Sạc pin Lithium trộn Coban

Sạc pin Lithium đúng cách : Li-ion có catốt làm từ coban, niken, mangan và nhôm và thường sạc tới 4,20V / cell. Dung sai là +/– 50mV / cell. Một số loại giống pin niken có thể sạc đến 4,10V /cell ; pin Li-ion dung lượng cao có thể lên đến 4,30V / cell và cao hơn. Việc tăng điện áp sẽ làm tăng dung lượng, nhưng vượt quá thông số kỹ thuật sẽ gây căng thẳng cho pin và ảnh hưởng đến sự an toàn. Các mạch bảo vệ pin được tích hợp bên trong không cho phép vượt quá điện áp đặt.

Hình 1 cho thấy điện áp và dòng điện khi sạc pin lithium-ion : các giai đoạn dòng điện không đổi và điện áp cao nhất. Pin được sạc đầy khi dòng điện giảm xuống từ 3 đến 5 phần trăm của dung lượng Ah.
 

Hình 1: Các giai đoạn sạc của lithium-ion . Li-ion được sạc đầy khi dòng điện giảm xuống mức đã đặt. Thay vì sạc nhỏ giọt, một số bộ sạc áp dụng mức sạc lớn nhất khi điện áp giảm.

Mức sạc của một pin là từ 0,5C đến 1C; thời gian sạc đầy là khoảng 2-3 giờ. Các nhà sản xuất pin khuyên Sạc pin Lithium đúng cách ở dòng sạc 0,8C hoặc thấp hơn để kéo dài tuổi thọ của pin; tuy nhiên, hầu hết các pin có thể sạc  với mức sạc C-rate cao hơn mà không bị căng thẳng. Hiệu suất sạc là khoảng 99 phần trăm và pin vẫn mát trong khi sạc.

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

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 giảm và không thể giảm thêm. Tự phóng điện tăng cao có thể là nguyên nhân của tình trạng này.

Tăng cường độ dòng điện không đẩy nhanh trạng thái sạc đầy. Mặc dù pin đạt đến đỉnh điện áp nhanh hơn, nhưng thời gian sạc bão hòa sẽ lâu hơn. 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 dòng điện cao sẽ nhanh chóng làm đầy pin đến khoảng 70 phần trăm.

Li-ion không cần phải được sạc đầy như trường hợp pin axit chì, và cũng không cần phải làm như vậy. Trên thực tế, tốt hơn 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 Sạc bão hòa sẽ kéo dài tuổi thọ pin nhưng điều này làm giảm thời gian chạy của pin.

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

Một số bộ sạc công nghiệp được đặt ngưỡng điện áp sạc thấp hơn để kéo dài tuổi thọ pin. Bảng 2 minh họa công suất ước tính khi được sạc đến các ngưỡng điện áp khác nhau có và không có giai đoạn bão hòa.
 

Bảng 2: Đặc điểm điện áp của pin lithium-ion. Thêm độ bão hòa đầy đủ ở điện áp đặt sẽ tăng công suất lên khoảng 10 phần trăm nhưng thêm căng thẳng do điện áp cao.

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

Hình 3:  Vôn / Dung lượng so với thời gian khi sạc lithium-ion. Dung lượng kéo theo điện áp tích điện giống như nâng một quả nặng bằng một sợi dây cao su.

Ước tính trạng thái tích điện (SoC) bằng cách đọc điện áp của pin sạc là không thực tế; đo điện áp hở mạch (OCV) sau khi pin đã nghỉ vài giờ sẽ cho kết quả tốt. Như với tất cả các loại pin, nhiệt độ ảnh hưởng đến OCV, vật liệu pin Li-ion cũng vậy. SoC của điện thoại thông minh, máy tính xách tay và các thiết bị khác được ước tính bằng coulomb. 

Vậy sạc pin quá lâu có sao không ? câu trả lời là : Pin Li-ion không thể sạc quá mức. Khi sạc đầy, dòng điện phải được cắt. Việc sạc nhỏ giọt liên tục sẽ gây ra lớp mạ kim loại lithium và ảnh hưởng đến sự an toàn. Để giảm thiểu căng thẳng, hãy giữ cho pin lithium-ion ở mức cắt điện áp tối đa càng ngắn càng tốt.

Sau khi kết thúc quá trình sạc, điện áp của pin bắt đầu giảm xuống. Điều này làm giảm bớt căng thẳng điện áp. Theo thời gian, điện áp hở mạch sẽ giảm xuống còn 3,70V đến 3,90V / cell. Lưu ý rằng pin Li-ion đã nhận được điện tích bão hòa hoàn toàn sẽ giữ điện áp tăng trong thời gian dài hơn pin chưa nhận được điện tích bão hòa.

Khi pin lithium-ion được kết nối với bộ sạc để sẵn sàng hoạt động, một số bộ sạc áp dụng mức sạc lớn nhất trong thời gian ngắn ngắn để bù cho lượng pin tự phóng điện nhỏ và tiêu thụ mạch bảo vệ của nó. Bộ sạc có thể hoạt động khi điện áp hở mạch giảm xuống còn 4,05V / cell và sẽ ngắt sạc ở 4,20V / cell. Điều này làm giảm căng thẳng liên quan đến điện áp và kéo dài tuổi thọ pin.

Một số thiết bị di động đặt trong đế sạc. Dòng điện qua thiết bị được gọi là tải ký sinh và có thể làm sai lệch chu kỳ sạc.Pin có thể được sạc đến 4,20V / cell và sau đó được thiết bị xả. Mức độ căng thẳng trên pin cao vì các chu kỳ xảy ra ở ngưỡng điện áp cao, thường cũng ở nhiệt độ cao.

Điện thoại di động nên được tắt trong khi sạc. Điều này cho phép pin đạt đến ngưỡng điện áp đặt và điểm bão hòa dòng điện. Tải ký sinh gây nhầm lẫn cho bộ sạc nó làm giảm điện áp của pin và ngăn dòng điện trong giai đoạn bão hòa giảm xuống đủ thấp bằng cách tạo ra dòng điện rò . Pin có thể được sạc đầy, nhưng các điều kiện hiện hành sẽ dẫn đến việc sạc liên tục, gây ra căng thẳng.
 

Sạc pin Lithium đúng cách không trộn coban

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

Bộ sạc cho pin Li-ion không trộn coban này không giống với pin Li-ion 3,60 volt thông thường. vì vậy phải có phương pháp để cung cấp điện áp sạc chính xác. Pin lithium 3,60 volt trong bộ sạc được thiết kế cho Li-phosphate sẽ không nhận đủ điện; Li-phosphate trong bộ sạc thông thường sẽ gây ra hiện tượng sạc quá mức.
 

Sạc quá mức pin 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 vào điện áp cao hơn mức quy định. Sạc kéo dài trên 4,30V trên cell pin Li-ion được thiết kế cho pin 4,20V / cell sẽ tạo tấm pin lithium kim loại trên cực dương. Vật liệu làm catốt trở thành chất oxy hóa, mất tính ổn định và tạo ra carbon dioxide (CO2). Áp suất cell tăng lên và nếu tiếp tục sạc, thiết bị ngắt dòng (CID) chịu trách nhiệm về sự an toàn của cell sẽ ngắt kết nối ở 1.000–1.380kPa (145–200psi). Nếu áp suất tăng hơn nữa,màng pin Li-ion sẽ bị phát nổ ở khoảng 3.450kPa (500psi) và sẽ làm cháy pin.

Pin được sạc đầy có độ thoát nhiệt thấp hơn và sẽ thoát hơi sớm hơn pin được sạc một phần. Tất cả các loại pin lithium đều an toàn hơn với mức sạc thấp hơn và đây là lý do tại sao các nhà chức trách sẽ yêu cầu vận chuyển Li-ion qua đường hàng không ở trạng thái sạc 30% thay vì sạc đầy.

Ngưỡng cho 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 khả năng ổn định nhiệt độ tương tự và tốt hơn so với mangan.

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

Tóm lược – Sạc pin Lithium đúng cách

Sạc pin lithium-ion đơn giản hơn so với pin niken. Điện tích mạch thẳng về phía trước; Các giới hạn về điện áp và dòng điện dễ dàng xử lý hơn là phân tích các ký hiệu điện áp phức tạp, thay đổi khi pin già đi. Quá trình tích điện có thể không liên tục, và ion Li-on không cần bão hòa như trường hợp của axit chì. Điều này mang lại một lợi thế lớn cho việc lưu trữ năng lượng tái tạo như pin năng lượng mặt trời và tuabin gió, vốn không phải lúc nào cũng có thể sạc đầy pin. Việc không có sạc nhỏ giọt càng làm đơn giản hóa bộ sạc. Bộ sạc cân bằng, phải có trong pin axit chì nhưng không cần thiết với ion Li-on.