Beatrice Browning, nhà nghiên cứu tiến sĩ tại Viện Faraday giải thích lý do tại sao pin lithium-ion xuống cấp theo thời gian và vạch ra những gì đang được thực hiện để kéo dài tuổi thọ của chúng.
Pin Lithium-ion (LiB) là loại pin có thể sạc lại được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay khác nhau, bao gồm điện thoại, máy tính xách tay, lưu trữ năng lượng tái tạo, và quan trọng là xe điện (EV).
Tuổi thọ pin đáng kể là điều cần thiết để đảm bảo rằng xe điện được coi là vượt trội hơn so với xe động cơ xăng / diesel thông thường. Tốt hơn là tuổi thọ của pin EV ít nhất phải tương đương với tuổi thọ của chính chiếc xe và nhiều nhà sản xuất pin dành riêng cho việc giảm tốc độ xuống cấp của pin để đảm bảo điều này xảy ra.
Chủ sở hữu điện thoại thông minh và máy tính xách tay sẽ biết rằng họ cần sạc thường xuyên hơn khi pin của họ già đi và xuống cấp, nhưng biết chính xác lý do tại sao lại xảy ra trường hợp này đòi hỏi bạn phải có hiểu biết cơ bản về cách hoạt động của LiB.
Như tên cho thấy, Pin Lithium-ion hoạt động thông qua sự chuyển động của các ion liti. Trong quá trình tích điện và phóng điện, các ion liti này di chuyển qua chất điện phân giữa hai điện cực; được gọi là cực âm và cực dương.
Cực âm thường được tạo thành từ vật liệu giàu liti nhiều lớp, trong đó các ion liti (ion Li) nằm giữa các lớp. Cực dương cũng là một vật liệu phân lớp chấp nhận các ion Li-on từ cực âm và thường là than chì trong Pin Lithium-ion. Các ion Li di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác, thông qua một môi trường dẫn điện được gọi là chất điện phân.
Khi bạn sạc Pin Lithium-ion, các ion Li được lưu trữ trong catốt sẽ di chuyển qua chất điện phân và vào anốt, tạo ra năng lượng để cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử.
Khi sử dụng thiết bị chạy bằng Pin Lithium-ion, pin sẽ phóng điện và các ion Li di chuyển từ cực dương qua chất điện phân để quay trở lại cực âm. Công suất của LiB đề cập đến lượng năng lượng tối đa mà nó có thể cung cấp cho một thiết bị từ quá trình tắt Li-ion này.
Chu kỳ sạc và tuổi thọ
Chu kỳ sạc pin đề cập đến việc xả và sạc lại hoàn toàn pin: xả pin về 0% và sạc lại 100% tương đương với một chu kỳ sạc pin. Một chu kỳ sạc cũng có thể được hoàn thành bằng cách sử dụng 50% pin, sạc lại 100% và sau đó lặp lại quy trình này.
Pin càng hoàn thành nhiều chu kỳ thì pin càng xuống cấp, giảm tuổi thọ.
Lời giải thích cho điều này đến từ cấu tạo hóa học của LiB, vì có một loạt các cơ chế hóa học mà các loại pin này bị phân hủy.
Một trường hợp là mất các ion Li-ion di động trong pin. Chúng thường bị mất đi thông qua các phản ứng phụ xảy ra với chất điện phân để tạo thành các hợp chất ‘bẫy’ lithium tự do, làm giảm số lượng các ion Li-ion có thể di chuyển giữa các điện cực. Sự mất đi các ion di động làm giảm dung lượng tối đa có thể đạt được của pin.
Tuổi thọ của pin có thể bị giảm khi cấu trúc điện cực bị hư hỏng do cấu trúc bị rối loạn. Rối loạn cấu trúc có thể phát sinh trong quá trình đạp xe do sự di chuyển của các ion Li-on vào và ra khỏi các điện cực.
Điều này có thể làm giảm số lượng ion Li-ion mà điện cực có thể chấp nhận vào cấu trúc của nó, làm cạn kiệt dung lượng LiB.
Nhiệt độ và tuổi thọ của pin – một quan niệm sai lầm phổ biến
Một quan niệm sai lầm phổ biến của Pin Lithium-ion là nhiệt độ lạnh làm giảm tuổi thọ của chúng.
Điều này xuất phát từ quan sát thấy rằng điện thoại thông minh ‘chết’ nhanh hơn ở nhiệt độ lạnh, nhưng trên thực tế, điều này không gây ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ tổng thể của pin.
Nhiệt độ mát về cơ bản làm cho quá trình chuyển đổi ion Li giữa các điện cực diễn ra chậm hơn.
Điều này có nghĩa là khi sử dụng điện thoại thông minh trong điều kiện lạnh giá, dòng điện LiB tạo ra quá thấp khiến nó không thể đáp ứng kịp nhu cầu và điện thoại sẽ chết đột ngột. Cuối cùng khi nó ấm lên đến nhiệt độ môi trường xung quanh, pin hoạt động bình thường trở lại mà không bị hư hỏng lâu dài, cho phép sử dụng điện thoại bình thường.
Trên thực tế, tuổi thọ của LiB bị giảm đi ở nhiệt độ cao. Điều này là do chất điện phân nằm giữa các điện cực bị phá vỡ ở nhiệt độ cao, khiến pin mất khả năng ngắt Li-ion.
Nạp quá nhiều và sạc nhỏ giọt của Pin Lithium-ion
Sạc quá mức pin lithium-ion đề cập đến quá trình cố gắng đẩy dòng điện vào pin đã được sạc đầy, điều này có thể khiến pin quá nóng và có khả năng bắt lửa.
Lý do có thể chấp nhận được để điện thoại / máy tính xách tay vẫn cắm sạc mặc dù đã được sạc đầy là vì các nhà sản xuất pin đã áp dụng các biện pháp bảo vệ để ngăn LiB sạc quá mức.
Pin Lithium-ion sẽ ngừng hút dòng điện từ bộ sạc khi pin của thiết bị ở mức 100% do hệ thống quản lý pin và chip bảo vệ được lập trình trong thiết bị.
Mặc dù có các biện pháp ngăn ngừa sạc quá mức, việc cắm thiết bị sử dụng LiB qua đêm vẫn có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin, do hiện tượng được gọi là sạc nhỏ giọt.
Sạc thủ thuật đề cập đến quá trình pin liên tục được nạp đầy 100% mỗi khi phát sinh tổn thất sạc không thể tránh khỏi trong thiết bị. Việc dội ngược trở lại giữa mức sạc 100% và chỉ dưới 100% có thể làm tăng nhiệt độ LiB bên trong, làm giảm dung lượng và tuổi thọ của pin.
Về bản chất, pin Lithium-ion liên tục xuống cấp kể từ thời điểm chúng được sử dụng lần đầu.
Đây là kết quả của hóa học cơ bản của pin, làm phát sinh các phản ứng hóa học không thể tránh khỏi diễn ra bên trong pin trong thời gian chạy.
Những phản ứng này cản trở pin duy trì công suất đầy đủ trong suốt thời gian tồn tại của nó và việc loại bỏ chúng rất khó khăn và phức tạp. Các nhà sản xuất LiB đang cố gắng cải thiện tuổi thọ của pin thông qua nhiều phương pháp.
Ví dụ về các kỹ thuật tăng cường pin bao gồm tăng cường cấu trúc của vật liệu điện cực thông qua pha tạp cation (trong đó các cation được thêm vào trong quá trình tổng hợp điện cực để ổn định vật liệu), hoặc đưa chất phụ gia vào chất điện phân, để kể tên một số.
Nghiên cứu LiB đang diễn ra là điều cần thiết; khi nhu cầu về xe chạy bằng Li-ion tăng cao, nhu cầu về thời lượng pin dài hơn là điều cần thiết để đảm bảo xe điện có tuổi thọ lâu hơn so với các đối thủ chạy bằng nhiên liệu hóa thạch của họ.
