Phân loại pin li-ion dựa trên dòng xả (discharge)

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 các loại pin lithium sánh vai với các hóa chất niken và chì mạnh mẽ. Chúng được phân vào hai loại chủ yếu là Energy Cell và Power Cell.

Có hai điểm quan trọng nổi bật của pin này là (1) khả năng lưu trữ năng lượng (hay còn gọi là “dung lượng”), loại pin này gọi là Energy Cell và (2) dòng xả – hay còn gọi là dòng tải hoặc công suất, loại pin này gọi là Power Cell. Năng lượng và công suất được quyết định bởi kích thước hạt ở hai điện cực. Các hạt lớn hơn làm tăng diện tích bề mặt để có công suất lớn và các hạt nhỏ làm giảm diện tích bề mặt để có công suất cao.

Giảm kích thước hạt làm giảm sự hiện diện của chất điện phân lấp đầy các khoảng trống. Thể tích chất điện phân bên trong cell quyết định dung lượng pin. Giảm kích thước hạt làm khoảng trống giữa các hạt ít đi, do đó làm giảm hàm lượng chất điện phân. Quá ít chất điện phân làm giảm khả năng di chuyển của ion và hưởng đến hiệu suất. Bạn có thể liên tưởng việc này qua bút dạ khô cần được tiếp nước thì mới ra mực được.

Li-ion Energy Cell – pin dung lượng cao 

Li-ion Energy Cell được thiết kế để tối ưu dung lượng, nhờ đó pin có thời gian cấp điện lâu. Panasonic NCR18650B Energy Cell  ( Hình 1 ) có dung lượng cao nhưng kém bền hơn khi xả ở 2C. Ở điện áp cắt xả 3.0V/cell, mức xả 2C chỉ tạo ra khoảng 2.3Ah thay vì 3.2Ah như thông số trên giấy tờ. Pin này lý tưởng cho máy tính xách tay và các nhiệm vụ nhẹ tương tự.

Hình 1: Biểu đồ xả của Panasonic NCR18650B Energy Cell

Panasonic NCR18650B Energy Cell 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%

Li-ion Power Cell – pin dòng xả cao 

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 xả 3,0V. Pin này hoạt động tốt cho các ứng dụng yêu cầu dòng tải lớn, chẳng hạn như máy công cụ cầm tay.

Hình 2: Biểu đồ xả của power cell UR18650RX Panasonic ^[1]

Power cell 1950mAh xả ở 0,2C, 0,5C, 1C và 2C và 10A. Tất cả đều đạt đến điện áp ngắt xả 3,0V/cell ở khoảng 2000mAh. Power cell có dung lượng vừa phải nhưng cung cấp dòng điện cao.

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 có dung lượng danh định 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 nội trở và tối ưu hóa diện tích bề mặt của vật liệu điện cực. Điện trở thấp cho phép dòng điện chạy qua cao với mức tăng nhiệt độ tối thiểu. Khi xả tối đa, Pin Li-ion Power Cell sẽ nóng lên đến khoảng 50ºC (122ºF); nhiệt độ giới hạn ở mức 60ºC (140ºF).

PRO TIP: Để đáp ứng các yêu cầu về tải, người thiết kế khối pin có thể sử dụng Power cell để đáp ứng yêu cầu về độ xả C hoặc sử dụng Energy cell rồi làm tăng kích thước khối pin hơn so với yêu cầu. Đây là một phương pháp mà Tesla EV sử dụng. Pin đạt được thời gian chạy dài nhưng đắt tiền và nặng.

LiFePO4 Power Cell – pin có tuổi thọ cao và dòng xả cao

Lithium sắt phosphate (LiFePO4) cũng có sẵn ở định dạng 18650 có tuổi thọ cao và hiệu suất tải vượt trội, nhưng năng lượng riêng 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.

 

Loại pin	Điện áp danh nghĩa	Dung lượng	Năng lượng	Chu kỳ	Khả năng 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 rộng
LiFePO4	3.2V/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 khi thiết kế pin lithium

Tính cách đặc trưng của pin khi xả 

Pin li-ion có khả năng cung cấp dòng điện cao, liên tục và phục hồi rất nhanh.

Một trong những đặc tính độc đáo của pin niken và lithium là khả năng cung cấp năng lượng cao liên tục cho đến khi pin cạn kiệt; quá trình phục hồi điện hóa nhanh giúp điều này trở nên khả thi. Axit chì chậm hơn và có thể được so sánh với bút dạ khô và sau đó cần nghỉ ngơi để bổ sung mực; Khi xả, ắc quy axit chì hồi phục tương đối nhanh và điều này có thể thấy khi khởi động động cơ, tuy nhiên phản ứng hóa học chậm sẽ trở nên rõ ràng trong quá trình sạc. Điều này càng trở nên tồi tệ hơn theo thời gian.

Pin li-ion bền hơn khi xả dòng vừa phải & liên tục hơn so với xả cường độ cao tức thời & ngắt quãng.

Về mặt tuổi thọ, pin thích dòng điện vừa phải ở chế độ xả liên tục hơn là chế độ tải cao tức thời hoặc xung.

Hình 4 minh họa dung lượng giảm dần của pin NiMH ở các điều kiện tải khác nhau từ xả DC 0,2C nhẹ nhàng, xả analog đến xả xung. Hầu hết các loại pin đều tuân theo một mô hình tương tự về điều kiện tải, bao gồm cả Li-ion.

Hình 4: Tuổi thọ chu kỳ của NiMH trong các điều kiện tải khác nhau [3]
NiMH hoạt động tốt nhất với tải DC và tải analog; tải kỹ thuật số làm giảm tuổi thọ chu kỳ. Li-ion cũng có biểu hiện tương tự.

Pin li-ion dưới tải cao thì năng lượng giảm xuống rất nhanh qua thời gian.

Hình 5 là biểu đồ so sánh số chu kỳ đầy đủ mà một Energy cell Li-ion có thể chịu được khi xả ở các mức C khác nhau. Ở mức xả 2C, pin thể hiện bị stress hơn nhiều khi xả ở 1C, chu kỳ ở khoảng 450 thì dung lượng đã giảm xuống ½.

Hình 5 Số chu kỳ của Energy cell Li-ion ở các mức xả khác nhau ^[4]
Mức độ hao mòn của tất cả các loại pin đều tăng khi phải xả cao.

Hướng dẫn đơn giản để xả pin

• Nhiệt độ làm tăng hiệu suất của pin nhưng làm giảm tuổi thọ pin đi gấp đôi cho mỗi lần tăng 10°C trên 25–30°C (18°F trên 77–86°F). Luôn giữ pin mát.
• Hãy tránh xả quá mức. Việc đảo ngược cực pin có thể gây ra hiện tượng đoản mạch điện.
• Khi tải cao và xả kiệt liên tục, hãy giảm áp lực bằng cách thiết kế & sử dụng khối pin lớn hơn mức yêu cầu.
• Xả DC vừa phải sẽ tốt hơn cho pin so với xả 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 stress khi bị buộc phải làm việc tới giới hạn tối đa của chúng.