Tự xả pin là gì và cách tính toán nó

Sự tự xả của pin là một hiện tượng quan trọng trong lưu trữ năng lượng điện hóa, đề cập đến sự mất mát dung lượng tự nhiên xảy ra khi pin ở trạng thái mạch hở theo thời gian. Hiểu rõ các nguyên lý, yếu tố ảnh hưởng và phương pháp tính toán của sự tự xả là điều cần thiết cho việc quản lý lưu trữ pin hiệu quả, dự đoán tuổi thọ và tối ưu hóa hiệu suất.

Bài viết này giải thích cơ chế tự xả, sự khác biệt về tốc độ tự xả giữa các loại hóa chất pin khác nhau, các phương pháp tính toán và các chiến lược thực tiễn để giảm thiểu tác động của nó—giúp kỹ sư và người dùng duy trì và kéo dài tuổi thọ pin hiệu quả hơn.

Tự xả pin là gì?

Sự tự xả của pin đề cập đến việc mất dần dung lượng lưu trữ theo thời gian khi pin ở trạng thái mạch hở. Quá trình này bao gồm cả sự tự xả vật lý và hóa học, và là một đặc tính cố hữu của tất cả các loại pin. Hiểu rõ quá trình này là điều quan trọng để đánh giá tuổi thọ pin, hiệu suất lưu trữ và độ tin cậy tổng thể.

Tự xả điện xảy ra như thế nào?

Tự xả xảy ra do các phản ứng hóa học bên trong tương tự như trong quá trình xả mạch kín, ngay cả khi pin không được sử dụng. Nhiệt độ cao làm tăng tốc các phản ứng này, dẫn đến mất dung lượng nhanh hơn, trong khi nhiệt độ thấp giúp làm chậm chúng. Theo thời gian, một lớp thụ động hình thành trên bề mặt điện cực, hoạt động như một lớp màng bảo vệ có thể giảm bớt một phần quá trình tự xả.

Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tự xả điện bao gồm:

• Ổn định điện hóa: Sự lệch khỏi điều kiện cân bằng lý tưởng gây ra mất năng lượng dưới dạng nhiệt.
• Sự suy giảm vật liệu: Theo thời gian, các vật liệu bên trong bị lão hóa và gây ra các phản ứng phụ tiêu hao năng lượng dự trữ.
• Hiệu suất vận chuyển ion: Độ di động ion kém trong điện giải làm tăng tốc độ tự xả.

Chất lượng của các thành phần bên trong cũng đóng vai trò quan trọng. Tạp chất trong điện giải hoặc vật liệu điện cực có thể làm tăng tốc độ tự xả, và các khuyết tật trong lớp cách điện có thể dẫn đến các mạch ngắn vi mô, từ đó làm tăng thêm tổn thất năng lượng.

Tỷ lệ tự xả trong các loại hóa chất pin khác nhau

Mặc dù tự xả là một đặc tính vốn có của tất cả các loại pin, tốc độ tự xả của chúng thay đổi tùy theo loại hóa chất. Ví dụ, pin lithium-ion có tốc độ tự xả tương đối thấp (khoảng 2–3% mỗi tháng), trong khi pin nickel-metal hydride (NiMH) có thể đạt tới 10–30% mỗi tháng.

Các nguyên nhân chính gây ra hiện tượng tự xả điện bao gồm:

Hóa học pin	Sạc lại được	Thời gian tự xả điện / Tuổi thọ sản phẩm
Kim loại lithium	Không	Thời hạn sử dụng khoảng 10 năm
Kiềm	Không	Thời hạn sử dụng khoảng 5 năm
Kẽm–Cacbon	Không	Thời hạn sử dụng: 2–3 năm
Clorua thionyl	Không	~1% mỗi năm
Pin lithium-ion	Có	2–4% mỗi tháng
Pin lithium polymer	Có	~5% mỗi tháng
Pin NiMH có tỷ lệ tự xả thấp	Có	~0,251 TP3T mỗi tháng
Chì-axit	Có	4–6% mỗi tháng
Niken–Cadmium	Có	15–20% mỗi tháng
Pin NiMH truyền thống	Có	~30% mỗi tháng

Cách tính toán tự xả pin

Việc tính toán chính xác tỷ lệ tự xả là yếu tố quan trọng để đánh giá tuổi thọ, hiệu suất lưu trữ và độ tin cậy.

Công thức tính tự xả

Công thức tiêu chuẩn là: Tỷ lệ tự xả (%) = (C₀− C_t) /C₀  × 100

nơi:
C₀Dung lượng ban đầu trước khi lưu trữ (Ah hoặc mAh)
C_tDung lượng còn lại sau thời gian lưu trữ t
t: Thời gian lưu trữ (ngày, tuần hoặc tháng)

Công thức này thể hiện mức độ suy giảm dung lượng theo phần trăm so với dung lượng ban đầu.

Ví dụ tính toán từng bước

Ví dụ: Một pin lithium-ion có dung lượng 100 Ah được lưu trữ ở nhiệt độ 25°C trong một tháng. Sau khi kiểm tra, dung lượng còn lại của pin là 96 Ah.

Tỷ lệ tự xả = [(100 − 96)/100] × 100 = 4%

Do đó, pin đã mất khoảng 4% dung lượng mỗi tháng trong điều kiện lưu trữ này.

Điều kiện thử nghiệm và các thực hành tốt nhất

Để đảm bảo kết quả chính xác và có thể so sánh được, hãy tuân thủ các quy trình sau:

• Sạc đầy pin trước khi bảo quản.
• Bảo quản ở nhiệt độ ổn định (thường là 20–25 °C).
• Đo dung lượng sau khi lưu trữ bằng cách sử dụng cùng tốc độ xả và điện áp ngắt.
• Ghi lại thời gian lưu trữ chính xác.
• Đối với các nghiên cứu về độ tin cậy, hãy thực hiện các thử nghiệm lặp lại ở các nhiệt độ khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến việc tự xuất viện

Tốc độ tự xả của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học của pin, nhiệt độ môi trường, trạng thái sạc (SOC), thời gian lưu trữ, quá trình lão hóa, tạp chất và lịch sử sạc/xả.

Loại pin

Vật liệu cực âm: Các vật liệu cực dương chứa hàm lượng niken cao thường có tỷ lệ tự xả cao hơn so với lithium iron phosphate (LFP). Nhờ cấu trúc olivine ổn định, LFP có tỷ lệ tự xả thấp hơn nhiều và độ ổn định lâu dài tốt hơn.

Vật liệu cực dươngCác điện cực silicon-carbon trải qua những thay đổi thể tích đáng kể trong quá trình sạc/xả, dẫn đến các lớp SEI (Lớp điện phân rắn) không ổn định và tỷ lệ tự xả cao hơn so với các điện cực graphite.

Nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình tự xả. Thông thường, tốc độ phản ứng hóa học tăng gấp đôi với mỗi 10°C tăng nhiệt độ. Nhiệt độ cao làm gia tăng đáng kể tất cả các phản ứng phụ, dẫn đến sự gia tăng đột ngột của tốc độ tự xả.

Trạng thái sạc

Mức SOC cao hơn tương ứng với điện thế điện cực cao hơn, điều này làm tăng lực đẩy phản ứng giữa vật liệu điện cực và điện giải. Kết quả là, tốc độ tự xả tăng lên khi mức SOC tăng. Đối với việc lưu trữ lâu dài, việc duy trì mức SOC của pin ở khoảng 50% thường được khuyến nghị.

Thời gian

Sự tự xả là một quá trình liên tục. Thời gian pin không được sử dụng càng lâu, mức độ mất dung lượng tích lũy càng lớn.

Sự lão hóa của pin và tạp chất

Khi pin lão hóa, cả hai điện cực và chất điện phân đều trải qua các biến đổi vật lý và hóa học, dẫn đến việc tự xả điện diễn ra nhanh hơn.

Pin đã qua sử dụng thường xuất hiện các vết nứt nhỏ, điện trở nội tăng cao và lớp màng bề mặt không ổn định. Những khuyết tật này tạo ra các đường rò rỉ nhỏ hoặc cho phép các phản ứng phụ tiếp diễn ngay cả trong điều kiện mạch hở, dẫn đến việc mất năng lượng dần dần.

Lịch sử sạc/xả và số lần chu kỳ

Lịch sử sạc và xả của pin có ảnh hưởng lớn đến hành vi tự xả của nó. Các chu kỳ sạc sâu thường xuyên, sạc quá mức hoặc xả quá mức gây ra những thay đổi hóa học không thể đảo ngược trong vật liệu điện cực, tạo ra các vùng bề mặt không ổn định và các điểm stress cục bộ, từ đó làm tăng dòng rò bên trong.

Các pin đã trải qua quá trình sạc/xả nhiều lần thường có tỷ lệ tự xả cao hơn, do lớp bảo vệ SEI trở nên mỏng hơn, không đều hoặc bị hư hỏng theo thời gian, làm mất khả năng ức chế các phản ứng phụ.

Cách giảm thiểu hoặc quản lý hiện tượng tự xả

Bảo quản ở nơi khô ráo, thoáng mát.

Bảo quản pin ở nơi mát mẻ và khô ráo, trong khoảng nhiệt độ từ 15°C đến 25°C, tránh nhiệt độ đóng băng. Nhiệt độ cao làm tăng tốc độ tự xả, trong khi nhiệt độ cực thấp có thể làm giảm hiệu suất. Thông thường, mỗi khi nhiệt độ tăng 10°C, tốc độ tự xả có thể tăng gấp đôi hoặc gấp ba.

Ví dụ, ở nhiệt độ 25°C, tốc độ tự xả là khoảng 2% mỗi tháng, trong khi ở 55°C, nó có thể tăng lên 8% mỗi tháng.

Thực hiện bảo dưỡng định kỳ và sạc pin.

Đối với các pin không được sử dụng trong thời gian dài, việc bảo dưỡng định kỳ là rất quan trọng. Kiểm tra mức sạc mỗi 3–6 tháng và thực hiện chu kỳ sạc-xả đầy đủ để duy trì hoạt động và ngăn ngừa hư hỏng không thể khắc phục do xả sâu.

Giữ mức sạc tối ưu

Đối với việc lưu trữ lâu dài, duy trì mức SOC từ 40–60%. Tránh lưu trữ pin ở trạng thái sạc đầy hoặc xả hết hoàn toàn. Sạc đầy có thể làm tăng tốc các phản ứng giữa điện giải và cực dương, trong khi xả hết hoàn toàn có thể gây hư hỏng cực âm.

Chọn các loại pin có tỷ lệ tự xả thấp

So với các loại pin khác, pin lithium-ion cung cấp sự cân bằng tốt nhất giữa khả năng lưu trữ năng lượng và chi phí, thường có đặc điểm là 2%–3% Tự xả điện mỗi tháng.

Sử dụng Hệ thống Quản lý Pin

Triển khai Hệ thống Quản lý Pin (BMS) để theo dõi các thông số thời gian thực như điện áp và nhiệt độ. Hệ thống BMS có thể phát hiện sớm các sự cố bất thường và kích hoạt các biện pháp bảo vệ, ngăn chặn sự suy giảm nhanh chóng và mất mát năng lượng.

Kết luận

Sự tự xả của pin là một quá trình liên tục và không thể tránh khỏi, bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như loại hóa chất, nhiệt độ, trạng thái sạc, quá trình lão hóa và lịch sử sạc/xả. Bằng cách đo lường chính xác sự tự xả, áp dụng các phương pháp lưu trữ và bảo dưỡng tối ưu, sử dụng các loại hóa chất có độ tự xả thấp và hệ thống giám sát thông minh, có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng và kéo dài tuổi thọ của pin.

Đối với cả kỹ sư và người dùng cuối, việc theo dõi và quản lý hiện tượng tự xả không chỉ là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất pin mà còn là yếu tố then chốt để đảm bảo độ tin cậy của thiết bị và tối ưu hóa thiết kế hệ thống lưu trữ năng lượng.