Pin LiFePO4 có cần nén chặt (gông pin) hay không: Nguyên nhân và cách làm

Phạm vi bài viết:

Trong bài viết này chúng tôi bàn tới pin LFP (Hay còn gọi là LiFePO4, pin sắt phốt phát) hình lăng trụ. Các cell này thường có dung lượng lớn và hay phồng.

Câu trả lời ngắn gọn là nên nén chặt, tuy nhiên, tùy ứng dụng cụ thể, và tùy vào chi phí người dùng muốn bỏ ra ban đầu.

Có lẽ đây là một chủ đề gây nhiều tranh cãi khắp nơi trên thế giới, cả cộng động DIY lẫn giới học thuật. Việc “nhắm mắt” làm theo hãng pin ép (gông) thật chặt và không hiểu bản chất vấn đề là khá phổ biến. Lý do là ngay cả trong datasheet của hãng pin cũng mập mờ về việc có nên nén hay không, và nén thế nào cũng không bàn tới.

Hãng pin không chỉ định nén cell pin lăng trụ LFP trong datasheet.

Tiêu chuẩn kỹ thuật cell pin EVE 3.2V 280AH. Nguồn: Battery-Germany.de

Specs của hãng KHÔNG chỉ định bạn buộc phải nén, họ chỉ nêu điều kiện trong phòng thí nghiệm là dưới áp lực 300kgf ở 25°C và hệ số xả 0.5C, cell có số chu kỳ là 6000 lần sạc xả.

Nén pin LFP với một áp lực phù hợp giúp ổn định cấu trúc 2 điện cực làm tăng tuổi thọ pin từ 2 tới 3 lần.

Bên trong cell Winston LiFePO4 lăng trụ

Để hoạt động trong tình trạng tốt, Cell pin LFP lăng trụ nên được nén bằng một lực vừa phải lên bề mặt hình chư nhật rộng. Lực này cần phải được phân bố đều nhau. Hãng pin A123 đã nghiên cứu mối tương quan của lực nén trên bề mặt cell với tuổi thọ của chúng. Như vậy, nếu không nén psi = 0, vòng đời của cell là hơn 4000. Tuy nhiên nếu dùng lực Psi = 12, cell có thể đạt được tuổi thọ là 12000 lần sạc xả. Ấn tượng phải không bạn?

Việc nén pin cũng giúp duy trì lực lên cầu ốc giúp mô phỏng lực giống như trong tiêu chuẩn kỹ thuật của hãng.

Mối tương quan giữa lực nén và tuổi thọ cell pin lăng trụ LFP. Nguồn: Electrodacus.com

Nén pin làm giảm nhiệt lượng tỏa ra (vốn là nguyên nhân gây phồng pin sắt).

 

HGR – heat generation rate: tỷ lệ tỏa nhiệt – trong mối tương quan với lực nén lên pin. 

Theo nghiên cứu khoa học đã công bố trên ResearchGate, việc nén bằng áp lực với cell pin LFP sẽ giúp cell chậm lão hóa xuống cấp hơn và vòng đời có thể gấp 3 lần so với không nén.  Khi áp lực nén tăng lên, tỷ lệ tỏa nhiệt giảm xuống đáng kể, giúp cell không bị phồng và biến dạng, đồng thời thời gian xả cũng tăng lên.

Vì vậy, việc nén cell pin có dung lượng lớn là vô cùng có ý nghĩa trong việc định hình ổn định cấu trúc bên trong pin, giúp pin bền và đạt hiệu suất hoạt động tối đa, và tránh các biến dạng như phồng / tỏa nhiệt/ tăng nội trở. Lực nén tối ưu là bao nhiêu bạn nên tuân thủ theo chỉ định tiêu chuẩn kỹ thuật của hãng pin.

Cần có tấm cách nhiệt/cách điện và hệ thống làm mát giữa các cell LFP lăng trụ, đặc biệt đối với người dùng ở xứ nóng.

Do cấu trúc hình lăng trụ không đối xứng như cell trụ, nên áp lực không phân bổ đồng đều trên bề mặt cell pin; gây ra nóng cục bộ trên mặt hình chữ nhật lớn (Đây là khu vực thường xuyên phồng). Vì vậy, khi nén pin thì nhiệt có cơ hội tích tụ càng lớn nếu không xử lý đúng cách.

Tăng nhiệt là nguyên nhân hàng đầu gây lão hóa nghiêm trọng ở pin lithium ion LFP prismatic. Nếu không có biện pháp tản nhiệt hợp lý, mọi nỗ lực làm tăng hiệu suất pin thông qua lực nén sẽ trở nên phản tác dụng.

Đó là lý do bạn thấy nhiều người tiêu dùng cá nhân, đặc biệt ở những vùng thời tiết nóng, cho rằng không nên lãng phí tiền của để nén pin. Với sinh hoạt offgrid thông thường, người ta không cần xả pin với hệ số C cao, tỷ lệ pin phồng và biến dạng rất ít. Thêm nữa, nếu không nén pin, với 2500 lần sạc đầy xả cạn – tức khoảng gần 7 năm; và với hệ thống lưu trữ điện họ chỉ sử dụng dưới 50% công suất cho hoạt động thường nhật, tức có thể dùng tới 14 năm. Khối pin như vậy đã hiệu quả về kinh tế vượt trội so với mong đợi. Vì vậy, bạn sẽ thấy các luồng tư tưởng trái chiều về việc có thực sự hiệu quả khi nén chặt pin không, do người dùng có nhiều nhu cầu khác nhau tùy ứng dụng.

Việc vừa nén pin vừa có hệ thống làm mát hiệu quả sẽ giúp khối pin của bạn hoạt động tối ưu về hiệu suất.

Ngoài ra, mặc dù các cell lăng trụ được thiết kế với các điện cực cách điện tốt, nhưng khi điện áp đủ cao có thể xảy ra phóng điện. Vì vậy trong bất kỳ thiết kế khối pin nào, cần có lớp cách điện/cách nhiệt để không cho tiết diện lớn của TẤT CẢ các cell tiếp xúc nhau, và không tiếp xúc các bề mặt dẫn điện bên ngoài khác như lớp bọc bằng băng dính heatshrinnk, vỏ hộp pin…

Việc nén pin đối với pin xe điện EV là cần thiết.

Đối với xe điện (ô tô điện), khối pin cần đáp ứng nhu cầu tăng tốc, đề, tức nhu cầu xả đột ngột. Hệ số xả C cần phải cao mới đáp ứng được pin EV. Hệ số xả càng cao thì pin LFP lăng trụ càng dễ phồng.

Xem thêm: các nguyên nhân gây phồng pin LFP hình lăng trụ 

Vì vậy, đối với xe ô tô, các hãng thường nén pin nhằm ổn định cấu trúc, đồng thời hệ thống làm mát được tích hợp nhằm tối ưu hóa vòng đời và hiệu suất pin.

Bố trí cell LFP nằm hay đứng

Tốt nhất bạn nên dựng đứng pin LFP lăng trụ với 2 đầu điện cực hướng lên trên.

Ngoài ra, nếu datasheeet cho phép, bạn có thể để pin đứng lên trên mặt chữ nhật nhỏ.

Cuối cùng là cách sắp xếp mà các hãng khuyến nghị nên tránh.