Hệ số tự xả (Self-Discharge) của các loại pin sạc

Tất cả pin đều có hiện tượng tự xả. Đây không phải là lỗi sản xuất mà là một đặc trưng của pin; mặc dù việc sản xuất không tốt hay xử lý không đúng cách có thể làm vấn đề này nặng hơn. Tự xả là vĩnh viễn và không thể đảo ngược. Hình 1 minh họa hiện tượng tự xả dưới dạng chất lỏng rò rỉ

Hình 1: Tự xả tăng theo thời gian sử dụng pin, số chu kỳ và nhiệt độ cao. Vứt bỏ pin nếu tự xả đạt 30 % trong 24 giờ.

Lượng tự xả điện thay đổi tùy theo loại pin và thành phần hóa học. Các cell sơ cấp như lithium-kim loại và kiềm giữ năng lượng được lưu trữ tốt nhất và có thể được lưu trữ trong nhiều năm. Trong số các loại pin sạc, ắc quy axit chì là một trong những loại có tỷ lệ tự xả thấp nhất (khoảng 5% mỗi tháng). Tuy nhiên, theo thời gian sử dụng và tuổi thọ, axit chì ướt sẽ tích tụ cặn trong phần lắng đọng, gây ra hiện tượng đoản mạch mềm khi chất bán dẫn này tiếp cận các thanh cực.

Tự xả của pin gốc Niken

Mất năng lượng là là một đường cong tiệm cận, nghĩa là tự xả cao nhất ngay sau khi sạc và sau đó giảm dần. Pin gốc niken mất 10–15 phần trăm dung lượng trong 24 giờ đầu tiên sau khi sạc, sau đó là 10–15 phần trăm mỗi tháng. Hình 2 cho thấy mức mất mát điển hình của pin gốc niken khi lưu trữ.

Hình 2. Biểu đồ tự xả của các loại pin sạc gốc Niken. Hệ số Tự xả cao nhất sau khi sạc đầy. 

 

NiMH và NiCd thuộc loại pin sạc có khả năng tự xả cao nhất; chúng cần được sạc lại trước khi sử dụng ngay cả khi mới được bày bán trên kệ siêu thị vài tuần. Pin NiCd hiệu suất cao có chỉ số  tự xả cao hơn so với các phiên bản tiêu chuẩn. Hơn nữa, khả năng tự xả tăng theo thời gian sử dụng và tuổi thọ, trong đó sự hình thành bộ nhớ (memory) cũng góp phần làm tình trạng tự xả tăng lên. Việc xả sạch thường xuyên giúp kiểm soát vấn đề bộ nhớ.

Tự xả của pin Li-ion

Li-ion tự xả khoảng 5% trong 24 giờ đầu tiên và sau đó mất 1–2 % mỗi tháng; mạch bảo vệ tăng thêm 3 phần trăm mỗi tháng. Lỗi sản xuất màng phân tách (separator) có thể dẫn đến tình trạng tự xả cao có thể phát triển thành đường dẫn dòng điện, tạo ra nhiệt và trong trường hợp cực đoan, gây ra sự cố nhiệt. Về mặt tự xả, axit chì tương đương như Li-ion. Bảng 3 tóm tắt tình trạng tự xả ​​của các loại pin khác nhau.

Loại pin	Ước tính hệ số tự xả
Pin sơ cấp pin lithium-kim loại	10% trong 5 năm
Alkaline	2–3% / năm (7-10 năm lưu trữ)
Pin sạc gốc nickel (NiCD, NiMH)	10–15% trong 24h, sau đó 10-15% / tháng
Lithium-ion	5% trong 24h, sau đó 1–2% / tháng (thêm 3% cho mạch BMS)
Bảng 3: Pin sơ cấp nhìn chung có hệ số tự xả thấp hơn các loại pin sạc.

Tự xả của tất cả các loại pin pin đều tăng ở nhiệt độ cao hơn và tốc độ tự xả thường tăng gấp đôi sau mỗi 10°C (18°F). Sẽ xảy ra tình trạng mất năng lượng đáng kể nếu để pin trong xe nóng. Số chu kỳ cao và lão hóa cũng làm tăng hệ số tự xả của tất cả các hệ thống pin. NiMH có thể sử dụng tốt trong 300–400 chu kỳ, trong khi NiCD tiêu chuẩn có thể sử dụng tốt với hơn 1.000 chu kỳ trước khi tình trạng tự xả cao bắt đầu ảnh hưởng đến hiệu suất. Tình trạng tự xả trên pin gốc niken cũ có thể tăng cao đến mức bộ pin bị xẹp do rò rỉ thay vì sử dụng bình thường.

Trong điều kiện hoạt động bình thường, quá trình tự xả của Li-ion khá ổn định trong suốt thời gian sử dụng; tuy nhiên, trạng thái sạc đầy và nhiệt độ cao gây tác động đáng kể tới tự xả, và kéo theo là ảnh hưởng đến tuổi thọ pin. Hơn nữa, Li-ion khi được sạc đầy sử dụng hay lỗi hơn Li-ion được sạc bán phần. Bảng 4 cho thấy quá trình tự xả mỗi tháng của Li-ion ở nhiều nhiệt độ và trạng thái sạc khác nhau. Quá trình tự xả cao ở trạng thái sạc đầy và nhiệt độ cao là một điều bất ngờ thú vị, giúp bạn có câu trả lời tốt hơn về việc Làm sao để kéo dài tuổi thọ pin li-ion.

Tỷ lệ tự xả pin li-ion	0°C (32°F)	25°C (77°F)	60°C (140°F)
Sạc đầy	6%	20%	35%
Sạc ở 40–60%	2%	4%	15%
Bảng 4: Tự xả tăng cao theo nhiệt độ và trạng thái sạc SOC

Các yếu tố ảnh hưởng tới hệ số tự xả của li-ion

Xả cưỡng bức xuống dưới 2.5V:

Pin lithium-ion không nên xả dưới 2,50V/cell. Mạch bảo vệ sẽ tắt và hầu hết các bộ sạc sẽ không sạc pin ở trạng thái đó. Trong trường hợp này, có một cách là “bơm năng lượng” bằng cách dùng dòng điện sạc nhẹ để đánh thức mạch bảo vệ thường khôi phục pin về dung lượng đầy đủ (Xem: Cách đánh thức pin Li-ion đang ngủ)

Có những lý do khiến pin Li-ion bị đưa vào trạng thái ngủ khi xả dưới 2,50V/cell. Các nhánh đồng phát triển ra từ tấm phân tách nếu pin bị để ở trạng thái điện áp thấp trong hơn một tuần. Điều này dẫn đến tình trạng tự xả cao, có thể ảnh hưởng tới an toàn pin.

Sự ăn mòn và tạp chất trên cathode:

Cơ chế tự xả cũng phải được giám sát trong quá trình sản xuất. Chúng thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố như ăn mòn hoặc tạp chất trong các điện cực, điều này giải thích tại sao hệ số tự xả cũng khác nhau không chỉ trong các lô sản xuất mà trong cả các cell pin củ cùng lô. Nhà máy cần có QC để loại ra các cell có hệ số tự xả nằm ngoài phạm vi cho phép.

Sạc  nhanh với dòng cao

gây ra sự hình thành màng lithium trên anode của pin Li-ion, dẫn đến mất dung lượng do suy giảm lượng lithium và làm tăng nguy cơ ngắn mạch trong. Sự cố ngắn mạch bên trong thường có thể dự báo trước được qua quan sát thấy hệ số tự xả cao (đây là chỉ số cần nghiên cứu thêm để chốt khoảng cho phép, trước khi pin chuyển sang nguy cơ thermal runaway). Sự tích tụ lithium không mong muốn trên anode cũng làm tăng điện trở bên trong làm giảm khả năng tải.

Hình 5 so sánh hệ số tự xả của một cell Li-ion mới với một cell đã trải qua quá trình xả sâu cưỡng bức tới dưới 2.5V và một cell đã được xả hoàn toàn, cho nghỉ 14 ngày rồi được sạc lại.

 

Hình 5 : Cell bị ép xả sâu và cell bị lưu trữ ở 0V có hệ số tự xả cao hơn cell mới.

Kết luận: Pin đã tiếp xúc với mức xả sâu vượt quá 2,50V/pin cho thấy mức tự xả cao hơn một chút so với pin mới. Mức tự xả lớn nhất có thể nhìn thấy được với pin được lưu trữ ở mức 0 vôn.

Tự xả của pin axit chì

 

Hình 6 minh họa quá trình tự xả của pin axit chì ở các nhiệt độ môi trường khác nhau. Ở nhiệt độ phòng là 20°C (68°F), quá trình tự xả là khoảng 3% mỗi tháng và về mặt lý thuyết, pin có thể được lưu trữ trong 12 tháng mà không cần sạc lại. Với nhiệt độ ấm là 30°C (86°F), quá trình tự xả tăng lên và cần phải sạc lại sau 6 tháng. Để pin giảm xuống dưới 60 phần trăm SoC trong một thời gian sẽ gây ra hiện tượng sunfat hóa. (Các bạn có thể thấy ắc quy axit chì mua về có thể chạy được luôn mà ít khi phải sạc lại, đây là nhờ chỉ số tự xả thấp của loại pin này).

Kết luận: Pin axit chì không được để tình trạng sạc SOC xuống dưới 60%. Hãy sạc thường xuyên hơn nếu bạn ở vùng thời tiết ấm/nóng.