Pin Axit Chì hoạt động như thế nào : Được phát minh bởi bác sĩ người Pháp Gaston Planté vào năm 1859, axit chì là loại pin sạc đầu tiên được sử dụng cho mục đích thương mại. Mặc dù tuổi cao của nó , vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi ngày nay. Có những lý do chính đáng cho sự phổ biến của nó; axit chì đáng tin cậy và rẻ tiền trên cơ sở giá mỗi watt. Có một số loại pin khác cung cấp năng lượng lớn với giá rẻ như axit chì, và điều này làm cho pin trở nên hiệu quả về mặt chi phí đối với ô tô, xe chơi gôn, xe nâng hàng, nguồn điện hàng hải và liên tục (UPS).

Cấu trúc lưới của pin axit chì được làm từ hợp kim chì. Chì nguyên chất quá mềm và sẽ không tự phục hồi, vì vậy một lượng nhỏ các kim loại khác được thêm vào để có độ bền cơ học và cải thiện tính chất điện. Các chất phụ thêm vào biến nhất là antimon, canxi, thiếc và selen. Những loại pin này thường được gọi là “chì-antimon” và “chì calci.”

Thêm antimon và thiếc để cải thiện nhưng điều này làm tăng lượng nước tiêu thụ và làm tăng nhu cầu cân bằng . Canxi làm giảm quá trình tự phóng điện, nhưng tấm canxi chì dương có tác dụng phụ là nở ra do quá trình oxy hóa lưới khi được sạc quá mức. Pin axit chì hiện đại cũng sử dụng các chất pha tạp như selen, cadmium, thiếc và asen để giảm hàm lượng antimon và canxi.

Axit chì nặng và kém bền hơn so với các hệ thống dựa trên niken và liti khi chạy chu kỳ sâu. Việc xả qua mức gây ra căng thẳng và mỗi chu kỳ xả / sạc sẽ làm giảm đi một lượng nhỏ dung lượng pin vĩnh viễn. Sự mất mát này là nhỏ trong khi pin đang ở trong tình trạng hoạt động tốt, nhưng sự suy giảm sẽ tăng lên khi hiệu suất giảm xuống một nửa dung lượng định mức. Đặc tính hao mòn này áp dụng cho tất cả các pin ở nhiều mức độ khác nhau.

Tùy thuộc vào độ xả sâu, axit chì cho các ứng dụng chu kỳ sâu cung cấp 200 đến 300 chu kỳ xả / sạc. Các lý do chính cho vòng đời tương đối ngắn của nó là sự ăn mòn lưới điện trên điện cực dương, sự cạn kiệt của vật liệu hoạt động và sự giãn nở của các bản cực dương. Hiện tượng lão hóa này được đẩy nhanh khi nhiệt độ hoạt động cao và khi dòng phóng điện cao.

Việc sạc pin axit chì rất đơn giản, nhưng phải tuân theo các giới hạn điện áp chính xác. Việc sạc điện áp thấp sẽ bảo vệ pin, nhưng điều này tạo ra hiệu suất kém và gây ra sự tích tụ sunfat trên bản cực âm. Giới hạn điện áp cao cải thiện hiệu suất nhưng hình thành sự ăn mòn lưới điện trên bản cực dương. Mặc dù quá trình sulfat hóa có thể được đảo ngược nếu được bảo dưỡng kịp thời, nhưng sự ăn mòn là vĩnh viễn.

Axit chì không tự cho phép sạc nhanh và với hầu hết các loại, thời gian sạc đầy mất 14–16 giờ. Pin phải luôn được bảo quản ở trạng thái sạc đầy. Mức sạc thấp gây ra hiện tượng sunfat hóa, một tình trạng làm mất hiệu suất của pin. Thêm carbon trên điện cực âm làm giảm vấn đề này nhưng điều này làm giảm năng lượng riêng.

Axit chì có tuổi thọ trung bình, nhưng nó không phụ thuộc vào bộ nhớ như các hệ thống dựa trên niken và khả năng lưu giữ điện tích là tốt nhất trong số các loại pin có thể sạc lại được. Trong khi NiCd mất khoảng 40% năng lượng dự trữ của chúng trong ba tháng, axit chì tự thải ra một lượng tương tự trong một năm. Pin axit chì hoạt động tốt ở nhiệt độ lạnh và vượt trội hơn so với lithium-ion khi hoạt động trong điều kiện subzero. 

Axit chì kín

Axit chì đầu tiên được đóng kín không cần bảo dưỡng xuất hiện vào giữa những năm 1970. Các kỹ sư lập luận rằng thuật ngữ “axit chì kín” là một cách viết nhầm vì không có pin axit chì nào có thể được kín hoàn toàn. Để kiểm soát quá trình thoát khí trong quá trình nạp căng thẳng và xả nhanh, các van đã được thêm vào để giải phóng khí nếu áp suất tăng lên. Thay vì nhấn chìm các tấm trong chất lỏng, chất điện phân được ngâm tẩm vào một thiết bị phân tách được làm ẩm, một thiết kế giống với các hệ thống dựa trên niken và lithium. Điều này cho phép vận hành pin theo bất kỳ hướng vật lý nào mà không bị rò rỉ.

Ắc quy kín chứa ít chất điện phân hơn loại ngập nước, do đó có thuật ngữ “thiếu axit”. Có lẽ ưu điểm đáng kể nhất của axit chì kín là khả năng kết hợp oxy và hydro để tạo nước và ngăn ngừa khô trong quá trình đạp xe. Sự tái kết hợp xảy ra ở áp suất vừa phải 0,14 bar (2psi). Van đóng vai trò như một lỗ thông hơi an toàn nếu lượng khí tích tụ tăng lên. Nên tránh thông hơi nhiều lần vì điều này sẽ dẫn đến tình trạng cạn kiệt dần. Theo RWTH, Aachen, Đức (2018), chi phí của VRLA là khoảng $ 260 cho mỗi kWh.

Một số loại axit chì kín đã xuất hiện và phổ biến nhất là gel , còn được gọi là axit chì điều chỉnh van (VRLA), và thủy tinh hấp thụ(AGM). Tế bào gel chứa một loại gel silica có tác dụng ngưng kết chất điện phân trong một hỗn hợp sền sệt. Các gói nhỏ hơn có dung lượng lên đến 30Ah thường được gọi là SLA (axit chì kín). Được đóng gói trong một hộp nhựa, những viên pin này được sử dụng cho UPS loại nhỏ, đèn chiếu sáng khẩn cấp và xe lăn. Vì giá thấp, dịch vụ đáng tin cậy và bảo trì thấp, SLA vẫn là lựa chọn ưu tiên cho việc chăm sóc sức khỏe tại các bệnh viện và nhà hưu trí. VRLA lớn hơn được sử dụng làm nguồn dự phòng cho các tháp lặp di động, trung tâm Internet, ngân hàng, bệnh viện, sân bay và hơn thế nữa.

các AGM treo chất điện phân trong một tấm lót thủy tinh được thiết kế đặc biệt. Điều này mang lại một số lợi thế cho hệ thống axit chì, bao gồm sạc nhanh hơn và dòng tải cao tức thì theo yêu cầu. AGM hoạt động tốt nhất như một loại ắc quy tầm trung có dung lượng từ 30 đến 100Ah và ít phù hợp hơn với các hệ thống lớn, chẳng hạn như UPS. Các ứng dụng điển hình là ắc quy khởi động cho xe máy, chức năng dừng khởi động cho ô tô lai siêu nhỏ, cũng như các loại xe biển và RV cần đi xe đạp.

Cùng với chu kỳ và theo thời gian , khả năng của AGM giảm dần; Mặt khác, gel có đường cong hiệu suất hình vòm và ở trong phạm vi hiệu suất cao lâu hơn nhưng sau đó giảm đột ngột về cuối. AGM rẻ hơn gel.

Không giống như pin ướt, pin axit chì kín được thiết kế với khả năng quá điện áp thấp để ngăn pin đạt đến khả năng sinh khí trong quá trình sạc. Sạc quá mức gây ra hiện tượng thoát khí, thông hơi và tiếp theo là cạn kiệt nước và cạn kiệt. Do đó, gel và một phần cũng là AGM, không thể được sạc hết điện áp của chúng và giới hạn điện áp sạc phải được đặt thấp hơn giới hạn của điện áp pin ướt. Về vấn đề sạc, gel và AGM không phải là chất thay thế trực tiếp cho loại pin ướt. Nếu không có bộ sạc được chỉ định cho AGM với cài đặt điện áp thấp hơn, hãy ngắt kết nối bộ sạc sau 24 giờ sạc.

Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin VRLA là 25 ° C (77 ° F); cứ mỗi 8 ° C (15 ° F) tăng lên trên ngưỡng nhiệt độ này sẽ làm giảm một nửa thời lượng pin. Ắc quy axit chì được đánh giá ở tốc độ phóng điện 5 giờ (0,2C) và 20 giờ (0,05C). Pin hoạt động tốt nhất khi xả chậm; các số đọc công suất về cơ bản cao hơn đáng kể khi phóng điện chậm hơn so với tốc độ 1C . Tuy nhiên, axit chì có thể tạo ra dòng xung cao vài C nếu chỉ thực hiện trong vài giây. Điều này làm cho axit chì rất thích hợp làm pin khởi động, còn được gọi là đánh lửa bằng ánh sáng khởi động (SLI). Hàm lượng chì cao và axit sulfuric làm cho axit chì không thân thiện với môi trường.

Ắc quy axit chì thường được phân loại thành ba cách sử dụng: Ô tô (khởi động hoặc SLI), động cơ (lực kéo hoặc chu kỳ sâu) và cố định (UPS).

Pin khởi động – Pin Axit Chì hoạt động như thế nào 

Ắc quy khởi động được thiết kế để quay động cơ có tải công suất cao tạm thời kéo dài một giây hoặc lâu hơn. Đối với kích thước của nó, pin có thể cung cấp dòng điện cao nhưng nó không thể có chu kỳ sâu. Pin khởi động được đánh giá với Ah hoặc RS (dung lượng dự trữ) để biểu thị khả năng lưu trữ năng lượng, cũng như CCA để biểu thị dòng điện mà pin có thể cung cấp ở nhiệt độ lạnh. SAE J537 chỉ định 30 giây phóng điện ở –18 ° C (0 ° F) ở ampe CCA định mức mà điện áp pin không giảm xuống dưới 7,2 volt. RC phản ánh thời gian chạy trong vài phút ở mức xả ổn định là 25. (SAE là viết tắt của Hiệp hội Kỹ sư Ô tô.)

Pin khởi động có điện trở bên trong rất thấp đạt được bằng cách thêm các bản phụ để có diện tích bề mặt tối đa (Hình 1). Các bản mỏng và chì được áp dụng ở dạng giống như bọt biển có dạng bọt mịn, mở rộng diện tích bề mặt hơn nữa. Độ dàybản, điều quan trọng đối với pin chu kỳ sâu ít quan trọng hơn vì quá trình phóng điện ngắn và pin được sạc lại trong khi lái xe; sự tăng cường là công suất hơn là dung lượng.

Hình 1: Pin khởi động Pin khởi động có nhiều bản mỏng ghép song song để đạt được điện trở thấp với diện tích bề mặt cao. Pin khởi động không cho phép các chu kỳ sâu.

Pin chu kỳ sâu – Pin Axit Chì hoạt động như thế nào 

Pin chu kỳ sâu được chế tạo để cung cấp năng lượng liên tục cho xe lăn, xe chơi gôn, xe nâng và hơn thế nữa. Pin này được chế tạo để có dung lượng tối đa và số chu kỳ cao hợp lý. Điều này đạt được bằng cách làm cho các bản chì dày lên (Hình 2). Mặc dù pin được thiết kế cho chu kỳ sâu, nhưng việc phóng điện đầy vẫn gây ra căng thẳng và số chu kỳ liên quan đến độ xả sâu(DoD). Pin chu kỳ sâu được đánh dấu bằng Ah hoặc phút thời gian chạy. Dung lượn thường được đánh giá là xả 5 giờ và 20 giờ.

Hình 2: Pin chu kỳ sâu Pin chu kỳ sâu có các tấm dày để cải thiện khả năng đạp xe. Pin chu kỳ sâu thường cho phép khoảng 300 chu kỳ. Được phép của Cadex

Không thể hoán đổi pin khởi động với pin chu kỳ sâu hoặc ngược lại. Trong khi một số người có sáng chế có thể bị cám dỗ để lắp pin khởi động thay vì chu kỳ sâu đắt tiền hơn trên xe lăn của mình để tiết kiệm tiền, pin khởi động sẽ không tồn tại lâu vì các bản mỏng như bọt biển sẽ nhanh chóng tan biến khi lặp lại chu trình sâu.

Có các loại ắc quy khởi động / chu kỳ sâu kết hợp dành cho xe tải, xe buýt, xe an toàn công cộng và xe quân sự, nhưng các loại ắc quy này to và nặng. Theo hướng dẫn đơn giản, pin càng nặng thì càng chứa nhiều chì và thời gian sử dụng càng lâu. Bảng 3 so sánh tuổi thọ điển hình của ắc quy khởi động và ắc quy chu kỳ sâu khi chạy theo chu kỳ sâu.

Bảng 3: Hiệu suất chu kỳ của bộ khởi động và ắc quy chu kỳ sâu. Mức phóng điện 100% đề cập đến việc xả toàn bộ; 50% là một nửa và 30% là xả vừa phải với 70% còn lại.

Axit chì hoặc Li-ion – Pin Axit Chì hoạt động như thế nào 

Kể từ khi Cadillac giới thiệu động cơ khởi động vào năm 1912, ắc quy axit chì cũng được sử dụng làm loại ắc quy được lựa chọn. Thomas Edison đã cố gắng thay thế axit chì bằng niken-sắt (NiFe), nhưng axit chì đã chiếm ưu thế do tính chất cứng cũng như giá thành rẻ. Hiện nay, axit chì đóng vai trò như pin khởi động trong trong các phương tiện.

Hình 4 minh họa các đặc điểm của axit chì và Li-ion. Axit chì tốt hơn một chút về W / kg, nhưng Li-ion mang lại những cải tiến lớn trong vòng đời của chu kỳ, năng lượng riêng tốt hơn tính theo Wh / kg và khả năng chấp nhận điện tích động tốt. Trường hợp Li-ion giảm là chi phí cao cho mỗi kWh, tái chế phức tạp và hồ sơ an toàn kém hơn axit chì.

Hình 4: So sánh axit chì và ion Li-on trong pin khởi động.
Axit chì duy trì một lượng chì mạnh trong pin khởi động. Tín dụng cho hiệu suất nhiệt độ lạnh tốt, chi phí thấp, hồ sơ an toàn tốt và dễ tái chế.

Chì là chất độc hại và các nhà môi trường muốn thay thế pin axit chì bằng một chất hóa học thay thế. Châu Âu đã thành công trong việc loại bỏ NiCd khỏi các sản phẩm tiêu dùng và những nỗ lực tương tự đang được thực hiện với pin khởi động. Các lựa chọn là NiMH và Li-ion, nhưng giá quá cao và hiệu suất ở nhiệt độ thấp kém. Với tỷ lệ tái chế 99 phần trăm , pin axit chì ít gây nguy hại đến môi trường và có thể sẽ tiếp tục là loại pin được lựa chọn.

Bảng 4 liệt kê những ưu điểm và hạn chế của các loại ắc quy axit trong phần hướng dẫn về Pin Axit Chì hoạt động như thế nào chì phổ biến đang được sử dụng ngày nay. Bảng này không bao gồm các hóa chất axit chì mới.

Bảng 4: Ưu điểm và hạn chế của ắc quy axit chì .