Sạc acquy lithium như thế nào ? Quy trình sạc acquy lithium

Sạc và xả pin là một phản ứng hóa học, nhưng Li-ion được cho là ngoại lệ. Các nhà khoa học về pin nói về năng lượng chảy vào và ra khỏi pin như một phần của chuyển động ion giữa cực dương và cực âm. Tuyên bố này có giá trị nhưng nếu các nhà khoa học hoàn toàn đúng, thì pin sẽ tồn tại mãi mãi. Họ cho rằng dung lượng giảm dần là do các ion bị mắc kẹt, nhưng cũng giống như tất cả các hệ thống pin, sự ăn mòn bên trong và các tác động thoái hóa khác còn được gọi là phản ứng ký sinh trên chất điện phân và điện cực cho đến khi đóng một vai trò nào đó. 

Bộ sạc Li-ion là một thiết bị giới hạn điện áp có những điểm tương đồng với hệ thống axit chì. Sự khác biệt với Li-ion nằm ở điện áp cao hơn trên mỗi tế bào, dung sai điện áp chặt chẽ hơn và không có điện tích nhỏ giọt hoặc trôi nổi khi sạc đầy. Mặc dù axit chì mang lại sự linh hoạt nhất định khi cắt điện áp, các nhà sản xuất tế bào Li-ion rất nghiêm ngặt về cài đặt chính xác vì Li-ion không thể chấp nhận sạc quá mức. Cái gọi là bộ sạc thần kỳ hứa hẹn kéo dài tuổi thọ pin và tăng thêm dung lượng bằng xung và các mánh lới quảng cáo khác không tồn tại. Li-ion là một hệ thống “sạch” và chỉ lấy những gì nó có thể hấp thụ.

Sạc Li-ion pha trộn coban

Li-ion với vật liệu catốt truyền thống là coban, niken, mangan và nhôm thường sạc tới 4,20V/cell. Dung sai là +/–50mV/ô. Một số loại dựa trên niken sạc tới 4,10V/cell; Li-ion dung lượng cao có thể lên tới 4,30V/cell và cao hơn. Tăng điện áp sẽ tăng công suất, nhưng vượt quá thông số kỹ thuật sẽ gây áp lực cho pin và ảnh hưởng đến sự an toàn. Các mạch bảo vệ được tích hợp trong gói không cho phép vượt quá điện áp đã đặt.

Hình 1 cho thấy chữ ký điện áp và dòng điện khi lithium-ion đi qua các giai đoạn đối với dòng điện không đổi và điện tích cực đại. Sạc đầy đạt được khi dòng điện giảm xuống còn từ 3 đến 5 phần trăm của định mức Ah.

Li-ion được sạc đầy khi dòng điện giảm xuống mức đã đặt. Thay vì sạc nhỏ giọt, một số bộ sạc áp dụng sạc cực đại khi điện áp giảm.

Tỷ lệ sạc khuyến nghị của Pin năng lượng là từ 0,5C đến 1C; thời gian sạc đầy khoảng 2–3 giờ. Các nhà sản xuất loại pin này khuyến cáo nên sạc ở nhiệt độ 0,8 độ C trở xuống để kéo dài tuổi thọ pin; tuy nhiên, hầu hết các Pin năng lượng có thể có tốc độ C sạc cao hơn mà không bị căng thẳng. Hiệu suất sạc là khoảng 99 phần trăm và tế bào vẫn mát trong khi sạc.

Một số gói Li-ion có thể bị tăng nhiệt độ khoảng 5ºC (9ºF) khi được sạc đầy. Điều này có thể là do mạch bảo vệ và/hoặc điện trở trong tăng cao. Ngừng sử dụng pin hoặc bộ sạc nếu nhiệt độ tăng hơn 10ºC (18ºF) ở tốc độ sạc vừa phải.

Quá trình sạc đầy xảy ra khi pin đạt đến ngưỡng điện áp và dòng điện giảm xuống còn 3 phần trăm dòng định mức. Pin cũng được coi là đã sạc đầy nếu dòng điện tắt và không thể giảm thêm nữa. 

Việc tăng dòng sạc không đẩy nhanh quá nhiều trạng thái sạc đầy. Mặc dù pin đạt đến điện áp cực đại nhanh hơn, nhưng quá trình sạc bão hòa sẽ mất nhiều thời gian hơn tương ứng. Với dòng điện cao hơn, Giai đoạn 1 ngắn hơn nhưng độ bão hòa trong Giai đoạn 2 sẽ lâu hơn. Tuy nhiên, mức sạc hiện tại cao sẽ nhanh chóng làm đầy pin đến khoảng 70 phần trăm.

Li-ion không cần phải được sạc đầy như trường hợp của axit chì, và cũng không nên làm như vậy. Trên thực tế, tốt hơn hết là không nên sạc đầy vì điện áp cao sẽ gây căng thẳng cho pin. Chọn ngưỡng điện áp thấp hơn hoặc loại bỏ hoàn toàn mức sạc bão hòa sẽ kéo dài tuổi thọ pin nhưng điều này làm giảm thời gian chạy. Bộ sạc cho các sản phẩm tiêu dùng có công suất tối đa và không thể điều chỉnh được; tuổi thọ dịch vụ kéo dài được coi là ít quan trọng hơn.

Một số bộ sạc tiêu dùng giá rẻ hơn có thể sử dụng phương pháp “sạc và chạy” đơn giản hóa để sạc pin lithium-ion trong một giờ hoặc ít hơn mà không cần chuyển sang sạc bão hòa Giai đoạn 2. “Sẵn sàng” xuất hiện khi pin đạt đến ngưỡng điện áp ở Giai đoạn 1. Trạng thái sạc (SoC) tại thời điểm này là khoảng 85 phần trăm, mức có thể đủ cho nhiều người dùng.

Một số bộ sạc công nghiệp đặt ngưỡng điện áp sạc thấp hơn nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ pin

Bảng 2 minh họa dung lượng ước tính khi được sạc tới các ngưỡng điện áp khác nhau có và không có sạc bão hòa

Việc thêm độ bão hòa hoàn toàn ở điện áp đã đặt sẽ tăng công suất lên khoảng 10 phần trăm nhưng lại gây thêm căng thẳng do điện áp cao.

Khi pin được sạc lần đầu tiên, điện áp sẽ tăng lên nhanh chóng. Hành vi này có thể được so sánh với việc nâng trọng lượng bằng dây cao su, gây ra độ trễ. Dung lượng cuối cùng sẽ bắt kịp khi pin được sạc gần đầy ( Hình 3 ). Đặc tính sạc này là điển hình của tất cả các loại pin. Dòng điện tích càng cao thì hiệu ứng dây cao su sẽ càng lớn. Nhiệt độ lạnh hoặc sạc pin có điện trở trong cao sẽ khuếch đại hiệu ứng.

Công suất tỉ lệ điện áp sạc giống như nâng một vật nặng bằng dây cao su.

Ước tính SoC bằng cách đọc điện áp của pin sạc là không thực tế; đo điện áp mạch hở (OCV) sau khi pin đã nghỉ ngơi trong vài giờ là một chỉ báo tốt hơn. Như với tất cả các loại pin, nhiệt độ ảnh hưởng đến OCV, vật liệu hoạt động của Li-ion cũng vậy. SoC của điện thoại thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị khác được ước tính bằng cách đếm coulomb.

Li-ion không thể hấp thụ quá tải. Khi được sạc đầy, dòng sạc phải được cắt. Việc sạc liên tục sẽ gây ra lớp mạ lithium kim loại và ảnh hưởng đến độ an toàn. Để giảm thiểu , hãy giữ pin lithium-ion ở ngưỡng giới hạn cao nhất càng ngắn càng tốt.

Khi quá trình sạc kết thúc, điện áp pin bắt đầu giảm. Điều này làm giảm điện áp. Theo thời gian, điện áp mạch hở sẽ ổn định trong khoảng từ 3,70V đến 3,90V/cell. Lưu ý rằng pin Li-ion đã được sạc đầy bão hòa sẽ giữ điện áp tăng cao lâu hơn so với pin chưa được sạc bão hòa.

Khi phải để pin lithium-ion trong bộ sạc để sẵn sàng hoạt động, một số bộ sạc áp dụng một lần sạc đầy ngắn để bù cho lượng pin tự phóng điện nhỏ và mạch bảo vệ của pin tiêu thụ. Bộ sạc có thể khởi động khi điện áp mạch hở giảm xuống 4,05V/cell và tắt trở lại ở 4,20V/cell. Bộ sạc được chế tạo để sẵn sàng hoạt động hoặc ở chế độ chờ, thường để điện áp pin giảm xuống 4,00V/cell và sạc lại chỉ còn 4,05V/cell thay vì 4,20V/cell đầy đủ. Điều này làm giảm căng thẳng liên quan đến điện áp và kéo dài tuổi thọ pin.

Một số thiết bị di động nằm trong đế sạc ở vị trí BẬT. Dòng điện chạy qua thiết bị được gọi là tải ký sinh và có thể làm biến dạng chu kỳ sạc. Các nhà sản xuất pin khuyên không nên tải ký sinh trong khi sạc vì chúng tạo ra các chu kỳ nhỏ. Không phải lúc nào cũng có thể tránh được điều này và máy tính xách tay được kết nối với nguồn điện chính AC là một trường hợp như vậy. Pin có thể được sạc đến 4,20V/cell và sau đó được xả bởi thiết bị. Mức độ căng thẳng trên pin cao do các chu kỳ xảy ra ở ngưỡng điện áp cao, thường cũng ở nhiệt độ cao.

Nên tắt thiết bị di động trong khi sạc. Điều này cho phép pin đạt đến ngưỡng điện áp đã đặt và điểm bão hòa hiện tại mà không bị cản trở. Tải ký sinh gây nhầm lẫn cho bộ sạc bằng cách giảm điện áp pin và ngăn dòng điện trong giai đoạn bão hòa giảm đủ thấp bằng cách tạo ra dòng điện rò rỉ. Pin có thể được sạc đầy, nhưng các điều kiện phổ biến sẽ thúc đẩy việc sạc liên tục, gây căng thẳng.

Sạc Li-ion không pha coban

Trong khi lithium-ion truyền thống có điện áp di động danh định là 3,60V, Li-photphat (LiFePO) tạo ra một ngoại lệ với điện áp di động danh định là 3,20V và sạc đến 3,65V. Tương đối mới là Li-titanate (LTO) với điện áp di động danh định là 2,40V và sạc tới 2,85V. 

Bộ sạc cho các Li-ion không pha trộn coban này không tương thích với Li-ion 3,60 volt thông thường. Dự phòng phải được thực hiện để xác định các hệ thống và cung cấp sạc điện áp chính xác. Pin lithium 3,60 volt trong bộ sạc được thiết kế cho Li-photphat sẽ không nhận đủ điện năng; Li-photphat trong bộ sạc thông thường sẽ gây ra hiện tượng sạc quá mức.

Sạc quá mức Lithium-ion

Lithium-ion hoạt động an toàn trong điện áp hoạt động được chỉ định; tuy nhiên, pin sẽ trở nên không ổn định nếu vô tình được sạc ở mức điện áp cao hơn quy định. Quá trình sạc kéo dài trên 4,30V trên Li-ion được thiết kế cho 4,20V/cell sẽ tạo ra lớp pin lithium kim loại trên cực dương. Vật liệu cực âm trở thành chất oxy hóa, mất tính ổn định và tạo ra carbon dioxide (CO2). Áp suất tế bào tăng lên và nếu tiếp tục sạc, thiết bị ngắt dòng điện (CID) chịu trách nhiệm ngắt kết nối an toàn cho tế bào ở 1.000–1.380kPa (145–200psi). Nếu áp suất tăng hơn nữa, màng an toàn trên một số vụ nổ Li-ion sẽ mở ra ở khoảng 3.450kPa (500psi) và tế bào cuối cùng có thể thoát ra bằng ngọn lửa. 

Thông gió với ngọn lửa được kết nối với nhiệt độ cao. Pin được sạc đầy có nhiệt độ thoát nhiệt thấp hơn và sẽ xả hơi sớm hơn so với pin được sạc một phần. Tất cả các loại pin dựa trên lithium đều an toàn hơn với mức sạc thấp hơn và đây là lý do tại sao các cơ quan chức năng sẽ bắt buộc vận chuyển Li-ion bằng đường hàng không ở trạng thái sạc 30% thay vì sạc đầy.

Ngưỡng của Li-coban khi sạc đầy là 130–150ºC (266–302ºF); niken-mangan-coban (NMC) là 170–180ºC (338–356ºF) và Li-mangan là khoảng 250ºC (482ºF). Li-photphat có độ ổn định nhiệt độ tương tự và tốt hơn so với mangan. 

Lithium-ion không phải là loại pin duy nhất gây nguy hiểm về an toàn nếu bị sạc quá mức. Pin làm từ chì và niken cũng được biết là dễ tan chảy và gây cháy nếu được xử lý không đúng cách. Thiết bị sạc được thiết kế phù hợp là tối quan trọng đối với tất cả các hệ thống pin và cảm biến nhiệt độ là một người giám sát đáng tin cậy.

Bản tóm tắt

Sạc pin lithium-ion đơn giản hơn các hệ thống dựa trên niken. Mạch tích điện thẳng; các giới hạn về điện áp và dòng điện sẽ dễ dàng đáp ứng hơn so với việc phân tích các dấu hiệu điện áp phức tạp, vốn thay đổi khi pin già đi. Quá trình sạc có thể không liên tục và Li-ion không cần bão hòa như trường hợp axit chì. Điều này mang lại một lợi thế lớn cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo như bảng điều khiển năng lượng mặt trời và tua-bin gió, không phải lúc nào cũng có thể sạc đầy pin. Việc không có sạc nhỏ giọt giúp đơn giản hóa bộ sạc hơn nữa. Bộ sạc cân bằng, như yêu cầu với axit chì, không cần thiết với Li-ion.

Hầu hết các bộ sạc Li-ion công nghiệp và tiêu dùng đều sạc đầy pin. Họ không cung cấp điện áp sạc cuối có thể điều chỉnh để kéo dài tuổi thọ của Li-ion bằng cách giảm điện áp sạc cuối và chấp nhận thời gian chạy ngắn hơn. Các nhà sản xuất thiết bị lo ngại rằng một tùy chọn như vậy sẽ làm phức tạp bộ sạc.

Hướng dẫn đơn giản để sạc pin Lithium

• Tắt thiết bị hoặc ngắt kết nối tải khi sạc để cho phép dòng điện giảm xuống không bị cản trở trong quá trình bão hòa. Tải ký sinh gây nhầm lẫn cho bộ sạc.
• Sạc ở nhiệt độ vừa phải. Không sạc ở nhiệt độ đóng băng. 
• Lithium-ion không cần sạc đầy; một phần phí là tốt hơn.
• Không phải tất cả các bộ sạc đều áp dụng mức sạc đầy và pin có thể không được sạc đầy khi tín hiệu “sẵn sàng” xuất hiện; một khoản phí 100 phần trăm trên đồng hồ đo nhiên liệu có thể là một lời nói dối.
• Ngừng sử dụng bộ sạc và/hoặc pin nếu pin quá nóng.
• Sạc một ít điện cho pin trống trước khi cất giữ (40–50 phần trăm SoC là lý tưởng)