EnglishĐồ thị xả (discharge curve) của pin li-ion và pin sắt
Pin Li-ion ban đầu được coi là mỏng manh và không phù hợp với tải trọng cao. Điều này đã thay đổi và ngày nay pin lithium sánh vai với các hóa chất niken và chì mạnh mẽ. Hai loại Li-ion cơ bản đã xuất hiện: Pin dung lượng cao và pin dòng xả cao.
Hai loại pin này phân biệt nhau bởi loại hạt cấu thành ở các điện cực. Hạt càng to thì tăng dung lượng, hạt càng nhỏ thì tăng dòng xả.
Giảm kích cỡ hạt làm giảm khoảng trống cho chất điện phân chen vào giữa. Dung lượng của pin được quyết định bởi hàm lượng chất điện phân này. Vì vậy, giảm kích cỡ hạt thì giảm dung lượng. Quá ít chất điện phân thì ảnh hưởng tới khả năng làm việc của pin.
Pin li-ion dung lượng cao (Energy cell)
Pin dung lượng cao được sản xuất nhằm mục đích cung cấp thời gian chạy dài. Pin dung lượng cao Panasonic NCR18650B ( Hình 1 ) có dung lượng cao nhưng kém bền hơn khi xả ở 2C. Ở mức cắt xả 3.0V/cell, mức xả 2C chỉ tạo ra khoảng 2.3Ah thay vì 3.2Ah như đã chỉ định. Pin này lý tưởng cho máy tính xách tay và các nhiệm vụ nhẹ tương tự.
Hình 1: Đặc tính xả của Pin năng lượng NCR18650B của Panasonic
Pin năng lượng 3.200mAh được xả ở 0,2C, 0,5C, 1C và 2C. Vòng tròn ở vạch 3,0V/pin đánh dấu điểm kết thúc xả ở 2C.
Tổn thất nhiệt độ lạnh:
- 25°C (77°F) = 100%
- 0°C (32°F) = ~83%
- –10°C (14°F) = ~66%
- –20°C (4°F) = ~53%
Pin Li-ion dòng xả cao (Power cell)
Pin Panasonic UR18650RX ( Hình 2 ) có dung lượng vừa phải nhưng khả năng tải tuyệt vời. Xả 10A (5C) có tổn thất dung lượng tối thiểu ở điện áp cắt 3,0V. Pin này hoạt động tốt cho các ứng dụng yêu cầu dòng tải lớn, chẳng hạn như dụng cụ điện cầm tay.
Hình 2: Đặc tính xả của Pin UR18650RX của Panasonic [1]
Pin dự phòng 1950mAh xả ở 0,2C, 0,5C, 1C và 2C và 10A. Tất cả đều đạt đến mức ngắt 3,0V/cell ở khoảng 2000mAh. Pin dòng xả cao có dung lượng vừa phải nhưng cung cấp dòng điện tốt.
Tổn thất nhiệt độ lạnh:
- 25°C (77°F) = 100%
- 0°C (32°F) = ~92%
- –10°C (14°F) = ~85%
- –20°C (4°F) = ~80%
Pin Li-ion Power Cell cho phép xả liên tục 10C. Điều này có nghĩa là pin 18650 được đánh giá ở mức 2.000mAh có thể cung cấp tải liên tục 20A (30A với Li-phosphate). Hiệu suất vượt trội đạt được một phần bằng cách giảm điện trở bên trong và tối ưu hóa diện tích bề mặt của vật liệu pin hoạt động. Điện trở thấp cho phép dòng điện chạy qua cao với mức tăng nhiệt độ tối thiểu. Khi chạy ở dòng xả tối đa cho phép, Pin Li-ion Power Cell nóng lên đến khoảng 50ºC (122ºF); nhiệt độ giới hạn ở mức 60ºC (140ºF).
Để đáp ứng các yêu cầu về tải, nhà thiết kế khối pin có thể sử dụng khối Pin dòng xả cao để đáp ứng yêu cầu về hệ số xả C hoặc sử dụng Pin năng lượng cao và tăng kích thước khối pin. Pin dung lượng cao có thể chứa nhiều hơn 50% dung lượng so với Pin dòng xả cao, nhưng phải giảm tải. Điều này có thể thực hiện được bằng cách tăng kích thước khối pin, một phương pháp mà Tesla EV sử dụng. Pin đạt được thời gian chạy dài nhưng đắt tiền và nặng.
Pin sắt dòng xả cao LiFePO4 (LFP power cell)
Lithium sắt phosphate (LiFePO4) cũng có sẵn ở định dạng 18650 cung cấp tuổi thọ cao và hiệu suất tải vượt trội, nhưng năng lượng riêng (công suất) thấp. Bảng 3 so sánh các thông số kỹ thuật của các kiến trúc dựa trên lithium phổ biến. Xem thêm: Các loại Lithium-ion .
| Hoá học | Điện áp danh nghĩa | Dung lượng | Năng lượng | Số chu kỳ | Dòng tải | Ghi chú |
| Li-ion Energy | 3.6V/cell | 3.200mAh | 11,5Wh | 1000 | 1C (chỉ tải nhẹ) | Sạc chậm (<1C) |
| Li-ion Power | 3.6V/cell | 2.000mAh | 7,2Wh | 1000 | 5C (tải lớn liên tục) | Phạm vi nhiệt độ tốt |
| LiFePO4 | 3.3V/cell | 1.200mAh | 3,9Wh | 2000 | 25C (tải trọng liên tục rất lớn) | Mạnh mẽ, an toàn |
Bảng 3: Tối đa hóa công suất, vòng đời và tải với kiến trúc pin lithium
Dòng xả và mối tương quan với tuổi thọ pin
Hình 3: số chu kỳ mà một Pin Li-ion energy cell khi xả ở các mức C khác nhau.
Ở mức xả 2C, pin thể hiện bị áp lực cao hơn nhiều so với mức 1C, tới chu kỳ 450 thì dung lượng đã giảm xuống một nửa.Mức độ hao mòn của tất cả các loại pin đều tăng theo tải cao hơn.
Kết luận
- Nhiệt độ làm tăng hiệu suất của pin nhưng làm giảm tuổi thọ pin đi gấp đôi tương ứng theo mỗi lần tăng 10°C trên 25–30°C. Luôn giữ pin mát.
- Ngăn ngừa xả quá mức. Việc đảo ngược cực pin có thể gây ra hiện tượng đoản mạch.
- Khi phải thiết kế khối pin tải cao và xả sạch liên tục xảy ra, hãy giảm áp lực bằng cách sử dụng pin lớn hơn công suất cần thiết.
- Xả DC vừa phải sẽ tốt hơn cho pin so với tải xung và tải nặng tạm thời.
- Pin niken và pin lithium có phản ứng hóa học nhanh; pin axit chì phản ứng chậm và cần vài giây để phục hồi giữa các lần tải nặng.
- Tất cả các loại pin đều chịu lực căng khi bị kéo căng đến mức tối đa cho phép.
