Trên tinhte hay internet đã có rất nhiều bài viết chia sẻ về cách sạc pin đúng cách. Bài viết này mình viết với mục đích làm sáng tỏ các luận điểm đã được nêu ra trong các bài đó dưới góc nhìn "hơi" khoa học xíu.
Như mọi người biết thì hiện nay phần lớn các sản phẩm điện tử dùng pin thứ cấp (pin có thể sạc lại) là pin Lithium-ion (LIB). Vậy tại sao lại dùng lithium mà không phải nguyên tố khác? Tại sao LIB lại là lựa chọn tốt hơn pin Ni-Cd, Ni-MH? Điều gì khiến LIB có thể thay thế các loại pin thế hệ trước? Đơn giản là do sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đòi hỏi pin có thời gian sử dụng dài hơn, trọng lượng nhẹ hơn để thuận tiện trong việc di chuyển, nên lithium đã được chọn do nó là nguyên tố kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn hóa học. Đầu tiên, nhà khoa học Whittingham đã dùng lithium kim loại như là cực âm (anode) cho pin, loại pin này cho mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với LIB thương mại mà anh em đang sử dụng, tuy nhiên nó rất dễ cháy nổ vì lithium là kim loại hoạt động mạnh. Từ đó thôi thúc các nhà khoa học tìm ra các loại điện cực thay thế an toàn hơn, trong số đó có Goodenough và Akira Yoshino đã sử dụng lithium cobalt oxide làm cực dương (cathode) và carbon làm cực âm, tương ứng. Cũng chính từ những nghiên cứu này mà họ được trao giải Nobel hóa học 2019.
Về cơ chế hoạt động của pin: cực dương sẽ là vật liệu chứa li-ion, khi nạp điện- dùng năng lượng ngoài để buộc các ions này sẽ từ cực dương dần dần đi qua cực âm, khi pin nạp đầy tức là toàn bộ các ions ở cực dương được chuyển qua cực âm. Việc xả thì ngược lại, các Li-ion chuyển động ngược lại, từ cực âm qua cực dương, tương ứng với sự di chuyển của các electrons ở mạch ngoài (Hình 1), và tạo ra dòng điện
Như mọi người biết thì hiện nay phần lớn các sản phẩm điện tử dùng pin thứ cấp (pin có thể sạc lại) là pin Lithium-ion (LIB). Vậy tại sao lại dùng lithium mà không phải nguyên tố khác? Tại sao LIB lại là lựa chọn tốt hơn pin Ni-Cd, Ni-MH? Điều gì khiến LIB có thể thay thế các loại pin thế hệ trước? Đơn giản là do sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đòi hỏi pin có thời gian sử dụng dài hơn, trọng lượng nhẹ hơn để thuận tiện trong việc di chuyển, nên lithium đã được chọn do nó là nguyên tố kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn hóa học. Đầu tiên, nhà khoa học Whittingham đã dùng lithium kim loại như là cực âm (anode) cho pin, loại pin này cho mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với LIB thương mại mà anh em đang sử dụng, tuy nhiên nó rất dễ cháy nổ vì lithium là kim loại hoạt động mạnh. Từ đó thôi thúc các nhà khoa học tìm ra các loại điện cực thay thế an toàn hơn, trong số đó có Goodenough và Akira Yoshino đã sử dụng lithium cobalt oxide làm cực dương (cathode) và carbon làm cực âm, tương ứng. Cũng chính từ những nghiên cứu này mà họ được trao giải Nobel hóa học 2019.
Về cơ chế hoạt động của pin: cực dương sẽ là vật liệu chứa li-ion, khi nạp điện- dùng năng lượng ngoài để buộc các ions này sẽ từ cực dương dần dần đi qua cực âm, khi pin nạp đầy tức là toàn bộ các ions ở cực dương được chuyển qua cực âm. Việc xả thì ngược lại, các Li-ion chuyển động ngược lại, từ cực âm qua cực dương, tương ứng với sự di chuyển của các electrons ở mạch ngoài (Hình 1), và tạo ra dòng điện
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của lithium-ion battery
LIB thương mại anh em hay sử dụng có hai loại Li-ion và Li-po. Hai loại này chỉ khác nhau về separator (từ này mình không biết dùng từ Tiếng việt nào cho chính xác, cơ bản là nó dùng để ngăn cách giữa hai điện cực, tránh ngắn mạch trong)
Li-ion thì dùng chất điện ly (electrolyte) là muối hòa tan trong dung môi hữu cơ, loại này rất phổ biến nhưng dễ cháy nổ (Note 7 cháy nổ cũng một phần do dùng loại này). Li-po thì dùng chất điện ly là muối phân tán trong polymer nền. Đại khái là thế, Li-po thì an toàn hơn nhưng nó sẽ khó để sạc nhanh so với Li-ion, anh em hình dung như đi đường không bị tắc (~Li-ion) sẽ nhanh hơn so với đi lúc tan tầm (~Li-po) vì polymer (gel) có mật độ lớn hơn so với chất lỏng. Ngoài ra ngày nay, với sự phát triển của xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng cũng thúc đẩy ngành khoa học nghiên cứu về pin phát triển mạnh mẽ. Đầu tiên, để giảm giá thành, các nhà khoa học tìm cách thay thế lithium bằng các kim loại phổ biến hơn, ra đời sodium-ion, potassium-ion, magnesium-ion, zinc-ion battery… Cơ bản thì những loại này sẽ nặng hơn so với LIB làm cho mật độ năng lượng giảm nhưng được cái rẻ 😊. Thứ hai là tìm cách tăng mật độ năng lượng của pin lên, khái niệm solid-state battery ra đời, cốt lõi là quay trở lại dùng lithium kim loại làm điện cực nhưng để tránh ngắn mạch trong thì dùng chất điện ly rắn. Độ dẫn của chất điện ly rắn thường thấp ở nhiệt độ phòng, có một số chất điện ly sulfide có độ dẫn có thể so sánh với chất điện ly lonhg, và nó cũng làm pin nặng hơn, nên loại này vẫn đang trong thời gian nghiên cứu. Thứ ba là nghiên cứu các điện cực có dung lượng cao hơn như lithium-sulfur, sodium-sulfur battery hoặc lithium-air, sodium-air, zinc-air... battery (loại này cần cung cấp khí, có thể là O2 hoặc CO2, tùy loại)
Hình 2. So sánh mật độ năng lượng (theo khối lượng và thể tích) của một số loại pin
(mật độ năng lượng theo khối lượng càng lớn, pin càng nhẹ; mật độ năng lượng theo thể tích càng lớn pin càng nhỏ gọn)
Tiếp theo là về điện cực, thông thường cực âm sẽ dùng graphite, gần đây nhiều công ty giới thiệu cực âm dùng graphene, loại này có dung lượng gấp đôi graphite nhưng nhược điểm là giá sẽ cao, thứ nữa là cực âm sẽ quyết định dung lượng nhưng cực dương mới quyết định mật độ năng lượng (do cực dương mới là vật liệu chứa lithium chứ cực âm đơn giản như cái kho rỗng thôi). Điểm quan trọng là cực âm sẽ quyết định tốc độ sạc của pin. Xu hướng là dùng cực âm loại alloying như silicon, silica với dung lượng cao và có thể sạc nhanh nhưng tuổi thọ không cao nên hiện tại đang dùng loại alloying này trộn với graphite để cái thiện đặc tính. Về cực dương thì có nhiều loại như Lithium cobalt oxide (LiCoO2), NCA (Li[Ni0.8Co0.15Al0.05]O2), NCM (Li[Ni0.6Co0.2Mn0.2]O2)… Mấy loại điện cực phát triển về sau sẽ có dung lượng cao hơn (chứa được nhiều lithium hơn), thay thế cobalt đắt tiền và độc hại bằng các kim loại rẻ tiền hơn như Mn, Al, Ni… Theo mình biết thì Tesla model 3 dùng NCA, chạy được đâu đó cỡ 350km/1 lần sạc, GM thì dùng NCM, hy vọng với sự phát triển của xe điện, các công ty sẽ đầu tư nhiều tiền hơn cho việc phát triển pin.
Nói qua về Depth of Discharge (DoD) là phần trăm xả của pin so với dung lượng lý thuyết của pin. 0% DoD tương ứng với pin sạc đầy 100% còn 100% DoD tương ứng với pin xả hoàn toàn. Một chu kỳ của pin tương ứng với một lần xả hết và một lần sạc đầy. Pin là thiết bị biến đổi năng lượng hóa học sang điện năng, trong quá trình sạc/xả, vật liệu điện cực sẽ thay đổi số oxy hoá, pha tinh thể, dần dần biến đổi thể tích của cấu trúc tinh thể, nếu quá trình này diễn ra liên tục với cường độ lớn, pin sẽ giảm tuổi thọ rất nhanh. Để dễ hình dung thì nó như việc anh em bẻ gãy một dây kẽm nhỏ với lực nhỏ hơn ứng suất của kẽm, nếu bẻ từ từ thanh kẽm sẽ không bị gãy nhưng nếu bẻ nhanh, liên tục thanh kẽm sẽ bị đứt (do độ bền mỏi). Vật liệu điện cực cho pin cũng như vậy, pin nào rồi cũng chai thôi.
Ví dụ: Một viên pin có dung lượng 10Ah, nếu pin được xả 2Ah tương ứng với DoD = 20% (ngoài ra còn có thuật ngữ State of Charge SoC, ngược lại với DoD, trong trường hợp trên SoC = 80%)
10 Ah với 100 chu kỳ ở DoD = 100% ~ 1000 Ah xả trong khoảng thời gian sử dụng. (100 chu kỳ x 10Ah)
10 Ah với 200 chu kỳ ở DoD = 50% ~ 1000 Ah xả trong khoảng thời gian sử dụng. (200 x 10Ah x 50%)
Quảng cáo
Ở 200 chu kỳ, thời gian sử dụng kéo dài gấp 2 lần tuy nhiên lượng năng lượng vận chuyển không đổi.
Hình 3. Ảnh SEM cross-section của NCM ở các khoảng cut-off voltage khác nhau
(Độ phóng đại: 10K (ảnh trái); 25K (ảnh phải)
Hình 3 là ảnh SEM cross-section của NCM cathode sau 100 chu kỳ sạc/xả có thể thấy việc tối ưu khoảng điện thế hoạt động (tương ứng với DoD) là rất quan trọng, khoảng điện thế không tối ưu sẽ nhanh chóng phá hủy cấu trúc điện cực. Tuy nhiên nhà sản xuất cũng cần cân nhắc giữa tuổi thọ của pin và năng lượng của pin mang lại, giảm điện thế đồng nghĩa với việc giảm mật độ năng lượng (Wh/g). Nói cách khác, nếu giảm khoảng điện thế hoạt động, pin sẽ nặng hơn do cần sử dụng nhiều vật liệu làm điện cực hơn cũng như các vật liệu làm nhiệm vụ góp điên (current collector), vật liệu bao gói pin… Tất nhiên các nhà sản xuất pin đã tính toán đến vấn đề khoảng điện thế hoạt động của pin, nhưng với các thiết bị có tuổi thọ không dài như điện thoại (~1000 chu kỳ sạc/xả) thì khoảng này còn khá rộng để đảm bảo tính gọn nhẹ của thiết bị, còn đối với các xe điện hay hệ thống lưu trữ năng lượng, đòi hỏi tuổi thọ cao, khoảng này được khống chế rất chặt chẽ.
Nói dông dài mãi, cơ bản có vài vấn đề về sạc pin anh em cần chý ý, các mod tinhte đã có bài viết rồi, mình chỉ làm rõ ý hơn.
Quảng cáo
1. Hạn chế để cạn pin rồi mới sạc.
Khoảng dung lượng lý tưởng để sử dụng là từ 20-80%, sạc/xả full trong thời gian dài sẽ làm vật liệu nhanh chóng bị "mỏi", làm solid-liquid interface layer (từ này mình không dịch sát nghĩa tiếng việt được nên để tiếng anh) không ổn định dẫn tới thất thoát dung lượng (thất thoát lithium) và tăng điện trở nội, phát sinh nhiệt, giảm tuổi thọ của pin.
2. Có nên sạc qua đêm không?
Lý thuyết là không, tuy nhiên pin đã được thiết kế 1 khoảng điện thế làm việc nhất định (cut-off voltage) nên cũng không cần quá lo lắng. Nếu sau 2-3 năm đổi máy một lần thì cứ sạc thoải mái, nếu muốn dùng thời gian lâu hơn thì mình khuyên không nên thường xuyên sạc qua đêm.
Một điều quan trọng nữa là nó phụ thuộc rất lớn vào bản chất của vật liệu điện cực, mà cái này rất ít công ty công bố chi tiết nên phương pháp này có thể tốt cho samsung nhưng chưa chắc tốt cho apple. Tuy nhiên tất cả các ý trên là đứng trên phương diện vật liệu-hóa học, về phần điện/điện tử thì pin cũng có các mạch bảo vệ nên không cần quá lo lắng, cứ thoải mái mà dùng. ;)
Tài liệu tham khảo
1. ACS Energy Lett. 2019, 4, 6, 1394-1400. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00733
2. InfoMat 1.1 (2019): 6-32. https://doi.org/10.1002/inf2.12000
3. https://www.autonews.com/shift/look-how-lithium-ion-batteries-work
