Độ tin cậy và an toàn của pin phần 2
Đánh giá độ tin cậy
Chúng ta xem xét độ tin cậy và các hư hỏng liên quan đến pin trong phần này chứ không phải những hư hỏng do pin gây ra từ bên ngoài. Thiết bị bị lỗi có thể làm hết pin sớm. Người dùng cuối có thể sử dụng sai pin bằng cách sạc pin quá mức ở nhiệt độ cao hơn mức khuyến nghị hoặc sử dụng pin không đúng ứng dụng. Việc xử lý và sử dụng sai cách không đúng cách được cho là nguyên nhân phổ biến nhất khiến pin không hoạt động như mong đợi. Trong mỗi trường hợp này, hiệu suất của pin sẽ bị ảnh hưởng xấu nhưng pin chỉ là người ngoài cuộc vô tội.
Hãy nhớ rằng độ tin cậy của pin là xác suất pin sẽ cung cấp mức năng lượng và năng lượng xác định trong một số điều kiện cụ thể. Thời điểm hết tuổi thọ của pin có thể được xác định theo một số cách, bao gồm
- Điện áp, dù không tải (điện áp mạch hở) hoặc có tải (điện áp tải hoặc phóng điện), giảm xuống dưới giới hạn quy định mà tại đó thiết bị không thể hoạt động bình thường được nữa.
- Điện trở trong tăng vượt quá giá trị ngưỡng xác định.
- Công suất đầu ra quá thấp.
- Sự suy giảm công suất xả dưới mức xác định theo số chu kỳ sạc và xả của pin sạc.
- Thông hơi rò rỉ khí và chất điện phân do tích tụ áp suất quá mức.
Bất kỳ hoặc tất cả những điều này có thể được nhà sản xuất pin hoặc người dùng cuối sử dụng để xác định thời điểm kết thúc thời gian sử dụng hữu ích của pin. Một số có liên quan. Ví dụ, điện trở trong cao dẫn đến điện áp tải thấp hơn và công suất đầu ra giảm. Các số liệu thông thường về giá trị hoặc thước đo xác định tuổi thọ của pin tại thời điểm hỏng hoặc cạn kiệt thông thường là thời gian (phút, năm), dung lượng (Ah), năng lượng (Wh), số chu kỳ sạc và xả hoặc số lượng xung dòng điện cao, tùy thuộc vào loại pin và ứng dụng mục tiêu của pin.
Ví dụ: Giới hạn điểm cuối thường là mức điện áp tối thiểu cho một tải hoặc phạm vi tải cụ thể và một tập hợp các điều kiện môi trường. Ví dụ, một pin không khí kẽm PR70 (cỡ 10) được phóng điện với điện trở 3 kΩ ở 21°C và độ ẩm tương đối 50% đến giới hạn điện áp 0,9 V dự kiến sẽ cung cấp 91 mAh. Đối với pin sạc, giới hạn này có thể là số chu kỳ sạc và xả trước khi công suất xả giảm xuống 80% công suất xả đo được trong chu kỳ đầu tiên.
Một ví dụ khác: Một pin lithium ion 18650 có công suất danh định là 2,40 Ah được sạc đến 4,2 V ở 1,2 A và giữ ở mức 4,2 V cho đến khi dòng điện giảm xuống 0,12 A (dòng điện không đổi—giao thức sạc điện áp không đổi—xem Chương 11) ở 21 ° C. Sau 20 phút nghỉ ở mạch hở, tế bào được phóng điện với dòng điện không đổi 1,2 A đến 3,0 V.
Sự thay đổi công suất xả của pin này theo số chu kỳ sạc và xả được thể hiện trong hình bên dưới. Pin này dự kiến sẽ cung cấp khoảng 600 chu kỳ sạc và xả như vậy trước khi công suất xả của pin giảm xuống 80% công suất được cung cấp trong chu kỳ đầu tiên (2,40 Ah × 80% = 1,92 Ah). Thông thường, nhà sản xuất sẽ cung cấp nhiều giá trị về tuổi thọ pin (cũng như các đặc tính chức năng khác như điện áp phóng điện) cho nhiều nhóm điều kiện.
Nguyên nhân cơ bản gây ra lỗi pin có rất nhiều. Chúng có xu hướng khác nhau tùy theo thành phần hóa học của tế bào, kiểu cấu trúc khác nhau (cuộn hình trụ, vết xoắn ốc, hình lăng trụ, nút, đồng xu) và kích cỡ pin. Các dạng lỗi khác nhau có nhiều khả năng xảy ra vào các thời điểm khác nhau trong suốt thời gian sử dụng của pin, trong khi một số dạng lỗi có thể xảy ra bất kỳ lúc nào. Chúng có thể có phân bố xác suất khác nhau và có thể có nhiều cơ chế lỗi hoạt động đồng thời làm nhiễu dữ liệu và làm phức tạp việc phân tích.
Chúng tôi có thể chia các hư hỏng thành bốn loại lớn dựa trên thời điểm chúng xảy ra trong thời gian sử dụng của pin—hư hỏng sớm, hư hỏng tiềm ẩn và khiếm khuyết ngẫu nhiên, hết tuổi thọ sớm và cạn kiệt thông thường. Chúng ta sẽ bắt đầu với cái cuối cùng trước.
Sự thay đổi công suất phóng điện theo số chu kỳ sạc và xả của pin lithium ion. Phải mất khoảng 600 chu kỳ trước khi công suất xả giảm xuống 80% công suất xả kể từ chu kỳ đầu tiên.
Pin lithium ion là gì? Pin lithium-ion (Li-ion) là một loại pin sạc được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị điện tử, từ điện thoại di động đến laptop và xe điện. Pin lithium-ion hoạt động bằng cách di chuyển ion lithium từ điện cực dương đến điện cực âm trong quá trình sạc và ngược lại trong quá trình xả. Một trong những lợi ích chính của pin lithium-ion là khả năng tự giữ điện cao, có nghĩa là chúng có thể giữ được năng lượng lâu sau mỗi lần sạc. Pin này cũng khá nhẹ và có thể được thiết kế thành nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, làm cho chúng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, pin lithium-ion cũng có một số hạn chế, bao gồm nguy cơ nổ nếu bị sử dụng hoặc sạc không đúng cách và tuổi thọ hữu hạn do quá trình suy giảm tự nhiên của pin.
Sự suy giảm bình thường
Sự suy giảm tự nhiên (hay còn gọi là hao mòn) không phải là một dạng hỏng hóc đột ngột. Tất cả các loại pin, kể cả các loại pin có thể sạc lại, đều có một tuổi thọ hữu hạn. Cuối cùng, chúng sẽ trải qua quá trình suy giảm khi vật liệu hoạt động bên trong pin bị tiêu hao, điện trở tăng lên đến mức không thể chấp nhận được, hoặc các cơ chế khác ảnh hưởng đến khả năng cung cấp năng lượng của pin.
Pin sơ cấp sẽ trải qua quá trình suy giảm khi vật liệu hoạt động bên trong bị tiêu thụ sau mỗi chu kỳ sử dụng. Các phản ứng hóa học ký sinh, chung được gọi là tự phóng điện, cũng làm giảm lượng vật liệu hoạt động theo thời gian, nhưng không tạo ra năng lượng hữu ích. Tự phóng điện dẫn đến mất hiệu suất do vật liệu hoạt động bị tiêu thụ. Lựa chọn thành phần hóa học và thiết kế của pin cũng như điều kiện môi trường, đặc biệt là nhiệt độ, đều ảnh hưởng đến tốc độ tự phóng điện. Các nhà thiết kế pin nỗ lực giảm thiểu hiện tượng tự phóng điện.
Pin thứ cấp nhận năng lượng từ nguồn điện bên ngoài, sau đó chuyển hóa thành năng lượng hóa học. Tuy nhiên, ngay cả khi sạc lại, pin thứ cấp cuối cùng cũng không thể cung cấp công suất hoặc năng lượng ở mức chấp nhận được, thường là do chúng không thể tiếp nhận đủ điện trong quá trình sạc. Pin thứ cấp cũng trải qua quá trình tự phóng điện, thường ở tốc độ cao hơn nhiều so với pin sơ cấp. Một phần, nhưng không phải tất cả, dung lượng bị mất do tự phóng điện sẽ được khôi phục trong quá trình sạc.
Sự suy giảm hiệu suất của pin là một hàm số của thời gian và số lần sạc, cũng như cách bảo quản, xả và sạc pin, cũng như điều kiện môi trường. Yêu cầu về hiệu suất trong nhiều điều kiện môi trường, đặc biệt là nhiệt độ, được xác định bởi các nhà sản xuất pin. Họ cần hiểu cách người dùng sử dụng pin, thiết kế các thử nghiệm phù hợp để đánh giá hiệu suất trong nhiều điều kiện, và chỉ định một tuổi thọ dự kiến dựa trên dữ liệu thử nghiệm hoặc mô hình. Tất nhiên, quá trình suy giảm tự nhiên của pin có thể thay đổi theo từng loại pin, như đã thảo luận ở phần trước của chương này.
