Tìm hiểu nguyên lý làm việc các loại Pin Niken Cadmium lithium Li-Po

Pin là một bộ năng lượng hóa học khép kín, có thể tạo ra một lượng năng lượng điện hạn chế ở bất cứ nơi nào cần thiết. Không giống như điện thông thường, chảy vào nhà bạn thông qua dây điện khởi động trong nhà máy điện, pin từ từ chuyển đổi các hóa chất được đóng gói bên trong thành năng lượng điện, thường được giải phóng trong khoảng thời gian vài ngày, vài tuần, vài tháng hoặc thậm chí nhiều năm.

Pin là gì?

Pin là nguồn năng lượng phổ biến nhất cho các thiết bị cầm tay cơ bản. Và cũng cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn nữa. Pin có thể được định nghĩa là sự kết hợp của một hoặc nhiều tế bào điện hóa có khả năng chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ thành năng lượng điện.

Và hiện nay, pin có rất nhiều loại khác nhau. Chúng ta cùng tìm hiểu tiếp nhé.

Pin tiếng Anh là gì

Trong tiếng Anh, pin được gọi là battery hoặc là cell. Nhưng chúng ta sẽ hay bắt gặp từ battery hơn. Một từ kỹ thuật rất phổ thông đúng không nào. Chúng xuất hiện trên bao bì, nhãn hộp, trên thân các thiết bị điện tử cầm tay, và trong các sách hướng dẫn sử dụng thiết bị nữa.

Pin sạc là gì
Pin sạc là gì

Cấu tạo của pin

Pin có ba phần, cực dương (-), cực âm (+) và chất điện phân. Cực âm và cực dương (hai mặt điện cực ở hai đầu của pin truyền thống). Bên ngoài được bao bọc bởi một lớp vỏ.

Cấu tạo pin
Cấu tạo pin

Nguyên lý hoạt động của pin

Các phản ứng hóa học trong pin gây ra sự tích tụ các electron ở cực dương. Điều này dẫn đến sự khác biệt về điện giữa cực dương và cực âm. Bạn có thể nghĩ về sự khác biệt này như là sự tích tụ không ổn định của các điện tử. Các điện tử muốn tự sắp xếp lại để thoát khỏi sự khác biệt này. Các electron đẩy nhau và cố gắng đi đến một nơi có ít electron điện tử hơn.

Trong pin, nơi duy nhất để đi đến là cực âm. Nhưng, chất điện phân giữ cho các electron không đi thẳng từ cực dương đến cực âm trong pin.

Nguyên lý hoạt động của pin
Nguyên lý hoạt động của pin

Khi mạch được đóng lại (một dây nối giữa cực âm và cực dương), các electron sẽ có thể đến cực âm. Ví dụ, các electron đi qua dây, chiếu sáng bóng đèn mắc trên dây. Đây là một cách mô tả cách điện thế khiến các electron chạy qua mạch.

Tuy nhiên, các quá trình điện hóa này thay đổi các hóa chất ở cực dương và cực âm để làm cho chúng ngừng cung cấp các electron điện tử. Vì vậy, chỉ có một lượng năng lượng hạn chế có sẵn trong pin.

Khi bạn sạc lại pin, bạn thay đổi hướng của dòng điện tử bằng cách sử dụng một nguồn năng lượng khác. Các quá trình điện hóa xảy ra ngược lại, cực dương và cực âm được khôi phục về trạng thái ban đầu và một lần nữa có thể cung cấp năng lượng đầy đủ.

Tại sao có nhiều loại pin?

Có nhiều loại pin khác nhau để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Nhưng tại sao lại sử dụng kết hợp các vật liệu khác nhau? Nếu bạn đã có một cặp kim loại phối hợp tốt với nhau như các điện cực, tại sao lại phải loay hoay với những thứ khác?

Các vật liệu khác nhau có các tính chất điện hóa khác nhau, và do đó chúng tạo ra kết quả khác nhau khi bạn đặt chúng lại với nhau trong một pin. Ví dụ, một số kết hợp sẽ tạo ra một điện áp cao, rất nhanh, nhưng sau đó giảm xuống nhanh chóng, không thể duy trì điện áp đó lâu. Điều này là tốt nếu bạn cần cho ứng dụng phát sáng đột ngột như đèn flash máy ảnh.

Các loại pin
Các loại pin

Các kết hợp khác sẽ chỉ tạo ra một dòng điện nhỏ, nhưng chúng sẽ tồn tại lâu dài. Ví dụ, chúng ta không cần một dòng điện lớn để cung cấp năng lượng cho máy Test-4, nhưng chúng ta muốn máy đo Test-4 Seneca tiếp tục hoạt động trong một thời gian dài.

Đồng hồ đo Test-4
Đồng hồ đo Test-4

Một lý do khác để sử dụng các tổ hợp kim loại khác nhau là thường phải xếp chồng hai hoặc nhiều pin để có được điện áp cần thiết, và một số tổ hợp điện cực xếp chồng lên nhau khả thi hơn nhiều so với các tổ hợp khác. Ví dụ, pin lithium iron phosphate (một loại pin lithium-ion) được sử dụng trong ô tô điện xếp chồng lên nhau để tạo ra hệ thống điện áp cao (100V hoặc thậm chí hơn), nhưng bạn sẽ không bao giờ làm điều đó với những pin NiCad Walkman vì sinh nhiệt cao.

Các loại pin trên thị trường

Pin có nhiều hình dạng, kích cỡ, điện áp và dung lượng khác nhau (lượng điện tích hoặc năng lượng được lưu trữ). Mặc dù chúng có thể được chế tạo với các loại chất điện phân và điện cực khác nhau, nhưng thực sự chỉ có hai loại chính: pin sạc và pin không sạc.

Pin không sạc là loại bình thường, dùng một lần mà thông thường không thể sạc lại được; pin sạc có thể sạc lại được, đôi khi hàng trăm lần.

Pin không sạc

Như tên cho thấy các pin này có nghĩa là sử dụng cho 1 duy nhất. Khi các pin này được sử dụng, chúng không thể được sạc lại vì các vật liệu cấu tạo không trở về dạng ban đầu. Các nhà sản xuất pin đề nghị không sạc lại các loại pin này.

Một số ví dụ cho pin dùng một lần là pin AA, AAA bình thường mà chúng ta sử dụng trong đồng hồ treo tường, điều khiển từ xa,…

Pin không sạc Alkaline
Pin không sạc Alkaline

Loại pin không sạc phổ biến nhất là pin kiềm alkaline. Chúng có năng lượng riêng cao và thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và không bị rò rỉ ngay cả khi thải hoàn toàn. Chúng có thể được lưu trữ trong vài năm, an toàn và có thể được mang theo trên máy bay.

Nhược điểm duy nhất của pin kiềm là dòng tải thấp, giới hạn sử dụng cho các thiết bị có yêu cầu dòng điện thấp như điều khiển từ xa, đèn pin và thiết bị giải trí cầm tay.

Pin sạc là gì

Pin thứ cấp cũng được gọi là pin sạc. Những pin này có thể được sử dụng và sạc lại đồng thời. Chúng thường được lắp ráp với các vật liệu hoạt động ở trạng thái sạc/xả. Pin sạc được sạc lại bằng cách sử dụng dòng điện, đảo ngược các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình xả.

Một số ví dụ cho các loại pin sạc này là pin được sử dụng trong điện thoại di động, máy nghe nhạc MP3,…

Pin Niken- Cadmium

Pin niken cadmium (pin Ni-Cd hoặc pin NiCad) là một loại pin có thể sạc lại. Được phát triển bằng cách sử dụng niken oxit hydroxit và cadmium kim loại làm điện cực. Pin Ni-Cd vượt trội trong việc duy trì điện áp khi không sử dụng. Tuy nhiên, pin Ni-Cd dễ dàng bị hiệu ứng bộ nhớ khi pin được sạc một phần, làm giảm dung lượng của pin trong tương lai.

Pin sạc Ni-cd
Pin sạc Ni-cd

So với các loại pin sạc khác, pin Ni-Cd có vòng đời và hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp với công suất hợp lý nhưng lợi thế đáng kể nhất của chúng là khả năng cung cấp công suất định mức đầy đủ ở tốc độ xả cao. Chúng có sẵn trong các kích cỡ khác nhau bao gồm các kích cỡ được sử dụng cho pin kiềm, các pin AAA đến D. Ni-Cd được sử dụng riêng lẻ hoặc được lắp ráp trong các gói gồm hai hoặc nhiều pin. Các gói nhỏ được sử dụng trong các thiết bị cầm tay, thiết bị điện tử và đồ chơi trong khi các gói lớn hơn ứng dụng trong pin khởi động máy bay, xe điện và nguồn điện dự phòng.

Một số tính chất của pin Niken-Cadmium như sau

  • Năng lượng riêng: 40-60W-h/kg
  • Mật độ năng lượng: 50-150 W-h/L
  • Công suất cụ thể: 150W/kg
  • Hiệu suất sạc/xả: 70-90%
  • Tỷ lệ tự xả: 10%/tháng
  • Độ bền chu kỳ/tuổi thọ: 2000 lần

Pin niken- kim loại

Pin Niken hydride kim loại (Ni-MH) là một loại cấu hình hóa học khác được sử dụng cho pin sạc. Phản ứng hóa học ở điện cực dương của pin tương tự như tế bào cadmium niken (Ni-Cd), với cả hai loại pin sử dụng cùng loại niken oxit hydroxit (NiOOH). Tuy nhiên, các điện cực âm trong Niken-Metal Hydride sử dụng hợp kim hấp thụ hydro thay vì cadmium được sử dụng trong pin NiCd

Pin Ni-MH
Pin Ni-MH

Pin Ni-MH ứng dụng trong các thiết bị dòng xả cao vì dung lượng và mật độ năng lượng cao. Pin Ni-MH có thể sở hữu dung lượng gấp hai đến ba lần pin Ni-Cd có cùng kích thước và mật độ năng lượng của nó có thể đạt tới mức của pin lithium-ion. Không giống như NiCd, pin Ni-MH không dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng nhớ như pin Ni-Cd.

Dưới đây là một số tính chất của pin Ni-MH

  • Năng lượng riêng: 60-120h/kg
  • Mật độ năng lượng: 140-300 Wh/L
  • Công suất cụ thể: 250-1000 W/kg
  • Hiệu suất sạc/xả: 66% – 92%
  • Tỷ lệ tự xả: 1,3-2,9%/tháng ở 20 oC
  • Độ bền chu kỳ/tuổi thọ: 180 -2000 lần

Pin lithium-ion là gì

Pin lithium ion là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất. Chúng được tìm thấy trong các thiết bị cầm tay khác nhau bao gồm điện thoại di động, thiết bị thông minh và một số thiết bị pin khác được sử dụng tại nhà. Ứng dụng trong hàng không vũ trụ và các ứng dụng quân sự do tính chất nhẹ của chúng.

Pin Lithium- ion
Pin Lithium- ion

Pin lithium-ion là một loại pin có thể sạc lại, trong đó các ion lithium từ điện cực âm di chuyển đến điện cực dương trong quá trình phóng điện và di chuyển trở lại điện cực âm khi pin được sạc. Pin Li-ion sử dụng hợp chất lithium xen kẽ làm vật liệu điện cực.

Pin lithium ion thường có mật độ năng lượng cao, ít hoặc không có hiệu ứng bộ nhớ và khả năng tự xả thấp so với các loại pin khác. Ví dụ, pin Li-ion được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay thường dựa trên lithium cobalt oxide (LiCoO2) cung cấp mật độ năng lượng cao và rủi ro an toàn thấp khi bị hỏng. Trong khi pin Li-ion trên lithium sắt phosphate có mật độ năng lượng thấp hơn sẽ an toàn hơn do giảm khả năng xảy ra sự cố đáng tiếc, được sử dụng rộng rãi trong việc cung cấp năng lượng cho các công cụ điện và thiết bị y tế.

Một số thuộc tính của pin lithium ion như

  • Năng lượng riêng: 100: 265W-h/kg
  • Mật độ năng lượng: 250: 693 W-h/L
  • Công suất cụ thể: 250: 340 W/kg
  • Tỷ lệ phí/xả: 80-90%
  • Độ bền chu kỳ: 400: 1200 chu kỳ
  • Điện áp di động danh nghĩa: NMC 3.6/3.85V

Pin axit- chì

Pin axit chì là dạng năng lượng đáng tin cậy chi phí thấp được sử dụng trong các ứng dụng nặng. Chúng thường rất lớn và vì trọng lượng của chúng, chúng luôn được sử dụng trong các ứng dụng không di động như bộ lưu trữ năng lượng mặt trời, đánh lửa và đèn xe, năng lượng dự phòng và cân bằng tải trong sản xuất/phân phối điện.

Pin axit chì
Pin axit chì

Pin axit chì là loại pin sạc lâu đời nhất và vẫn còn rất phù hợp và quan trọng đối với thế giới ngày nay. Pin axit chì có tỷ lệ năng lượng và thể tích so với trọng lượng rất thấp; nhưng nó có tỷ lệ công suất so với trọng lượng tương đối lớn và kết quả là có thể cung cấp dòng điện đột biến lớn khi cần thiết. Các thuộc tính này; cùng với chi phí thấp làm cho các pin này hấp dẫn để sử dụng trong một số ứng dụng hiện tại cao như cung cấp năng lượng cho động cơ khởi động ô tô và để lưu trữ trong các bộ nguồn dự phòng.

Pin Li-Po

Chúng còn được gọi là pin sạc polyme ion vì nó sử dụng chất điện phân polymer dạng gel có độ dẫn điện cao thay vì chất điện phân dạng lỏng. Chúng đi theo công nghệ Li-ion. Pin được bảo vệ rất cao khi so sánh với pin Li-ion. Nó có mật độ năng lượng 185 Wh/Kg. Chúng cũng được dùng nhiều trong các thiết bị điện tử cầm tay, đồ chơi thông minh,…

Pin Li-Po
Pin Li-Po

Ưu điểm:

  • Tính năng bảo vệ cao so với pin Li-ion
  • Trọng lượng rất nhẹ
  • Cấu trúc mỏng khi so sánh với pin Li-ion
  • Mật độ năng lượng, điện áp danh định tương đối cao so với pin Ni-Cad và Ni-MH

Nhược điểm:

  • Giá thành khá đắt
  • Có thể phát nổ nếu kết nối sai
  • Không nên uốn cong hoặc tiếp xúc với nhiệt độ cao có thể gây nổ

Ưu điểm của pin lithium – ion

Pin Li-ion vượt trội hơn pin Ni-Cd và các loại pin sạc khác. Một số ưu điểm có thể thấy như là:

  • Trọng lượng nhẹ so với các loại pin khác có kích thước tương tự
  • Có sẵn trong nhiều hình dạng khác nhau bao gồm cả hình phẳng
  • Điện áp mạch cao làm tăng sự truyền tải điện ở dòng điện thấp
  • Ít bị hiệu ứng bộ nhớ
  • Tỷ lệ tự xả rất thấp 5-10% mỗi tháng. Với pin Ni-Cd và Ni-Mh tỉ lệ tự xả là khoảng 30%.
  • Pin thân thiện với môi trường

Nhưng cùng với những ưu điểm, giống như các loại pin khác; pin Li-Ion cũng gặp phải một số nhược điểm.

Nhược điểm của pin Li-Ion

  • Các chất lắng đọng bên trong chất điện phân theo thời gian sẽ ức chế dòng điện tích. Điều này làm tăng điện trở bên trong của pin và khả năng cung cấp dòng điện giảm dần.
  • Sạc dòng cao và nhiệt độ cao có thể dẫn đến mất công suất
  • Khi quá nóng, pin Li-Ion có thể bị mất nhiệt và vỡ tế bào.
  • Phóng điện sâu có thể làm chập mạch pin Li-Ion. Vì vậy, để ngăn chặn điều này. Một số nhà sản xuất đã tắt mạch bên trong để tắt pin khi điện áp của nó ở trên mức an toàn từ 3 đến 4.2V. Trong trường hợp này, khi pin không được sử dụng trong thời gian dài; mạch bên trong sẽ tiêu thụ năng lượng và tiêu hao pin dưới mức điện áp ngưỡng tắt. Vì vậy, để sạc pin như vậy bộ sạc bình thường là không dùng được.