Phân loại pin lithium-ion theo hình dạng

Khi pin bắt đầu được sản xuất hàng loạt, thiết kế lọ đã thay đổi thành dạng hình trụ. Pin F lớn cho đèn lồng được giới thiệu vào năm 1896 và pin D tiếp theo vào năm 1898. Với nhu cầu về pin nhỏ hơn, pin C tiếp theo vào năm 1900 và pin AA phổ biến được giới thiệu vào năm 1907.

Pin lithium-ion trụ (Cylindrical Cell)

Đây là  kiểu dáng  phổ biến nhất của pin sơ cấp và thứ cấp. Ưu điểm là dễ sản xuất và có độ ổn định cơ học tốt. Hình trụ ống có thể chịu được áp suất bên trong cao mà không bị biến dạng.

Nhiều pin hình trụ gốc lithium và niken có trang bị cầu chì bảo vệ nhiệt tự phục hồi (Positive thermal coefficient – PTC). Khi tiếp xúc với dòng điện quá mức, polyme dẫn điện thông thường sẽ nóng lên và trở thành điện trở, ngăn dòng điện chạy qua và hoạt động như một biện pháp bảo vệ ngắn mạch. Sau khi loại bỏ được sự cố ngắn mạch, PTC sẽ nguội đi và trở lại trạng thái dẫn điện.

Hầu hết các pin hình trụ cũng có cơ chế giảm áp suất, thiết kế đơn giản nhất là sử dụng lớp màng kín – màng này bị vỡ dưới áp suất cao. Sau khi màng vỡ có thể xảy ra rò rỉ và cạn sạch. Một thiết kế khác được ưa chuộng hơn là van xả có thể hàn kín lại. Một số pin Li-ion thương mại được trang bị thiết bị ngắt sạc (Charge Interupt Device – CID) ngắt kết nối pin về mặt vật lý khi cảm nhận được mức áp suất không an toàn. Hình 1 cho thấy mặt cắt ngang của một pin hình trụ

Thiết kế pin hình trụ đáp ứng chu kỳ sạc xả tốt, tuổi thọ dài, chi phí thấp, nhưng khá nặng và không tối ưu diện tích do có nhiều khoang trống.

Pin 18650 được minh họa trong Hình 2 vẫn là một trong những cell phổ biến nhất. Các ứng dụng điển hình cho pin Li-ion 18650 là các công cụ điện, thiết bị y tế, máy tính xách tay và xe đạp điện.

Hình 2

Cell 18650 có đường kính 18mm và chiều dài 65mm.

Cell 26650 lớn hơn có đường kính 26mm và chiều dài 65mm

Năm 2013, có 2.44 tỷ cell 18650 đã được sản xuất. energy cell đời đầu có dung lượng 2.2Ah, sau đó tăng lên thành 2.8Ah. Các cell mới bây giờ là 3.0Ah, 3.1Ah, 3.350Ah, 3.5Ah.

18650 là cell bán chạy nhất, do có chi phí / năng lượng riêng thấp nhất, đồng thời biểu hiện khá ổn định. Khi người tiêu dùng chuyển sang dùng điện thoại thông minh và tablets phẳng, Khi người tiêu dùng chuyển sang thiết kế phẳng trên điện thoại thông minh và máy tính bảng, nhu cầu về pin 18650 giảm dần và  tình trạng cung vượt cầu đang được điều chỉnh nhờ nhu cầu về xe điện Tesla hiện cũng đang sử dụng định dạng pin này. Tính đến cuối năm 2016, ngành công nghiệp pin lo ngại về tình trạng thiếu hụt pin để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng đối với xe điện.

Có những định dạng Li-ion hình trụ khác với kích thước là 20700, 21700 và 22700. Trong khi đó, Tesla, Panasonic và Samsung đã quyết định sử dụng 21700 vì dễ sản xuất, dung lượng tối ưu và những lợi ích khác. Trong khi 18650 có thể tích khoảng 16cm3 ( 16ml) với dung lượng khoảng 3000mAh, thì cell 21700 có thể tích khoảng 24cm3 ( 24ml) với dung lượng lên tới 6000mAh, về cơ bản là tăng gấp đôi dung lượng với mức tăng 50% về thể tích. Tesla Motor gọi 21700 mới của công ty họ là “cell có mật độ năng lượng cao nhất và rẻ nhất”. (Số 0 cuối cùng của mẫu 21700 mô tả một cell hình trụ phù hợp với tiêu chuẩn IEC.)

Pin 26650 lớn hơn có đường kính 26mm không được ưa chuộng bằng pin 18650. Pin 26650 thường được sử dụng trong các hệ thống cân bằng tải. Người ta nói rằng pin dày hơn khó chế tạo hơn pin mỏng. Pin dài hơn cũng được ưa chuộng hơn. Ngoài ra còn có pin 26700 do E-One Moli Energy sản xuất.

Một số hệ thống axit chì cũng có thiết kế hình trụ. Chúng được gọi là là Hawker Cyclone, cell này có độ ổn định tốt, dòng xả cao hơn và độ ổn định nhiệt độ tốt hơn so với thiết kế hình lăng trụ thông thường. Cell Hawker Cyclone có định dạng riêng.

Mặc dù cell hình trụ không tận dụng hết không gian do tạo ra các khoang khí, nhưng 18650 có mật độ năng lượng cao hơn cell Li-ion hình lăng trụ hoặc cell túi. Pin 18650 3Ah cung cấp 248Ah/kg, trong khi cell túi hiện đại có khoảng 140Ah/kg. Mật độ năng lượng cao hơn của cell hình trụ giúp người ta bớt phàn nàn về khả năng xếp chồng kém lý tưởng của nó; thêm nữa, không gian trống luôn có thể được sử dụng để làm mát nhằm cải thiện quản lý nhiệt.

Việc kiểm soát nhiệt lây lan khi một cell pin bốc cháy (hiện tượng propagation) là điều có thể làm được . Các cell hình trụ thường được đặt cách xa nhau để ngăn chặn lan nhiệt dây chuyền nếu một cell bị cháy. Khoảng cách cũng giúp giảm nhiệt. Ngoài ra, cell trụ không thay đổi kích thước. Để so sánh, một tế bào hình lăng trụ 5mm có thể mở rộng đến 8mm khi sử dụng và cần tính toán trước sự nở rộng này.

 

Button cell – Pin đồng xu

Pin nút, còn được gọi là pin đồng xu, là thiết kế mang tính cách mạng vào những năm 1980, ra đời nhằm phục vụ các thiết bị điện tử nhỏ gọn, thông minh. Điện áp cao đạt được bằng cách xếp cell pin vào một hình ống. Điện thoại không dây, thiết bị y tế và máy quét an ninh tại các sân bay sử dụng loại pin này.

Mặc dù nhỏ và rẻ tiền, pin nút xếp chồng không còn được ưa chuộng và phải nhường chỗ cho các định dạng pin thông thường hơn. Nhược điểm của pin nút là bị phồng lên nếu sạc quá nhanh. Pin nút không có lỗ thông hơi an toàn và thời gian sạc khá lâu(từ 10 đến 16 giờ); tuy nhiên, các thiết kế mới được công bố là có khả năng sạc nhanh.

Hầu hết pin nút đang sử dụng hiện nay đều không sạc lại được và được tìm thấy trong các thiết bị cấy ghép y tế, đồng hồ, máy trợ thính, chìa khóa ô tô và bộ nhớ dự phòng. Hình 4 minh họa pin nút có mặt cắt ngang.

Hình 4: cell pin nút có  kích cỡ nhỏ, hầu hết đều là pin không sạc lại (phục vụ mục đích 1 lần sử dụng)

Prismatic cell: Pin hình lăng trụ

Pin lần đầu được giới thiệu với công chúng từ đầu những năm 1990. Ngày nay, pin lăng trụ hiện đại đáp hiện mỏng hơn nhiều. Được đóng gói xinh xắn như một thanh sô cô la, pin lăng trụ tận dụng tối ưu không gian bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận nhiều lớp. Các thiết kế khác được quấn và làm phẳng thành một cuộn thạch giả lăng trụ. Các pin này trước đây chủ yếu dùng trong điện thoại di động, máy tính bảng và máy tính xách tay cấu hình thấp có dung lượng từ 800mAh đến 4.000mAh. Không có định dạng chung nào và mỗi nhà sản xuất đều thiết kế riêng.

Pin lăng trụ cũng có sẵn ở các định dạng lớn. Được đóng gói vỏ pin nhôm, các pin cung cấp dung lượng 20–50Ah và chủ yếu được sử dụng cho hệ thống truyền động điện trong xe hybrid và xe điện. Hình 5 cho thấy pin lăng trụ.

Pin hình lăng trụ cải thiện việc sử dụng không gian và cho phép thiết kế linh hoạt nhưng chi phí cao hơn, quản lý nhiệt kém hiệu quả và có vòng đời ngắn hơn so với thiết kế hình trụ. Pin này cũng được thiết kế dự phòng việc bị phồng lên.

Pin hình lăng trụ cần có vỏ bọc chắc chắn để đạt được độ nén. Pin này có hiện tượng phồng lên là bình thường do khí ga tích tụ, và vỏ cần có dung sai cho chỗ phồng.  Pin 5mm có thể phồng đến 8mm sau 500 chu kỳ. Ngừng sử dụng pin phồng lên làm  biến dạng vỏ chứa pin. Pin phồng lên có thể làm hỏng thiết bị và gây nguy hiểm khi sử dụng.

Cell pin dạng túi – Pouch cell hay còn gọi là pin lithium-ion polymer

Năm 1995, pin túi ra mắt đã làm cả thế giới ngạc nhiên với một thiết kế mới đột phá. Các thanh dẫn điện được hàn vào các điện cực và được đưa ra bên ngoài trong khi vẫn được hàn kín. Hình 6 minh họa một pin túi.

Pin dạng túi sử dụng không gian hiệu quả nhất và đạt hiệu suất đóng gói 90–95%, cao nhất trong các loại pin. Việc loại bỏ lớp vỏ kim loại giúp giảm trọng lượng, nhưng pin cần có chỗ để  và khoảng không cho phép dãn nở trong ngăn chứa pin. Pin dạng túi được sử dụng trong các ứng dụng tiêu dùng, quân sự và ô tô. Không có pin dạng túi tiêu chuẩn; mỗi nhà sản xuất đều tự thiết kế pin của riêng mình.

 

Pin dạng túi thường là Li-polymer. Pin nhỏ phổ biến cho các ứng dụng di động yêu cầu dòng tải cao, drone và đồ chơi công nghệ. Pin lớn hơn trong phạm vi 40Ah dùng trong hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) vì cell pin ít làm cho thiết kế ESS đơn giản hơn nhiều.

Mặc dù dễ xếp chồng lên nhau, khi thiết kế hệ thống pin này cần tính toán độ dãn nở. Trong khi pin dạng túi nhỏ hơn có thể dãn nở 8–10 % sau 500 chu kỳ, pin lớn có thể mở rộng đến kích thước đó sau 5.000 chu kỳ. Tốt nhất là không xếp chồng các pin dạng túi lên nhau mà hãy đặt chúng cạnh nhau trên một mặt phẳng và có thêm khoảng trống giữa chúng. Tránh các cạnh sắc có thể gây căng thẳng cho pin dạng túi khi chúng giãn nở.

 

Pin phồng quá mức là một mối lo ngại. Đôi khi độ phồng tới 3 % khi dùng một lô pin chất lượng kém. Áp suất tạo ra có thể làm nứt nắp pin và trong một số trường hợp, làm hỏng màn hình và bảng mạch điện tử. Ngừng sử dụng pin đã phồng và không chọc thủng cell phồng ở gần nhiệt hoặc lửa. Khí thoát ra có thể bắt lửa. Hình 7 cho thấy một cell túi phồng.

Có thể xảy ra hiện tượng phồng do khí. Các cải tiến đang được thực hiện với các thiết kế mới hơn. Các cell lớn ít bị phồng hơn. Các khí chủ yếu chứa CO2 (cacbon dioxit) và CO (cacbon monoxit).

Các nhà sản xuất thậm chí còn thêm “túi khí” tạm thời ở bên cạnh pin. Các khí thoát ra vào túi khí trong khi hình thành chất điện phân rắn (solid electrolyte interface – SEI) trong lần sạc đầu tiên. Túi khí được cắt ra và gói này được niêm phong lại như một phần của sản xuất hoàn thiện. Hình thành một SEI rắn là mấu chốt của sản xuất pin thành công. Các lần sạc tiếp theo sẽ tạo ra ít khí, tuy nhiên, không thể tránh hoàn toàn việc tạo ra khí. Nguyên nhân là do sự phân hủy chất điện phân trong quá trình sử dụng và lão hóa pin. Việc sử dụng không đúng cách như sạc quá mức và quá nhiệt thúc đẩy quá trình khí hóa. Việc pin phồng lên mặc dù người dùng tuân thủ hướng dẫn sử dụng có thể là một tín hiệu về một lô hàng lỗi.

Công nghệ đã phát triển và các cell hình lăng trụ và dạng túi có tiềm năng cho dung lượng lớn hơn so với dạng hình trụ. Pin túi lớn nằm ngang phục vụ cho hệ thống truyền động điện và Hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) rất tốt. Chi phí cho mỗi kWh trong cell hình lăng trụ/túi vẫn cao hơn so với cell 18650 nhưng điều này đang thay đổi. Hình 8 so sánh giá của các cell hình trụ, hình lăng trụ và dạng túi (tên khác là “laminate”). Thiết kế cell phẳng đang có giá cạnh tranh và các chuyên gia về pin dự đoán sẽ có sự chuyển dịch sang các định dạng cell này, đặc biệt là nếu có thể đáp ứng được các tiêu chí hiệu suất tương tự của cell hình trụ.

Trước kia, chi phí sản xuất các định dạng lăng trụ và dạng túi (laminate) cao hơn, nhưng giá đang giảm dần và tiệm cận với cell trụ.

Thống kê là giá cả của việc sản xuất các cell trần.

Các nhà sản xuất cell châu Á dự đoán chi phí giảm đối với bốn cell Li-ion phổ biến nhất, đó là cell 18650, 21700, lăng trụ và dạng túi. Cell 21700 hứa hẹn mức giảm chi phí lớn nhất trong nhiều năm và sản xuất kinh tế, đạt được trạng thái cân bằng giá với dạng túi vào năm 2025 (Hình 9).

Tự động hóa cho phép cân bằng giá của 21700 với cell túi vào năm 2025. Điều này không bao gồm bao bì, trong đó cell lăng trụ và cell túi có lợi thế về chi phí.

Fraunhofer dự đoán mức tăng trưởng nhanh nhất với 21700 và cell túi trong khi cell 18650 phổ biến sẽ giữ vững vị thế của mình. Chi phí cho mỗi kWh không bao gồm BMS và bao bì. Loại cell được chọn thay đổi chi phí bao bì vì cell lăng trụ có thể dễ dàng xếp chồng lên nhau; cell túi có thể cần một số lực nén và cell hình trụ cần hệ thống hỗ trợ tạo ra khoảng trống. Các pin lớn cho xe điện cũng bao gồm hệ thống kiểm soát nhiệt làm tăng thêm chi phí.

Kết luận

Với cell dạng túi, nhà sản xuất đang cố gắng đơn giản hóa quá trình sản xuất cell bằng cách chế tạo chúng theo cách đóng gói thực phẩm. Mỗi định dạng đều có ưu và nhược điểm như tóm tắt dưới đây.

 

• Cell hình trụ có năng lượng riêng cao, độ ổn định cơ học tốt và thích hợp cho sản xuất tự động. Thiết kế cell cho phép bổ sung các tính năng an toàn mà các định dạng khác không có; pin này có chu kỳ tốt, tuổi thọ dài và chi phí thấp, nhưng mật độ đóng gói không lý tưởng. Cell hình trụ thường được sử dụng cho các ứng dụng cầm tay.
• Cell hình lăng trụ được bọc trong nhôm hoặc thép để có độ ổn định. Được cuộn thành dạng thạch hoặc xếp chồng, cell này tiết kiệm không gian nhưng có thể tốn kém hơn khi sản xuất cell hình trụ. Cell hình lăng trụ hiện đại được sử dụng trong hệ thống truyền động điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.
• Cell dạng túi: Pin nhẹ và tiết kiệm chi phí nhưng tiếp xúc với độ ẩm và nhiệt độ cao có thể làm giảm tuổi thọ. Thêm áp suất nhẹ lên pin sẽ giúp kéo dài tuổi thọ bằng cách ngăn ngừa tình trạng tách lớp. Phải cân nhắc đến sự phồng lên 8–10% trong 500 chu kỳ với một số thiết kế cell. Cell lớn hoạt động tốt nhất với tải nhẹ và thời gian sạc vừa phải. Cell dạng túi ngày càng phổ biến và phục vụ các ứng dụng tương tự như cell hình lăng trụ.