Nguyên nhân gây hao pin

Bài viết tham khảoTạp chí PV

Trong bối cảnh có nhiều loại pin khác nhau, mỗi loại pin và phân loại thiết bị đều có khả năng dễ bị xuống cấp, bị ảnh hưởng bởi việc sử dụng và các yếu tố khác. Một số tế bào phát triển mạnh ở nhiệt độ thấp, một số khác phát triển tốt ở dòng điện cao. Tuy nhiên, sự chuyên môn hóa như vậy thường phải trả giá.

Lão hóa pin có thể liên quan đến thời gian (trong trường hợp lão hóa theo lịch hoặc “lịch”) hoặc liên quan đến việc sử dụng, với việc sạc và xả biểu thị lão hóa “theo chu kỳ”.

Cả hai dạng lão hóa đều góp phần làm giảm công suất và hiệu suất cũng như tăng sức đề kháng bên trong khi các ion bị mắc kẹt trong các phản ứng phụ khó chịu vĩnh viễn. Những phản ứng này được thúc đẩy bởi nhiều “yếu tố ảnh hưởng” khác nhau. Thông thường, các ion phản ứng không thể đảo ngược với các vật liệu khác trong tế bào, tạo thành cặn thụ động và ngăn cản việc sử dụng chúng để vận chuyển năng lượng.

Các yếu tố ảnh hưởng phổ biến – có tác động thay đổi tùy theo loại tế bào – bao gồm nhiệt độ của tế bào pin; trạng thái sạc của thiết bị (SOC); và dòng điện hoặc nguồn điện được sử dụng trong quá trình sạc và xả. Về trạng thái sạc – lượng điện tích hoặc năng lượng trong pin – SOC không hoạt động quan trọng khi pin không được sử dụng và cửa sổ SOC (phạm vi xảy ra chu trình đạp xe) có liên quan khi thiết bị đang đạp xe.

Ứng suất cơ học, chẳng hạn như độ rung và áp suất, là một yếu tố ảnh hưởng khác đến sự xuống cấp của pin nhưng hiện tại chúng ta sẽ tập trung vào ba yếu tố trên.

Nhiệt độ

Nhiệt độ đóng một vai trò quan trọng trong tuổi thọ pin. Hầu hết các thành phần hóa học của tế bào đều được hưởng lợi từ việc bảo quản và chạy không tải ở nhiệt độ thấp, dưới 20 C, vì điều đó làm chậm quá trình lão hóa theo lịch bằng cách giảm nguy cơ phản ứng phụ. Chạy không tải ở nhiệt độ cao hơn có thể làm tăng đáng kể tốc độ xuống cấp.

Ngược lại, hầu hết công nghệ tế bào đều rất nhạy cảm với hoạt động ở nhiệt độ thấp, gây ra tình trạng khó xử. Với nhiệt độ trên 30 C đến 40 C là thấp hơn mức tối ưu, điểm lý tưởng để pin hoạt động là khoảng 15 C đến 25 C đối với hầu hết các hóa chất. Các loại pin dựa trên niken-mangan-coban (NMC) mới hơn rất nhạy cảm với việc sạc ở nhiệt độ thấp và có thể xảy ra các khuyết tật nguy hiểm nếu sạc ở nhiệt độ thấp hơn 10 C. Trong biểu đồ bên trái, hiển thị ba tế bào NMC chất lượng cao cùng loại , tốc độ phân hủy được cải thiện đôi chút bằng cách giảm nhiệt độ vận hành xuống 10 C, từ 25 C (đường màu cam) xuống 15 C (đường màu tím). Tuy nhiên, giảm xuống 10 C (đường màu xanh lam) sẽ làm hỏng pin gần như ngay lập tức.

Mạ lithium

Pin lithium-ion (li-ion) nhìn chung an toàn nhưng trong một số điều kiện nhất định – ở nhiệt độ lạnh, dưới dòng điện cao hoặc với điện cực chủ đã được lấp đầy – chúng có thể bị mạ lithium. Ví dụ trên cho thấy tác động của việc mạ ở nhiệt độ thấp. Mạ là một dạng cặn xảy ra khi các ion lithium hình thành cặn kim loại bên trong pin. Theo thời gian, quá trình này có thể tích tụ và cuối cùng dẫn đến đoản mạch bên trong, có thể gây ra sự thoát nhiệt – sự giải phóng nhiệt và khí nhanh chóng và nguy hiểm.

SOC

Trạng thái sạc có tác động đáng kể đến tuổi thọ của pin. Cả SOC nhàn rỗi, trong quá trình không sử dụng (liên quan đến lão hóa theo lịch) và phạm vi SOC hoặc cửa sổ trong quá trình hoạt động (lão hóa theo chu kỳ) đều quan trọng. Ví dụ sau đây cho thấy hai ô NMC giống hệt nhau.

Biểu đồ bên dưới cho thấy sự tiến triển xuống cấp của hai trường hợp sử dụng gần như giống hệt nhau của tế bào NMC chất lượng cao.

Cả hai đều chỉ sử dụng khoảng 50% pin và trường hợp sử dụng đầu tiên (đường màu xanh lam) làm như vậy ở nửa trên của SOC, bắt đầu được sạc đầy và giảm xuống 50% trước khi được sạc đầy trở lại. Trường hợp sử dụng thứ hai (màu cam) bắt đầu ở mức sạc 50% và kết thúc gần như trống rỗng. Như biểu đồ cho thấy, tác động đến sự xuống cấp là không thể tin được: pin màu cam sẽ có tuổi thọ cao hơn gấp hai đến ba lần so với pin màu xanh lam, giảm hơn một nửa tổng chi phí sở hữu.

Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng đây là một ví dụ về một loại tế bào cụ thể và các thiết bị và tế bào khác có thể hoạt động hoàn toàn khác. Theo nguyên tắc chung, việc tránh SOC trên 90% và dưới 10% thường giúp kéo dài tuổi thọ pin, nhưng vẫn có những trường hợp ngoại lệ.