Dung lượng và năng lượng của pin hoặc hệ thống lưu trữ
Dung lượng của pin hoặc bộ tích điện là lượng năng lượng được lưu trữ theo nhiệt độ, giá trị dòng điện sạc và xả cụ thể và thời gian sạc hoặc xả.
Khả năng xếp hạng và tỷ lệ C
C-rate được sử dụng để chia tỷ lệ dòng điện sạc và xả của pin. Đối với một dung lượng nhất định, C-rate là thước đo cho biết dòng pin được sạc và xả để đạt công suất xác định của nó.
Một lần sạc 1C (hoặc C / 1) tải một pin được đánh giá là 1000 Ah ở 1000 A trong một giờ, do đó vào cuối giờ, pin đạt công suất 1000 Ah; phóng điện 1C (hoặc C / 1) làm kiệt pin ở cùng tốc độ đó.
Mức sạc 0,5C hoặc (C / 2) tải một pin được đánh giá là 1000 Ah ở 500 A, vì vậy cần hai giờ để sạc pin ở công suất định mức là 1000 Ah;
Sạc 2C tải một pin được đánh giá ở 1000 Ah ở 2000 A, vì vậy về lý thuyết phải mất 30 phút để sạc pin ở công suất định mức là 1000 Ah;
Xếp hạng Ah thường được đánh dấu trên pin.
Ví dụ cuối cùng, một pin axit chì có dung lượng định mức C10 (hoặc C / 10) là 3000 Ah nên được sạc hoặc xả trong 10 giờ với mức sạc hoặc xả hiện tại là 300 A.
Tại sao cần biết mức C hoặc mức C của pin
C-rate là một dữ liệu quan trọng đối với pin vì đối với hầu hết pin, năng lượng được lưu trữ hoặc khả dụng phụ thuộc vào tốc độ của dòng điện sạc hoặc phóng điện. Nói chung, đối với một công suất nhất định, bạn sẽ có ít năng lượng hơn nếu bạn xả trong một giờ so với khi bạn xả trong 20 giờ, ngược lại, bạn sẽ tích trữ ít năng lượng hơn trong pin có điện tích 100 A trong 1 giờ so với mức sạc hiện tại là 10 A trong 10 giờ.
Công thức tính dòng điện khả dụng ở đầu ra của hệ thống pin
Làm thế nào để tính toán dòng điện đầu ra, công suất và năng lượng của pin theo tỷ lệ C?
Công thức đơn giản nhất là:
I = Cr * Er
hoặc là
Cr = I / Er
Ở đâu
Er = năng lượng định mức được lưu trữ bằng Ah (dung lượng định mức của pin do nhà sản xuất đưa ra)
I = dòng điện tích hoặc phóng điện tính bằng Ampe (A)
Cr = tốc độ C của pin
Phương trình để có được thời gian tích điện hoặc sạc hoặc xả "t" theo dòng điện và công suất định mức là:
t = Er / I
t = thời gian, khoảng thời gian sạc hoặc xả (thời gian chạy) tính bằng giờ
Mối quan hệ giữa Cr và t:
Cr = 1 / t
t = 1 / Cr
Cách hoạt động của pin Lithium-ion
Pin Lithium-ion đang rất phổ biến những ngày này. Bạn có thể tìm thấy chúng trong máy tính xách tay, PDA, điện thoại di động và iPod. Chúng rất phổ biến vì chúng là một trong những loại pin có thể sạc lại năng lượng nhất hiện có.
Gần đây, pin Lithium-ion cũng xuất hiện nhiều. Đó là bởi vì những viên pin này thỉnh thoảng có khả năng bùng cháy. Nó không phải là rất phổ biến - chỉ có hai hoặc ba gói pin trên một triệu viên pin có vấn đề - nhưng khi nó xảy ra, nó là cực kỳ nghiêm trọng. Trong một số tình huống, tỷ lệ hỏng hóc có thể tăng lên và khi điều đó xảy ra, bạn sẽ phải thu hồi pin trên toàn thế giới có thể khiến các nhà sản xuất tiêu tốn hàng triệu đô la.
Vậy câu hỏi đặt ra là, điều gì khiến những viên pin này tràn đầy năng lượng và được ưa chuộng đến vậy? Làm thế nào để chúng bùng cháy? Và bạn có thể làm gì để ngăn chặn sự cố hoặc giúp pin của bạn kéo dài hơn không? Trong bài viết này, chúng tôi sẽ trả lời những câu hỏi này và hơn thế nữa.
Pin Lithium-ion phổ biến vì chúng có một số lợi thế quan trọng so với các công nghệ cạnh tranh:
- Chúng thường nhẹ hơn nhiều so với các loại pin sạc khác có cùng kích thước. Các điện cực của pin lithium-ion được làm bằng lithium và carbon nhẹ. Lithium cũng là một nguyên tố phản ứng cao, có nghĩa là có thể lưu trữ nhiều năng lượng trong các liên kết nguyên tử của nó. Điều này chuyển thành mật độ năng lượng rất cao cho pin lithium-ion. Đây là một cách để có được một quan điểm về mật độ năng lượng. Một pin lithium-ion điển hình có thể lưu trữ 150 watt-giờ điện trong 1 kg pin. Một bộ pin NiMH (niken-kim loại hydrua) có thể lưu trữ có thể 100 watt-giờ mỗi kg, mặc dù 60 đến 70 watt-giờ có thể điển hình hơn. Một pin axit-chì chỉ có thể lưu trữ 25 watt-giờ cho mỗi kg. Sử dụng công nghệ axit-chì, cần 6 kg để lưu trữ lượng năng lượng tương đương với 1 kg pin lithium-ion có thể xử lý. Đó là một sự khác biệt rất lớn
- Họ giữ trách nhiệm của họ. Một bộ pin lithium-ion chỉ mất khoảng 5% lượng sạc mỗi tháng, so với mức giảm 20% mỗi tháng đối với pin NiMH.
- Chúng không có hiệu ứng bộ nhớ, có nghĩa là bạn không cần phải xả hết pin trước khi sạc lại, như với một số hóa chất pin khác.
- Pin Lithium-ion có thể xử lý hàng trăm chu kỳ sạc / xả.
Điều đó không có nghĩa là pin lithium-ion là hoàn hảo. Chúng cũng có một số nhược điểm:
- Chúng bắt đầu xuống cấp ngay khi rời khỏi nhà máy. Chúng sẽ chỉ kéo dài hai hoặc ba năm kể từ ngày sản xuất cho dù bạn có sử dụng chúng hay không.
- Chúng cực kỳ nhạy cảm với nhiệt độ cao. Nhiệt khiến các bộ pin lithium-ion xuống cấp nhanh hơn nhiều so với bình thường.
- Nếu bạn xả hết pin lithium-ion, nó sẽ bị hỏng.
- Bộ pin lithium-ion phải có máy tính trên bo mạch để quản lý pin. Điều này làm cho chúng thậm chí còn đắt hơn hiện tại.
- Có một khả năng nhỏ là, nếu bộ pin lithium-ion bị hỏng, nó sẽ bùng cháy.
Nhiều đặc điểm trong số này có thể được hiểu bằng cách xem xét hóa học bên trong một tế bào lithium-ion. Chúng ta sẽ xem xét điều này tiếp theo.
Các gói pin Lithium-ion có đủ hình dạng và kích cỡ, nhưng bên trong chúng đều giống nhau. Nếu bạn định tháo rời một bộ pin máy tính xách tay (thứ mà chúng tôi KHÔNG khuyên dùng vì có thể làm cạn pin và bắt lửa), bạn sẽ thấy những điều sau:
- Các tế bào lithium-ion có thể là pin hình trụ trông gần giống với các tế bào AA hoặc chúng có thể là hình lăng trụ, có nghĩa là chúng có hình vuông hoặc hình chữ nhật Máy tính, bao gồm:
- Một hoặc nhiều cảm biến nhiệt độ để theo dõi nhiệt độ pin
- Bộ chuyển đổi điện áp và mạch điều chỉnh để duy trì mức điện áp và dòng điện an toàn
- Một đầu nối máy tính xách tay được che chắn cho phép nguồn và thông tin chảy vào và ra khỏi bộ pin
- Một vòi điện áp, theo dõi dung lượng năng lượng của các ô riêng lẻ trong bộ pin
- Màn hình trạng thái sạc pin, là một máy tính nhỏ xử lý toàn bộ quá trình sạc để đảm bảo pin sạc nhanh nhất và đầy đủ nhất có thể.
Nếu pin quá nóng trong khi sạc hoặc sử dụng, máy tính sẽ ngắt dòng điện để cố gắng làm mát mọi thứ. Nếu bạn để máy tính xách tay của mình trong ô tô quá nóng và cố gắng sử dụng máy tính xách tay, máy tính này có thể khiến bạn không thể bật nguồn cho đến khi mọi thứ nguội đi. Nếu các tế bào bị cạn kiệt hoàn toàn, bộ pin sẽ ngừng hoạt động do các tế bào bị hủy hoại. Nó cũng có thể theo dõi số chu kỳ sạc / xả và gửi thông tin để đồng hồ đo pin của máy tính xách tay có thể cho bạn biết lượng pin còn lại trong pin.
Đó là một chiếc máy tính nhỏ khá tinh vi và lấy năng lượng từ pin. Mức tiêu hao năng lượng này là một lý do tại sao pin lithium-ion mất 5% điện năng mỗi tháng khi ở chế độ chờ.
Tế bào Lithium-ion
Như với hầu hết các loại pin, bạn có vỏ ngoài làm bằng kim loại. Việc sử dụng kim loại đặc biệt quan trọng ở đây vì pin có áp suất. Vỏ kim loại này có một số loại lỗ thông hơi nhạy cảm với áp suất. Nếu pin nóng đến mức có nguy cơ phát nổ do quá áp, lỗ thông hơi này sẽ giải phóng áp suất tăng thêm. Pin có thể sẽ vô dụng sau đó, vì vậy đây là điều cần tránh. Lỗ thông hơi được đặt nghiêm ngặt như một biện pháp an toàn. Công tắc Hệ số Nhiệt độ Tích cực (PTC) cũng vậy, một thiết bị có nhiệm vụ giữ cho pin không bị quá nóng.
Vỏ kim loại này chứa một hình xoắn ốc dài bao gồm ba tấm mỏng được ép lại với nhau:
- Một điện cực dương
- Một điện cực âm
- Một dấu phân cách
Bên trong vỏ các tấm này được ngâm trong dung môi hữu cơ đóng vai trò như chất điện phân. Ether là một trong những dung môi phổ biến.
Bộ phân tách là một tấm nhựa rất mỏng đục lỗ. Như tên của nó, nó phân tách các điện cực âm và dương trong khi cho phép các ion đi qua.
Điện cực dương được làm bằng oxit Lithium coban, hoặc LiCoO2. Điện cực âm được làm bằng carbon. Khi pin sạc, các ion liti di chuyển qua chất điện phân từ điện cực dương sang điện cực âm và gắn vào cacbon. Trong quá trình phóng điện, các ion liti di chuyển trở lại LiCoO2 từ cacbon.
Sự chuyển động của các ion liti này xảy ra ở một hiệu điện thế khá cao, vì vậy mỗi tế bào tạo ra 3,7 vôn. Mức này cao hơn nhiều so với 1,5 volt điển hình của pin kiềm AA thông thường mà bạn mua ở siêu thị và giúp pin lithium-ion nhỏ gọn hơn trong các thiết bị nhỏ như điện thoại di động. Xem Cách hoạt động của pin để biết chi tiết về các hóa chất pin khác nhau.
Chúng ta sẽ xem xét cách kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion và khám phá lý do tại sao chúng có thể phát nổ tiếp theo.
Tuổi thọ và Cái chết của Pin Lithium-ion
Các gói pin Lithium-ion đắt tiền, vì vậy nếu bạn muốn sử dụng pin của mình lâu hơn, hãy ghi nhớ một số điều sau:
- Hóa học ion Lithium thích phóng điện cục bộ hơn phóng điện sâu, vì vậy tốt nhất là bạn nên tránh để pin xuống mức không. Vì hóa học lithium-ion không có "bộ nhớ", bạn không gây hại cho bộ pin khi phóng điện cục bộ. Nếu điện áp của một tế bào lithium-ion giảm xuống dưới một mức nhất định, nó sẽ bị hủy hoại.
- Pin Lithium-ion cũ. Chúng chỉ tồn tại từ hai đến ba năm, ngay cả khi chúng đang ở trên kệ không sử dụng. Vì vậy, đừng “tránh sử dụng” pin với suy nghĩ rằng pin sẽ dùng được 5 năm. Nó sẽ không. Ngoài ra, nếu bạn đang mua một bộ pin mới, bạn muốn đảm bảo rằng nó thực sự là mới. Nếu nó đã được đặt trên kệ trong cửa hàng trong một năm, nó sẽ không tồn tại lâu lắm. Ngày sản xuất rất quan trọng.
- Tránh nhiệt, làm giảm chất lượng pin.
Nổ pin
Bây giờ chúng ta đã biết cách giữ cho pin lithium-ion hoạt động lâu hơn, hãy xem tại sao chúng có thể phát nổ.
Nếu pin đủ nóng để đốt cháy chất điện phân, bạn sẽ bị hỏa hoạn. Có những đoạn video và hình ảnh trên Web cho thấy mức độ nghiêm trọng của những đám cháy này. Bài báo của CBC, "Mùa hè của chiếc máy tính xách tay phát nổ", tóm tắt một số sự cố này.
Khi xảy ra hỏa hoạn như thế này thường là do chập bên trong ắc quy. Nhớ lại phần trước rằng các tế bào lithium-ion chứa một tấm ngăn cách giúp giữ các điện cực âm và dương cách nhau. Nếu tờ giấy đó bị thủng và các điện cực chạm vào nhau, pin sẽ nóng lên rất nhanh. Bạn có thể đã trải nghiệm loại nhiệt mà pin có thể tạo ra nếu bạn đã từng đặt pin 9 volt bình thường vào túi của mình. Nếu một đồng xu cắt ngang hai thiết bị đầu cuối, pin sẽ khá nóng.
Trong sự cố bộ phân tách, sự cố tương tự cũng xảy ra bên trong pin lithium-ion. Vì pin lithium-ion rất giàu năng lượng nên chúng rất nóng. Nhiệt lượng làm cho pin thoát ra dung môi hữu cơ được sử dụng làm chất điện phân và nhiệt (hoặc tia lửa gần đó) có thể đốt sáng nó. Khi điều đó xảy ra bên trong một trong các ô, sức nóng của ngọn lửa sẽ truyền sang các ô khác và cả đàn bốc cháy.
Điều quan trọng cần lưu ý là rất hiếm khi xảy ra hỏa hoạn. Tuy nhiên, chỉ cần một vài ngọn lửa và một chút phương tiện truyền thông phạm vi bảo hiểm để nhắc nhở thu hồi.
Các công nghệ Lithium khác nhau
Đầu tiên, điều quan trọng cần lưu ý là có nhiều loại pin “Lithium Ion”. Điểm cần lưu ý trong định nghĩa này đề cập đến một "họ pin".
Có một số loại pin “Lithium Ion” khác nhau trong họ này sử dụng các vật liệu khác nhau cho cực âm và cực dương của chúng. Do đó, chúng thể hiện các đặc điểm rất khác nhau và do đó phù hợp với các ứng dụng khác nhau.
Lithium Sắt Phosphate (LiFePO4)
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) là một công nghệ lithium nổi tiếng ở Úc do được sử dụng rộng rãi và phù hợp với nhiều ứng dụng.
Với đặc điểm giá rẻ, độ an toàn cao và năng lượng riêng tốt, đây là một lựa chọn mạnh mẽ cho nhiều ứng dụng.
Điện áp tế bào LiFePO4 là 3.2V / tế bào cũng làm cho nó trở thành công nghệ lithium được lựa chọn để thay thế axit chì kín trong một số ứng dụng chính.
Pin LiPO
Trong số tất cả các tùy chọn lithium có sẵn, có một số lý do tại sao LiFePO4 được chọn làm công nghệ lithium lý tưởng để thay thế SLA. Những lý do chính nằm ở đặc điểm thuận lợi của nó khi xem xét các ứng dụng chính mà SLA hiện đang tồn tại. Bao gồm các:
- Điện áp tương tự với SLA (3.2V trên mỗi cell x 4 = 12.8V) khiến chúng trở nên lý tưởng để thay thế SLA.
- Dạng an toàn nhất trong các công nghệ lithium.
- Thân thiện với môi trường –phosphate không độc hại và do đó thân thiện với cả môi trường và không gây nguy hiểm cho sức khỏe.
- Phạm vi nhiệt độ rộng.
Tính năng và lợi ích của LiFePO4 khi so sánh với SLA
Dưới đây là một số tính năng chính của pin Lithium Iron Phosphate mang lại một số lợi thế đáng kể của SLA trong một loạt các ứng dụng. Đây không phải là một danh sách đầy đủ, tuy nhiên nó bao gồm các mục chính. Pin 100AH AGM đã được chọn làm SLA, vì đây là một trong những kích thước được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng chu kỳ sâu. AGM 100AH này đã được so sánh với 100AH LiFePO4 để so sánh một like càng gần càng tốt.
Tính năng - Trọng lượng:
So sánh
- LifePO4 nhẹ hơn một nửa trọng lượng của SLA
- AGM Chu kỳ sâu - 27,5Kg
- LiFePO4 - 12,2Kg
Những lợi ích
- Tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu
- Trong các ứng dụng caravan và thuyền, trọng lượng kéo được giảm xuống.
- Tăng tốc độ
- Trong các ứng dụng thuyền, tốc độ nước có thể được tăng lên
- Giảm trọng lượng tổng thể
- Thời gian chạy lâu hơn
Trọng lượng có ảnh hưởng lớn đối với nhiều ứng dụng, đặc biệt là khi kéo hoặc tốc độ liên quan, chẳng hạn như caravan và chèo thuyền. Các ứng dụng khác bao gồm ánh sáng di động và ứng dụng máy ảnh cần mang theo pin.
Tính năng - Vòng đời lớn hơn:
So sánh
- Lên đến 6 lần vòng đời của chu kỳ
- AGM Chu kỳ sâu - 300 chu kỳ @ 100% DoD
- LiFePO4 - 2000 chu kỳ @ 100% DoD
Những lợi ích
- Tổng chi phí sở hữu thấp hơn (giá mỗi kWh thấp hơn nhiều so với tuổi thọ của pin cho LiFePO4)
- Giảm chi phí thay thế - thay AGM tối đa 6 lần trước khi cần thay thế LiFePO4
Tuổi thọ chu kỳ lớn hơn có nghĩa là chi phí trả trước bổ sung của pin LiFePO4 nhiều hơn được bù đắp cho thời gian sử dụng pin. Nếu được sử dụng hàng ngày, AGM sẽ cần được thay thế khoảng. 6 lần trước khi LiFePO4 cần thay thế
Tính năng - Đường cong xả phẳng:
So sánh
- Ở 0,2C (20A) phóng điện
- AGM - giảm xuống dưới 12V sau
- 1,5 giờ thời gian chạy
- LiFePO4 - giảm xuống dưới 12V sau khoảng 4 giờ chạy
Những lợi ích
- Sử dụng hiệu quả hơn dung lượng pin
- Công suất = Volts x Amps
- Khi điện áp bắt đầu giảm, pin sẽ cần cung cấp ampe cao hơn để cung cấp cùng một lượng điện năng.
- Điện áp cao hơn sẽ tốt hơn cho thiết bị điện tử
- Thời gian chạy lâu hơn cho thiết bị
- Sử dụng hết công suất ngay cả khi tốc độ xả cao
- AGM @ 1C xả = 50% công suất
- LiFePO4 @ 1C xả = 100% công suất
Tính năng này ít được biết đến nhưng là một lợi thế mạnh và nó mang lại nhiều lợi ích. Với đường cong xả phẳng của LiFePO4, điện áp đầu cuối giữ trên 12V để sử dụng tới 85-90% công suất. Do đó, cần ít ampe hơn để cung cấp cùng một lượng công suất (P = VxA) và do đó việc sử dụng công suất hiệu quả hơn dẫn đến thời gian chạy lâu hơn. Người dùng cũng sẽ không nhận thấy sự chậm lại của thiết bị (ví dụ như xe gôn) trước đó.
Cùng với đó, ảnh hưởng của định luật Peukert với lithium ít hơn nhiều so với định luật AGM. Điều này dẫn đến việc có một tỷ lệ lớn dung lượng của pin cho dù tốc độ xả là bao nhiêu. Ở mức xả 1C (hoặc 100A đối với pin 100AH), tùy chọn LiFePO4 sẽ vẫn cung cấp cho bạn 100AH so với chỉ 50AH cho AGM.
Tính năng - Tăng khả năng sử dụng:
So sánh
- AGM khuyến nghị DoD = 50%
- LiFePO4 được khuyến nghị DoD = 80%
- AGM Chu kỳ sâu - 100AH x 50% = 50Ah sử dụng được
- LiFePO4 - 100Ah x 80% = 80Ah
- Sự khác biệt = 30Ah hoặc sử dụng nhiều hơn 60% dung lượng
Những lợi ích
- Tăng thời gian chạy hoặc pin dung lượng nhỏ hơn để thay thế
Việc sử dụng tăng dung lượng khả dụng có nghĩa là người dùng có thể có được thời gian chạy nhiều hơn tới 60% từ cùng một tùy chọn dung lượng trong LiFePO4 hoặc chọn pin LiFePO4 dung lượng nhỏ hơn trong khi vẫn đạt được thời gian chạy tương tự như AGM dung lượng lớn hơn.
Tính năng - Hiệu quả sạc cao hơn:
So sánh
- AGM - Phí đầy đủ mất khoảng. 8 giờ
- LiFePO4 - Sạc đầy có thể thấp nhất là 2 giờ
Những lợi ích
- Pin được sạc và sẵn sàng sử dụng lại nhanh hơn
Một lợi ích mạnh mẽ khác trong nhiều ứng dụng. Do điện trở bên trong thấp hơn trong số các yếu tố khác, LiFePO4 có thể chấp nhận phí ở tốc độ lớn hơn nhiều so với AGM. Điều này cho phép chúng được sạc và sẵn sàng sử dụng nhanh hơn nhiều, dẫn đến nhiều lợi ích.
Tính năng - Tỷ lệ tự xả thấp:
So sánh
- AGM - Giảm xuống 80% SOC sau 4 tháng
- LiFePO4 - Xả 80% sau 8 tháng
Những lợi ích
- Có thể để trong kho lâu hơn
Tính năng này là một tính năng quan trọng đối với các phương tiện giải trí có thể chỉ được sử dụng trong vài tháng một năm trước khi được đưa vào bảo quản trong phần còn lại của năm như xe lữ hành, thuyền, xe máy và Jet Skis, v.v. Cùng với điểm này, LiFePO4 không bị vôi hóa và vì vậy ngay cả sau khi để trong thời gian dài, pin ít có khả năng bị hỏng vĩnh viễn. Pin LiFePO4 không bị tổn hại do không được để trong kho ở trạng thái sạc đầy.
Vì vậy, nếu ứng dụng của bạn đảm bảo bất kỳ tính năng nào ở trên thì bạn chắc chắn sẽ nhận được số tiền đáng giá của mình cho số tiền chi tiêu thêm cho pin LiFePO4. Bài viết tiếp theo sẽ tiếp theo trong những tuần tới, bao gồm các khía cạnh an toàn trên LiFePO4 và các hóa chất Lithium khác nhau.
Thanh toán an toàn 100%
