Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Việc thay thế vật liệu anot kim loại Lithi bằng cacbon hay graphite phải chịu thiệt về mật độ năng lượng vì dung lượng tích trữ lý thuyết của graphite chỉ bằng 1/10 dung lượng tích trữ lý thuyết của kim loại Lithi và điện thể hở thấp hơn ~ 3 ÷ 4V. Song th

Việc thay thế vật liệu anot kim loại Lithi bằng cacbon hay graphite phải chịu thiệt về mật độ năng lượng vì dung lượng tích trữ lý thuyết của graphite chỉ bằng 1/10 dung lượng tích trữ lý thuyết của kim loại Lithi và điện thể hở thấp hơn ~ 3 ÷ 4V. Song th

Tải bản đầy đủ - 0trang

Hình 28: Các loại gói

pin Li-ion

2.3.1. Vật liệu

a) Vật liệu catot

Các vật liệu dùng làm catot cho pin li-ion phải thỏa mãn những yêu cầu sau:

- Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithi.

- Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithi, không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng

+

ion Li .

- Dẫn điện tốt, hệ số khuếch tán ion Li+ lớn, giá thành rẻ.

Các vật liệu catot hiện đại bao gồm các oxit kim loại Lithi dạng LiMO 2 trong đó M là

các kim loại chuyển tiếp như: Fe, Co, Ni, Mn,…,oxit vanadium, olivin (như LiFePO 4) và oxit

Lithi có thể sạc được. Pin Li-ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng

LiCoO2 là catot do Goodenoungh và Mizushina nghiên cứu chế tạo. Hợp chất được sử dụng

tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel).

Các lớp oxit chứa coban và niken là những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất cho pin

Lithi-ion. Chúng cho độ ổn định cao trong dải điện áp cao nhưng coban lại hiếm có trong tự

nhiên và khá độc hại, đây là một trở ngại lớn đối với việc sản xuất hàng loạt. Mangan được

thay thế giúp giảm chi phí, tạo ngưỡng nhiệt cao, tốc độ nhanh nhưng lại hạn chế về mặt tái

tạo. Vì vậy, hỗn hợp của coban, niken và mangan thường được sử dụng để kết hợp các tính

chất tốt nhất và giảm thiểu những hạn chế. Vanadi oxit có cơng suất lớn và động lực học tuyệt

vời. Tuy nhiên, sự có mặt của Lithi làm vật liệu có xu hướng trở nên vơ định hình, làm hạn chế

hoạt động tái tạo. Olivines khơng độc và có cơng suất vừa phải, nhưng độ dẫn điện thấp, các

phương pháp phủ vật liệu giúp cải thiện khả năng dẫn điện thấp nhưng lại làm tăng chi phí chế

tạo pin.

b) Vật liệu anot

Các vật liệu anot thường là Lithi, graphite, vật liệu hợp kim Lithi, chất kim loại hoặc

silic. Hiện nay, vật liệu anot cacbon gần như là lựa chọn duy nhất. Các vật liệu cacbon như

graphit có thể cài được 1 nguyên tử Lithi trên 6 nguyên tử cacbon (LiC 6), dung lượng tích trữ

riêng tối đa ~230 mAh/g hoặc~ 330 mAh/cm3, dung lượng này thấp hơn so với anot kim loại

Li (dung lượng tích trữ riêng là 3860 mAh/cm 3). Tuy nhiên độ an toàn của anot cacbon cao, giá

thành cơng nghệ thấp, chu kì làm việc của anot cacbon đạt tới 1200 CK ( anot Li ~ 500 CK),

có thể nạp nhanh ở chế độ 0,5C. Có 3 dạng vật liệu cacbon: graphit, cacbon mềm và cacbon

cứng

- Graphit có cấu trúc lục giác xếp lớp kiểu luân phiên



32



- Cacbon mềm và cacbon cứng có nguồn gốc từ các nguyên liệu như than cốc, cốc dầu

mỏ, muội than,…khơng có cấu trúc xếp lớp trật tự. Qua xử lý nhiệt (~ 2200°C), nếu đưa về cấu

trúc xếp lớp thì gọi là cacbon mềm, ngược lại gọi là cacbon cứng.Vật liệu làm anot thường

được quan tâm đến khả năng cài ion Li + vào xen lớp. Đối với graphit, ion Li + có thể nằm vào

các xen lớp (khe Van der Waal) và biến cấu trúc xếp lớp ban đầu ABABAB thành kiểu xếp lớp

AAAAAANgười ta có thể điều chế sẵn hợp chất cài bằng con đường tổng hợp vơ cơ như KC 8,

(FxC)n.



Hình 29: Graphite và cấu trúc xếp lớp cài Li

c) Chất điện li: Pin an tồn và lâu dài cần một chất điện li có khả năng dẫn ion Li+ tốt,

độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí,…..

Có 4 loại chất điện li được sử dụng trong pin Li-ion: Chất điện li dạng lỏng, các chất

điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm.

- Chất điện li dạng lỏng: là những muối chứa Li+ (LiPF6, LiClO4) được hòa tan vào các

dung môi hữu cơ gốc cacbonat (EC, EMC)

- Chất điện li dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hòa tan muối và

dung mơi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel. Chất điện li dạng polime là

dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thơng qua sự hòa tan muối Lithi trong

vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn.

- Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vơ cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li +.

d) Vật liệu cách điện

Trong các pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10 µm 30 µm ) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương. Ngày nay, các loại pin thương

phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin vì

vạt liệu này có tính cơ học tốt, độ ổn định hóa học tốt và giá thành hợp lí.

Các vật liệu cách điện dùng trong pin Li-ion phải đảm bảo u cầu: có độ bền cơ học

cao, khơng bị thay đổi kích thước, khơng bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực, dễ bị

33



thấm ướt bởi chất điện phân, kích thước lổ xốp <1 µm , phù hợp và ổn định khi tiếp xúc các

chất điện li và các điện cực.

2.3.2. Sản xuất pin Lithi-ion

Các quy trình được sử dụng để sản xuất pin Lithi rất giống với các thiết bị được sử dụng

trong sản xuất các pin niken cadimi và các hidrua kim loại nickel. Tuy nhiên có một số khác

biệt chính, liên quan đến phản ứng cao hơn của các hóa chất được sử dụng trong các tế bào

Lithi.

a) Mạ điện cực

Các anot và catot trong các tế bào Lithi có hình thức tương tự và được làm bằng các quá

trình tương tự trên các thiết bị tương tự hoặc giống hệt nhau. Các vật liệu điện cực hoạt động

được phủ ở cả hai mặt của các lá kim loại đóng vai trò như các bộ thu dòng dẫn dòng điện vào

và ra khỏi tế bào. Vật liệu cực dương là một dạng của carbon và catot là một kim loại oxit kim

loại. Cả hai loại vật liệu này đều được chuyển đến nhà máy dưới dạng bột đen và mắt không

được huấn luyện, hầu như khơng thể phân biệt được với nhau. Vì sự nhiễm bẩn giữa vật liệu

cực dương và catot sẽ làm hỏng pin nên cần phải cẩn thận để tránh những vật liệu này tiếp xúc

với nhau. Vì lý do này anot và catot thường được xử lý trong các phòng khác nhau.

Kích thước hạt phải được giữ ở mức tối thiểu để đạt được diện tích bề mặt tối đa hiệu

quả của các điện cực cần thiết cho các tế bào. Hình dạng hạt cũng rất quan trọng. Hình dạng

cầu tròn mịn có cạnh tròn là mong muốn vì các cạnh sắc hoặc bề mặt mẫn cảm dễ bị căng

thẳng điện và sự phân huỷ của lớp SEI thụ động, có thể dẫn đến sự sinh nhiệt rất lớn và có thể

chạy khi các tế bào đang sử dụng.

Các điện cực kim loại được phân phối trên các cuộn lớn, thường rộng khoảng 500mm,

với đồng cho anôt và nhôm cho catot, và các cuộn này được gắn trực tiếp trên các máy phủ mà

ở đó lá khơng bị bẻ lại vì nó được đưa vào máy thơng qua con lăn chính xác.

Quy trình mạ điện cực được thể hiện trong sơ đồ dưới đây:



Hình 30: Sơ đồ mạ điện cực

Giai đoạn đầu tiên là trộn các vật liệu điện cực với một chất kết dính dẫn điện để tạo

thành bùn được lan truyền trên bề mặt của lá khi nó đi vào máy. Một cạnh dao được đặt ngay

phía trên lá và độ dày của lớp phủ điện cực được điều khiển bằng cách điều chỉnh khoảng cách

giữa cạnh dao và lá. Vì khơng có gì bất thường đối với dung tích lưu trữ năng lượng hoặc thể

34



tích của vật liệu cực dương khác với chất liệu của catot nên độ dày của lớp phủ phải được thiết

lập để cho phép lưu trữ năng lượng trên một đơn vị diện tích cực dương và điện cực catốt để

được kết hợp.

Từ quá trình mạ, tấm kim loại được đưa trực tiếp vào một lò sấy dài để nướng vật liệu

điện cực vào trong lá. Khi lá màng kim loại thoát khỏi lò, nó được cuộn lại. Các lớp phủ sau

được đưa vào máy cắt để cắt tấm mỏng thành các dải hẹp phù hợp với các điện cực khác nhau.

Sau đó chúng được cắt theo chiều dài. Bất kỳ gờ trên các cạnh của dải lá mỏng có thể làm phát

sinh các mạch ngắn trong các tế bào nên máy rạch phải được sản xuất và bảo dưỡng chính xác.

b) Tổ hợp các cell

Trong các nhà máy lắp ráp cell tốt nhất thường được thực hiện trên các thiết bị tự động

hóa cao, tuy nhiên vẫn còn nhiều nhà sản xuất nhỏ hơn sử dụng phương pháp lắp ráp bằng tay.

Giai đoạn đầu tiên trong quá trình lắp ráp là xây dựng bộ phận điện cực, trong đó bộ

tách được kẹp giữa cực dương và cực âm. Hai cấu trúc điện cực cơ bản được sử dụng tùy thuộc

vào loại vỏ tế bào được sử dụng, cấu trúc xếp chồng lên nhau để sử dụng trong cell hình lăng

trụ và một cấu trúc vết xoắn ốc để sử dụng trong cell hình trụ. Quy trình lắp ráp cho các cell

lăng trụ và hình trụ được minh họa trong sơ đồ sau.



Hình 31: Sơ đồ tổ hợp các cell

- Tế bào lăng trụ

Các tế bào lăng trụ thường được sử dụng cho các ứng dụng pin dung lượng cao để tối

ưu hóa việc sử dụng khơng gian. Các thiết kế này sử dụng một cấu trúc điện cực xếp chồng lên

nhau, trong đó các cực dương và cực âm được cắt vào các tấm điện cực riêng lẻ được xếp

chồng lên nhau và cách ly bằng máy tách. Các dải phân cách có thể được cắt với kích thước

tương tự như các điện cực. Mặc dù thiết kế trường hợp này sử dụng tối ưu không gian khi sử



35



dụng trong pin, nhưng nó có bất lợi khi sử dụng nhiều tấm điện cực cần có một cơ chế kẹp để

kết nối tất cả các anot với nhau và với đầu cuối chính và một cơ chế tương tự cho các cực.

- Tế bào hình trụ

Đối với các tế bào hình trụ, các anot và catot được cắt thành hai dải dài được quấn trên

một hình trụ, cùng với bộ phận tách ngăn cách nhau, để tạo thành một cuộn thạch. Các tế bào

hình trụ chỉ có hai dải điện cực đơn giản hóa việc xây dựng đáng kể. Một thẻ duy nhất kết nối

mỗi điện cực với đầu cuối tương ứng của nó, mặc dù các tế bào năng lượng cao có thể có nhiều

bảng hàn theo các cạnh của dải điện cực để mang các dòng cao hơn.

Giai đoạn tiếp theo là kết nối cấu trúc điện cực với các đầu cuối cùng với bất kỳ thiết bị

an toàn nào và để lắp bộ phận phụ này vào trong hộp. Sau đó hộp có thể được niêm phong

trong q trình hàn hoặc gia nhiệt bằng laser, phụ thuộc vào vật liệu vỏ hộp, để lại một lỗ mở

để đưa chất điện giải vào trong hộp.

Giai đoạn sau đây là để điền vào các tế bào với điện phân và đóng dấu nó. Điều này

phải được thực hiện trong một "phòng khơ" vì chất điện phân phản ứng với nước. Độ ẩm sẽ

làm cho chất điện phân phân hủy với sự phát xạ các khí độc. Ví dụ Lithi Hexafluoride (LiPF 6),

một trong những chất điện phân được sử dụng phổ biến nhất, phản ứng với nước tạo thành axit

flofluoric độc hại (HF). Sau đó các tế bào được cung cấp một xác định với một nhãn hoặc bằng

cách in một lơ hoặc số serial trên vỏ hộp.

c) Sự hình thành

Khi lắp ráp tế bào hoàn thành, tế bào phải được đưa qua ít nhất một chu trình nạp / xả

kiểm sốt chính xác để kích hoạt các vật liệu làm việc, chuyển chúng thành dạng sử dụng

được. Thay vì đường cong điện áp cố định không đổi liên tục hiện tại, quá trình sạc bắt đầu với

điện thế thấp dần và dần tăng lên. Đây được gọi là quá trình hình thành. Đối với hầu hết các

hóa học Lithi, nó liên quan đến việc tạo ra SEI (giao diện chất điện phân rắn) trên cực dương.

Đây là một lớp thụ động rất cần thiết để điều tiết quá trình sạc trong điều kiện sử dụng bình

thường.

Trong quá trình hình thành, dữ liệu về hiệu suất của tế bào như công suất và điện trở,

được thu thập và ghi nhận để phân tích chất lượng và truy xuất nguồn gốc. Sự lan rộng của các

phép đo hiệu suất cũng cho thấy được q trình này có được kiểm sốt hay khơng. (Có thể các

nhà sản xuất sử dụng q trình này để phân loại tế bào của họ thành các nhóm hiệu suất khác

nhau để bán với các thông số kỹ thuật thay thế). Mặc dù khơng phải là mục đích chính của q

trình hình thành, q trình này cho phép một tỷ lệ phần trăm đáng kể các tế bào sơ khai của tế

bào chết do lỗi sản xuất, cái gọi là "sự chết trẻ sơ sinh" xảy ra trong nhà máy của nhà sản xuất

chứ không phải tại cơ sở của khách hàng.

d) Kiểm sốt quy trình

Dung sai chặt chẽ và kiểm sốt q trình chặt chẽ là rất cần thiết trong suốt quá trình

sản xuất. Sự nhiễm bẩn, hư hỏng vật lý và các vết trầy xước trên các điện cực đặc biệt nguy

hiểm vì chúng có thể gây ra sự xâm nhập của bộ tách gây nên các vòng ngắn trong tế bào và

khơng có phương pháp bảo vệ nào có thể ngăn ngừa hoặc kiểm sốt được.

e) Dịch vụ hỗ trợ

Sự sạch sẽ là điều thiết yếu để ngăn ngừa nhiễm bẩn và các tế bào thường được sản xuất

trong điều kiện phòng sạch với khả năng kiểm soát truy cập vào các cơ sở lắp ráp thường

xun qua khơng khí rào.

36



Ngồi các thiết bị kiểm tra sản xuất, nhà sản xuất pin cần phải có một phòng thí nghiệm

vật liệu được trang bị để thực hiện phân tích đầy đủ các vật liệu được sử dụng trong sản xuất tế

bào cũng như để thực hiện phân tích thất bại. Danh sách dưới đây cho thấy một số thiết bị

chính được sử dụng:

- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) để điều tra cấu trúc vật lý của vật liệu

- Máy quang phổ khối để phân tích hàm lượng hóa chất của vật liệu

- Calorimeters để kiểm tra tính chất nhiệt của vật liệu và các tế bào

- Thiết bị kiểm tra chu kỳ nạp / xả hàng có thể lập trình để thực hiện các tế bào và xác

minh tuổi thọ.

- Buồng môi trường và bảng rung động để điều tra sự hoạt động của các tế bào trong

điều kiện hoạt động dự kiến.

- Thiết bị kiểm tra áp suất cơ học.

2.3.3. Đường cong phóng điện

Điện áp danh định của một tế bào

được cố định bởi các đặc tính điện hóa của

các hóa chất hoạt động được sử dụng trong

tế bào. Điện áp thực tế xuất hiện tại các đầu

cuối tại bất kỳ thời gian cụ thể nào, cũng

như với bất kỳ tế bào nào, phụ thuộc vào tải

trọng hiện tại và trở kháng nội bộ của tế bào

và điều này thay đổi theo nhiệt độ, trạng thái

điện tích và tuổi của tế bào. Cơng suất phát

ra từ các tế bào với đường cong xả ra dốc

dần dần trong suốt chu kỳ xả. Điều này có

thể gây ra vấn đề cho các ứng dụng năng

lượng cao vào cuối chu kỳ. Đối với các ứng

dụng công suất thấp cần nguồn cung cấp ổn

định, có thể cần phải kết hợp bộ điều chỉnh

điện áp nếu độ dốc quá dốc. Các tế bào

Lithi-ion hiện đại có một đường cong điển

rất phẳng.

Đường cong phóng điện của pin Li-ion Hình 32: Đường cong phóng điện điển hình

cho thấy pin Li-ion có dung lượng điện cao

của các loại pin khi phóng điện ở tốc độ 0,2C

năng lượng cao hơn hẳn so với các loại pin khác.

Công suất của pin Li-ion sẽ giảm khi tốc độ phóng điện tăng và ngược lại.



37



Hình 33: Đường cong phóng điện của pin Li-on ở các tốc độ phóng điện khác nhau.

Khi nhiệt độ giảm, đặc biệt ở nhiệt độ rất thấp, năng lượng điện không thể được phóng

ra và cũng khơng được nạp vào pin, do đó điện áp sạc sẽ giảm đáng kể và dung lượng tế bào

giảm đáng kể.

Nhiệt độ phóng điện thích hợp từ 20 – 55oC.



Hình 34: Đường cong phóng điện của pin Li-ion ở các nhiệt độ khác nhau



38



Giống như tất cả các phản ứng hóa học, khi tăng với nhiệt độ sẽ làm tăng tốc độ phóng

điện của pin, dẫn đến tuổi thọ của pin giảm, việc tự xả tăng.



Hình 35: Đường cong tự xả của pin Li-ion theo thời gian khi ở các nhiệt độ khác nhau

2.4. Quy trình sạc và xả pin

2.4.1. Tổng quan về quá trình sạc pin Lithi-ion

Hai giai đoạn sạc pin Lithi-ion tiêu chuẩn gồm: sạc ổn dòng và sạc ổn áp

- Sạc ổn dòng: Trong q trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi, thông

thường bằng 0,5C – 1C (C là dung lượng [Ah] của pin). Dòng điện sạc càng lớn, q trình sạc

ổn dòng càng ngắn nhưng q trình sạc ổn áp sẽ càng dài. Tuy nhiên, tổng thời gian sạc cả 2

giai đoạn thường không quá 3 giờ. Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ của pin.

Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ chặt chẽ vì nhiệt độ q cao có thể làm cho ắc quy

bốc cháy hoặc phát nổ. Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 45°C. Một số pin li-ion sử

dụng cơng nghệ Lithi-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 60°C. Nếu

sử dụng bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào ắc quy (sạc ổn

dòng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời

gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn.



39



Hình 36: Quy trình sạc pin Li-ion

Trong q trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần. Khi điện áp đạt

bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc kết thúc q trình sạc ổn dòng và chuyển sang chế

độ sạc ổn áp. Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1 giờ (tùy thuộc vào

dung lượng còn lại ban đầu của pin). Kết thúc q trình sạc ổn dòng, dung lượng pin đã phục

hồi được khoảng 70%. Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng

ngay (phương pháp “charge-and-run”). Điều này mặc dù làm giảm thời gian sạc đồng thời làm

cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng sẽ làm giảm tuổi thọ pin. Để đảm bảo

tuổi thọ của pin theo đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai

đoạn sạc ổn áp – thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng.

- Sạc ổn áp : Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng

4,2V/cell. Do dung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng

điện giảm dần. Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc. Lúc này, dung

lượng pin đạt khoảng 99%.

Khác với pin nikel hoặc axit-chì ,pin Li-ion khơng cần và khơng được phép duy trì điện

áp sạc sau khi pin đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tính chất của Lithi-ion khơng

cho phép sạc sâu (over-charge); nếu vẫn cố over-charge sạc sâu có thể sẽ làm nóng pin và gây

ra nổ. Ngồi ra, theo các chuyên gia, không nên sạc pin Li-ion vượt quá 100% dung lượng vì

như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của pin.

Nếu pin được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của pin sẽ giảm dần về mức

ổn định khoảng 3,6 – 3,9V/cell. Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh (sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc,

điện áp pin sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 – 3,5V.

Do pin Lithi-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge) nên

trong một số trường hợp, để điền đầy pin, ngồi việc sử dụng q trình ổn dòng, ổn áp, người

ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn. Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/cell, quá

trình sạc sẽ dừng ngay. Lúc này, điện áp pin sẽ giảm dần; khi điện áp pin giảm còn 4,05V/cell

hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục q trình sạc áp. Việc đóng cắt

như vậy sẽ được diễn ra liên tục. Nhờ vậy, điện áp pin sẽ được giữ ổn định trong khoảng 4,05 –



40



4,2V/cell, do đó, làm pin được nạp sâu hơn, tránh được hiện tượng over-charging và kéo dài

tuổi thọ pin.

2.4.2. Vấn đề “sạc sâu” (Over-charging) của pin Lithi-ion

Thông thường, pin Li-ion chỉ nên hoạt động (sạc/xả) ở vùng điện áp được thiết kế (dưới

4,2V/cell). Tuy nhiên, trong một số trường hợp, khi pin đã đầy mà vẫn bơm dòng điện vào,

điện áp pin sẽ dâng lên cao hơn 4,3V. Lúc này, ắc quy gọi là bị over-charging.

Khi ở điện áp pin nằm ngoài vùng làm việc an toàn (trên 4,2V/cell hoặc dưới 2,5V/cell)

hoạt động của nó trở nên khơng ổn định. Các lớp Lithi kim loại sẽ hình thành trên cực dương

trong khi cực âm sẽ bị oxi hóa mạnh làm giảm tính ổn định và sản sinh ra khí CO 2 bên trong

pin làm áp suất trên trong pin sẽ tăng lên. Thơng thường, để an tồn, bộ sạc cần phải ngừng sạc

ngay khi áp suất trong cell đạt 200psi.

Nếu bộ sạc khơng có chức năng theo dõi và bảo vệ áp suất lớn, do khí CO 2 khơng

ngừng sinh ra, áp suất pin sẽ tiếp tục tăng, đồng thời nhiệt độ pin cũng tăng nhanh. Khi áp suất

đạt khoảng 500psi, lúc này nhiệt độ pin đạt khoảng 130 oC - 150 oC, lớp màng an toàn ngăn

cách các cell sẽ bị đánh thủng và pin sẽ bắt đầu bốc cháy thậm chí gây nổ.Vì vậy, trong q

trình sạc, cần tuyệt đối tuân thủ các yêu cầu về nhiệt độ và điện áp trên các cell.



Hình 37: Các vùng làm việc của pin

2.4.3. Xả pin Li-ion bị over-discharg (xả sâu).

Pin Li-ion nói chung khơng nên và khơng được phép xả quá sâu (over-discharge). Khi

điện áp pin giảm xuống dưới 3,0V/cell, tốt nhất nên cắt pin khỏi mạch. Nếu để điện áp pin

giảm xuống dưới 2,7V/cell hệ thống mạch bảo vệ của bản thân pin sẽ tự động chuyển pin sang

chế độ sleep. Lúc này, pin không thể sạc lại được theo cách thông thường mà cần phải sử dụng

chu trình sạc 4 giai đoạn theo sơ đồ hình 18.

Trong chu trình sạc 4 giai đoạn, ngồi 2 giai đoạn sạc ổn dòng, ổn áp giống như quy

trình sạc pin Li-ion thường, 2 giai đoạn Pre-charge và Activation được thêm vào để khôi phục

lại hoạt động của pin.

Trước tiên, trong giai đoạn Pre-charge, pin sẽ được bơm vào một dòng điện nhỏ (515%C) sau đó điện áp pin được giám sát. Nếu sau một khoảng thời gian xác định (testing

41



time), điện áp pin khơng tăng hoặc tăng q chậm thì pin coi như không thể phục hồi được

nữa. Trái lại nếu điện áp tăng lên trên 2,8V khi đó pin gọi là còn tốt và có thể tiếp tục sạc được.

Lúc này, bộ sạc chuyển sang sạc pin trong chế độ Activation để kích hoạt trở lại hoạt động của

pin.

Trong chế độ Activation, dòng điện 5-15%C tiếp tục được duy trì cho đến khi điện áp

pin tăng lên trên 3V. Lúc này bộ sạc lại chuyển sang hoạt động ở chế độ sạc ổn dòng và ổn áp

như bình thường. Khi các nhà sản xuất bán pin, họ thường sạc sẵn pin đến 40% dung lượng.

Tuy nhiên, sau một thời gian, do hiện thượng tự xả (self-discharge) dung lượng pin giảm dần,

đồng nghĩa với việc điện áp pin giảm. Vì vậy, để tránh hiện tượng over-discharge,pin nên được

bảo trì định kỳ bằng cách sạc lại sau khi để không dùng trong một thời gian dài.



Hình 38: Bốn giai đoạn sạc pin bị Over-discharge

2.4.4. Vấn đề cân bằng cell (cell balancing)

Mỗi cell pin Li-ion thường có điện áp hở mạch khoảng 3,5V . Trong các hệ thống như

xe điện, để cấp điện cho động cơ truyền lực chính và các thiết bị điện khác trong xe, các cell

thường được mắc song song nối tiếp cho đến khi đạt được điện áp DC-Bus khoảng 200VDC

trở lên.

Những nguyên nhân như thông số các cell do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định;

trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh

hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell khơng đồng đều. Có cell có điện áp cao hơn

một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, các cell

khơng cân bằng với nhau.



42



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Việc thay thế vật liệu anot kim loại Lithi bằng cacbon hay graphite phải chịu thiệt về mật độ năng lượng vì dung lượng tích trữ lý thuyết của graphite chỉ bằng 1/10 dung lượng tích trữ lý thuyết của kim loại Lithi và điện thể hở thấp hơn ~ 3 ÷ 4V. Song th

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×