọng.
Kẽm hàn cell pin lithium ion
Các vật liệu phổ biến dùng để hàn cell pin lithium ion.
Như vậy, vật liệu để hàn nối cell pin thành khối đều là các kim loại dẫn điện nhằm đáp ứng được công suất dòng điện của khối pin cần xả, đồng thời trở thấp càng tốt để khối pin không bị nóng lên khi hoạt động.
Dưới đây là một số thông tin về tính dẫn điện và trở kháng của kim loại đã được thử nghiệm:
Trở kháng của kim loại theo đơn vị Ohms
0.7 x10^-6 Ω.cm ĐỒNG
2.6 x10^-6 Ω.cm NHÔM
6.0 x10^-6 Ω.cm KẼM
6.9 x10^-6 Ω.cm NIKEN
9.7 x10^-6 Ω.cm THÉP
Tính dẫn điện theo IACS
100 ĐỒNG
61 NHÔM
27 KẼM
22 NIKEN
5 THÉP
Khi công nghệ pin lithum ngày càng phát triển, người ta đã thử nghiệm các kim loại khác nhau làm vật liệu hàn và tìm ra một số lựa chọn tối ưu như sau:
Niken nguyên chất (hoặc thép mạ niken)
Tại sao niken là vật liệu hàn cell phổ biến?:
- Tính dẫn điện tốt
- Không bị ăn mòn
- Bền với nhiệt
- Dễ xử lý bằng máy hàn điểm (điều này là một tiêu chí quan trọng)
- Rẻ tiền
Niken là sự lựa chọn phổ biến đối với những khối pin lithium ion nhỏ gọn cho người dùng và các thiết bị cầm tay. Nói chính xác là phù hợp với khối pin không cần xả quá cao, do niken có trở tương đối lớn. Vì vậy, mặc dù là vật liệu rẻ tiền phổ dụng, đôi khi bạn thấy người đóng pin phải gia cố thêm lớp niken để khối pin có thể xả được dòng cao. Tuy nhiên, càng nhiều niken thì trở càng cao, làm một số watt của khối pin bị lãng phí do chuyển sang nhiệt trên các thanh dẫn làm khối pin nóng lên.
Đồng
Đồng có tính dẫn điện cao hơn niken rất nhiều, nội trở thấp và có khả năng tăng khả tối ưu hóa dòng xả của khối pin. Đồng thường được dùng cho những khối pin trong ứng dụng cần tối ưu hóa khả năng cấp nguồn của pin, ví dụ như pin xe điện hoặc máy công cụ cầm tay.
Tuy nhiên, đồng đắt hơn niken và cần xử lý khéo léo nhằm tránh hiện tượng oxi hóa. Những khối pin cần hoạt động trong môi trường dễ ô- xy hóa họ phải dùng đồng bọc thiếc Ngoài ra, việc hàn điểm thanh đồng khá khó khăn với máy hàn điểm, thường cần phải xử lý bằng máy hàn laser đắt tiền.
Đồng là vật liệu lý tưởng để đóng pin do trở kháng thấp. Mặc dù nó không phải là kim loại có trở kháng thấp nhất quả đất, nhưng nó là kim loại hiệu quả về mặt kinh tế. Nếu các bạn có máy hàn xịn thì việc dùng cuộn đồng/niken bên dưới là khá hiển nhiên.
Kẽm hàn bằng đồng nguyên chất
Phương pháp “bánh mì kẹp” đồng/niken
Để giải quyết tình trạng pin cần xả cao và không muốn pin nóng ở trên, người ta nghĩ ra phương pháp “bánh mì kẹp” đồng và niken.
Đề hàn được đồng hoặc nhôm cần phải dùng dòng điện rất lớn. Người ta nghĩ ra phương pháp là trải một lớp niken lên bên trên mặt thanh đồng và bắt đầu hàn điểm. Trong trường hợp này niken chỉ đóng vai trò hỗ trợ mối hàn mà không dẫn điện, vì dòng điện sẽ đi qua vật liệu có trở kháng thấp nhất (Đồng dẫn điện gấp 4 lần niken) . Khi đó, trở kháng của niken sẽ làm tỏa ra nhiệt lượng đủ để hàn cả đồng tại mối hàn điểm bé xíu với một dòng phù hợp của máy hàn điểm cầm tay.
Loại niken dầy 0.15mm là đủ, thậm chí thép phủ niken cũng dùng được.
Tại các mối nối trong chuỗi song song, dòng điện rất nhỏ nên bạn có thể dùng bất kỳ kim loại nào dẫn điện đều được, nhưng trong chuỗi song song, với những khối pin cần xả cao, bạn có thể dùng phương pháp hàn đồng/niken là phù hợp.
Cách làm cuộn “bánh mì kẹp” hàn đồng/niken
Các bước làm như sau:
- Bạn cắt tấm đồng tương tự như cắt cuộn niken thường làm.
- Cắt cuộn niken thành các hình vuông nhỏ.
- Đặt miếng niken lên mặt cell pin, sau đó là miếng niken vuông tại điểm cần hàn. Hãy đặt máy hàn về 75 joules, rồi hàn điểm.
- Nếu làm đúng, thì bạn đã hàn xong mối hàn tốt.
Hàn cell pin sử dụng phương pháp bánh mì kẹp đồng -niken
Một pin xả cao đóng bằng thanh đồng-niken bán sẵn
Các loại cell có tab chờ sẵn
Các tab chờ này thường được làm bằng đồng hoặc niken, được hàn sẵn vào cực của cell. Điều này giúp đơn giản hóa quá trình ghép cell cho người dùng, đảm bảo tính nhất quán của mối hàn. Tuy nhiên, phương pháp này có hạn chế là kích thước không linh hoạt.
Dây cáp (stranded wire)
Bạn có thể dùng dây cáp điện để nối các cell lại với nhau. Việc nối bằng dây cáp sẽ tạo ra sự linh hoạt trong thiết kế, chúng là công cụ hữu hiệu đối với những khối pin phức tạp về hình dáng. Người ta dùng cả cáp đồng và niken, đồng dẫn điện tốt hơn nhưng hay bị ô xi hóa.
Dây cáp cũng là sự lựa chọn tối ưu nếu khối pin hoạt động trong môi trường rung lắc để tránh gây áp lực lên điện cực của cell.
Cách phân biệt Niken nguyên chất và thép mạ niken để hàn pin.
Thép mạ niken được sinh ra trong nỗ lực giảm giá của các nhà sản xuất loại vật liệu này. Chúng dẫn điện thấp hơn và tỏa ra nhiệt nhiều hơn. Vì vậy, nếu bạn muốn biết mình đã mua được niken nguyên chất thay vì kẽm mạ niken, thì dưới đây là cách để phân biệt:
Thí nghiệm nước muối: niken rất bền và không bị gỉ, điều này trái ngược với sắt (thép). Hãy lôi cuộn kim loại ra, chà xát bằng giấy ráp, hoặc dùng vật nhọn cào bỏ lớp bề mặt. Sau đó nhúng phần kim loại này vào nước muối, để vài ngày. Nếu bạn không thấy có vết rỉ vàng, xin chúc mừng bạn đã mua được niken nguyên chất thật.
Bảng khả năng tải dòng điện của kẽm hàn niken nguyên chất
Như chúng ta đã bàn ở trên, việc sử dụng size thanh niken như thế nào để phù hợp với khối pin lithium-ion hoàn toàn phụ thuộc vào dòng điện tối đa mà khối pin có thể xả.
Niken nguyên chất dẫn điện gấp đôi so với sắt mạ niken. Mặc dù sắt mạ niken cũng có trường hợp cần dùng, nhưng khuyến nghị chung là bạn không nên dùng sắt mạ niken để đóng pin. Vấn đề nghiêm trọng là nhiều người bán quảng cáo niken nguyên chất nhưng thực ra đó chỉ là sắt mạ niken.
Niken hàn pin có thể có nhiều kích cỡ và hình dáng khác nhau. Chúng thường là các thanh với độ dầy dao động từ 0.1mm to 0.3mm. Những máy hàn pin chất lượng thấp thường không hàn bản niken 0.15mm rất khó khăn, và với loại dầy hơn 0.20mm thì thậm chí không hàn nổi.
Độ rộng thanh niken dạo động trong khoảng 7mm, mặc dù bản 10mm cũng có. Ngoài ra cũng có loại 47mm nhưng ở giữa là khoảng trống rất rộng. Nếu cần chịu dòng cao hơn, bạn chỉ cần hàn 2 tới 3 lớp niken sẽ đạt được hiệu quả tương tự như dùng niken dầy.
Dưới đây là bảng khả năng chịu dòng của niken nguyên chất:
Niken hàn nguyên chất và khả năng tải dòng. Nguồn: Cellsaviors.com
Ví dụ 1:
khối pin 2S4P cần dòng xả tối đa là 20A, vậy niken hàn ở hai hàng nối tiếp cần đủ tải cho dòng 20A.
Nếu các cell được thiết kế đối xứng sao cho mối hàn chịu dòng đều nhau, với 4p thì sẽ có 04 thanh niken mắc nối tiếp, vậy mỗi thanh niken chịu dòng là 20/4 = 5A.
Sơ đồ mắc đối xứng khối pin 2S4P nhằm tối ưu đường đi của dòng điện
So sánh vào bảng trên ta chỉ cần dùng kẽm loại 0.15 x 7 mm là đủ.
Ví dụ 2:
Khối pin 14S12P cần dòng xả tối đa 100A, giả định khối pin có sự đối xứng để tối ưu chịu dòng giữa các mối hàn.
Vậy mối hàn giữa các chuỗi nối tiếp phải chịu dòng 100A.
Vì khối pin được mắc đối xứng tối ưu, nên mỗi mối hàn trong chuỗi 12P sẽ phải chịu lực là: 100/12 = 8.3A.
So sánh với bảng trên, bạn có thể dùng niken loại 0.3 x 7mm, hoặc chập đôi mối hàn 0.15 x 7mm trong cầu nối tiếp cũng có tác dụng tương tự.
Ví dụ 3:
Khối pin 4S6P cần dòng xả tối đa là 20A, nhưng sơ đồ bố trí các cell như sau:
Vậy ở điểm tiếp xúc mối hàn nối tiếp (được đánh dấu trong khung màu đỏ), dòng điện là 20A.
Vì chỉ duy nhất có 01 cầu nối nối tiếp giữa hai chuỗi song song, dòng điện tại đây là 20A.
Đem so sánh vào bảng trên, bạn cần chập đôi thanh niken 0.3x7mm hoặc chập 4 thanh niken 0.15x7mm từ đầu đến cuối khối pin. Tuy nhiên cách này khá phí phạm, bạn có thể bố trí dạng hình tháp như bên dưới:
Nguồn: sách dậy DIY đóng khối pin lithium của Micah Toll
Khi bạn thiết kế khối pin, nếu không tính toán tới dòng xả liên tục tối đa và sử dụng vật liệu hàn phù hợp, thì bạn sẽ lãng phí khả năng xả cao của cell pin (nếu có).
Kẽm hàn cell pin 18650
(chính xác là niken, tác giả cũng không hiểu sao người dùng gọi là kẽm hàn).
Cell pin hình trụ 18650 có dung lượng tối đa trong khoảng 3Ah, với những khối pin cần hệ số xả C thông thường là 3C, ở những mối nối tiếp pin cần chịu dòng 9A là tối đa. Vì vậy để tiết kiệm chi phí, người ta thường dùng loại 0.15x7mm, khi cần thì chập đôi hoặc ba là được.
Kẽm hàn cell pin 32700
Cell 32700 dung lượng tối đa thường là 6A, với điều kiện xả thông thường là 3C, Khối pin xả tối đa 18A. Vì vậy khi đối chiếu bảng trên, người ta thường dùng niken thấp nhất là 0.2x7mm.
Kẽm hàn cell pin 33140 33135 32135
Các cell pin này thường có dung lượng “lớn” 15Ah tuy nhiên ở thị trường Việt Nam, phần lớn là loại có hệ số xả 1C vì vậy để chịu được dòng xả của loại pin này người ta thường dùng thanh niken từ 0.3mm tới 0.5mm.
Đối với pin có hệ số xả lớn hơn (3C) người ta có thể dùng dạng bánh mì kẹp đồng – niken đã nhắc tới bên trên. Hiện thị trường cũng có cấp sẵn dạng này để tiện cho người đóng pin DIY.
Kẽm hàn cell 33140 33135 32135 đồng niken
oh lah lah vậy là với bài viết này, các bạn tự tính toán được sử dụng vật liệu gì, kích cỡ gì để thiết kế khối pin lithium-ion của bạn một cách khoa học và không cần ai tư vấn rồi nhé. Chúc các bạn thành công với dự án khoa học của mình.
