Tuổi thọ chu kỳ pin là gì? Định nghĩa, cách tính, các yếu tố ảnh hưởng và cách kéo dài tuổi thọ chu kỳ pin.

Khi các hệ thống lưu trữ năng lượng, xe điện và công nghệ pin lithium-ion đang phát triển nhanh chóng trên toàn cầu, tuổi thọ chu kỳ của pin đã trở thành một trong những chỉ số quan trọng nhất đánh giá hiệu suất của pin. Dù được sử dụng trong thiết bị điện tử tiêu dùng, xe điện (EV) hay hệ thống lưu trữ năng lượng tĩnh, tuổi thọ chu kỳ trực tiếp quyết định tuổi thọ hoạt động, giá trị kinh tế và độ tin cậy lâu dài của pin.

Hiểu rõ tuổi thọ chu kỳ của pin giúp người dùng đánh giá các tùy chọn pin khác nhau và cho phép các nhà thiết kế hệ thống phát triển các giải pháp bền bỉ hơn, kinh tế hơn và thân thiện với môi trường.

Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan đầy đủ về tuổi thọ chu kỳ pin là gì, cách đo lường nó, tại sao nó quan trọng, các yếu tố ảnh hưởng đến nó và cách kéo dài tuổi thọ pin trong các ứng dụng thực tế.

PCS là gì?

Tuổi thọ chu kỳ pin đề cập đến số lần sạc và xả mà pin có thể hoàn thành trong điều kiện thử nghiệm quy định trước khi dung lượng hoặc công suất của nó giảm xuống một tỷ lệ phần trăm nhất định so với giá trị ban đầu. Ngưỡng tiêu chuẩn ngành là 80%. Điều này có nghĩa là tuổi thọ chu kỳ của pin được coi là kết thúc khi dung lượng của nó giảm từ 100% ban đầu xuống còn 80%.

Đối với một pin có dung lượng ban đầu là 1000Ah, tuổi thọ chu kỳ của nó là số chu kỳ mà pin hoàn thành trước khi dung lượng của nó giảm xuống còn 800Ah.

Một chu kỳ đầy đủ được định nghĩa là quá trình mà tổng lượng xả đạt 100% so với dung lượng định mức của pin, bất kể số lần sạc riêng lẻ.

Ví dụ: Nếu bạn sử dụng 60% dung lượng pin trong một ngày, sạc đầy pin qua đêm, và sau đó sử dụng 40% vào ngày hôm sau, tổng lượng điện đã xả là 100% – như vậy đã hoàn thành một chu kỳ. Nói cách khác, một chu kỳ được hoàn thành khi tổng lượng điện đã xả bằng 100% dung lượng pin.

Tại sao tuổi thọ chu kỳ pin lại quan trọng??

Đối với người dùng mong muốn tối ưu hóa hiệu suất, giảm thiểu suy giảm và kéo dài tuổi thọ sử dụng, việc hiểu rõ tầm quan trọng của chu kỳ sử dụng là điều thiết yếu. Trong lĩnh vực điện tử tiêu dùng, xe điện (EV) hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô dân dụng và công nghiệp, chu kỳ sử dụng trực tiếp quyết định độ tin cậy lâu dài, hiệu quả kinh tế và tính tiện dụng.

Ảnh hưởng đến tuổi thọ sản phẩm và trải nghiệm người dùng

Tuổi thọ chu kỳ dài hơn có nghĩa là pin có thể hoạt động đáng tin cậy trong thời gian dài hơn trước khi dung lượng của nó giảm xuống mức không thể sử dụng được.

• Điện tửCung cấp thời lượng pin ổn định hơn và tuổi thọ sản phẩm lâu hơn.
• Hệ thống lưu trữ năng lượng Tuổi thọ của chu kỳ quyết định tính khả thi kinh tế của dự án.
• Xe điện: Bộ pin là thành phần đắt nhất. Tuổi thọ dài hơn giúp cải thiện hiệu quả kinh tế tổng thể và tăng cường niềm tin của người tiêu dùng.

Do đó, tuổi thọ của chu kỳ không chỉ ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng mà còn quyết định giá trị lâu dài của thiết bị.

Xác định Tổng chi phí sở hữu

Tuổi thọ của chu kỳ hoạt động có ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí vận hành lâu dài.

Ví dụ: Trong một hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS), nếu tuổi thọ chu kỳ của pin chỉ là 2.000 chu kỳ, nó có thể cần phải thay thế trong vòng 10 năm của chu kỳ đời dự án, dẫn đến chi phí bảo trì cao.

Nếu tuổi thọ chu kỳ đạt 6.000 chu kỳ trở lên, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn, nhưng chi phí năng lượng trung bình dài hạn (LCOE) sẽ thấp hơn, mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn.

GODE’s 1907 ESS, Với quản lý nhiệt độ hợp lý, phạm vi trạng thái sạc (SOC) được kiểm soát và tỷ lệ xả (C-rates) hợp lý, pin có thể đạt tuổi thọ chu kỳ lên đến 6.000+ chu kỳ. Điều này khiến nó trở thành nguồn điện ổn định cho các hệ thống lưới điện nhỏ (microgrids) và ứng dụng ngoài lưới (off-grid), đại diện cho một khoản đầu tư dài hạn mang lại lợi nhuận cao.

Quan ngại về môi trường và nhân đạo

Tuổi thọ chu kỳ dài hơn có nghĩa là ít phải thay pin hơn, giảm tiêu thụ nguyên liệu thô, giảm tác động đến môi trường và phù hợp hơn với các mục tiêu bền vững toàn cầu.

Pin có tuổi thọ cao góp phần vào:

• Tần suất thay pin giảm
• Giảm áp lực lên tài nguyên trong quá trình sản xuất
• Giảm thể tích chất thải cần xử lý
• Nhu cầu giảm đối với việc khai thác các khoáng sản quan trọng như lithium, nickel và cobalt.

Vấn đề về tài nguyên cobalt xứng đáng được quan tâm đặc biệt. Cộng hòa Dân chủ Congo sở hữu hơn 50% trữ lượng cobalt của thế giới, và cobalt là nguyên liệu quan trọng trong pin năng lượng và điện tử. Tuy nhiên, các ngành khai thác mỏ quy mô nhỏ (ASM) thường liên quan đến các vấn đề nghiêm trọng. Lạm dụng lao động trẻ em.

Kéo dài tuổi thọ pin không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào các khoáng sản quan trọng như cobalt mà còn thể hiện một lập trường nhân đạo có trách nhiệm trong việc bảo vệ trẻ em và các nhóm dễ bị tổn thương.

Cách tính tuổi thọ chu kỳ pin

Tuổi thọ chu kỳ pin không đơn giản là tổng số lần sạc; đó là một phương pháp thử nghiệm khoa học dựa trên các tiêu chuẩn uy tín, quy trình nghiêm ngặt và tiêu chí rõ ràng. Theo Sổ tay Thử nghiệm Pin của Hiệp hội Pin Nâng cao Hoa Kỳ (USABC), quy trình tính toán đầy đủ bao gồm các bước sau:

Bước 1: Kiểm tra cơ bản ban đầu

Ở nhiệt độ quy định (thường là 25°C hoặc 30°C) và tốc độ xả (ví dụ: C/3), thực hiện quá trình xả tiêu chuẩn trên pin đã sạc đầy để đo dung lượng ban đầu (C_initial), dùng làm tiêu chuẩn tham chiếu.

Bước 2: Thực hiện kiểm tra chu kỳ

Thực hiện các chu kỳ lặp lại theo hồ sơ thử nghiệm đã thiết lập, ví dụ:

• 100% hoặc 80% DoD
• Cố định C/3, C/2, v.v.
• Môi trường nhiệt độ ổn định

Tại các khoảng thời gian định kỳ (ví dụ: mỗi 25 hoặc 50 chu kỳ), lặp lại quy trình kiểm tra cơ bản để đo dung lượng hiện tại (C_current).

Bước 3: Ghi dữ liệu và xác định điểm cuối

Ghi lại liên tục sự suy giảm công suất và tính toán tỷ lệ duy trì công suất:
Tỷ lệ giữ dung lượng = (C_hiện tại / C_ban đầu) × 100%

Thử nghiệm kết thúc khi chỉ số Giữ dung lượng lần đầu tiên giảm xuống dưới 80%.

Số chu kỳ tích lũy tại thời điểm này chính là tuổi thọ chu kỳ của pin trong điều kiện cụ thể đó.

Bước 4: Ghi chú chuyên môn quan trọng

Tuổi thọ của chu kỳ phụ thuộc rất lớn vào điều kiện thử nghiệm.

Các nhiệt độ khác nhau, mức độ DoD và tốc độ C có thể dẫn đến sự biến đổi đáng kể trong tuổi thọ chu kỳ được báo cáo. Do đó, các báo cáo tuổi thọ chu kỳ chuyên nghiệp phải nêu rõ:

• Nhiệt độ
• Bộ Quốc phòng
• Tỷ lệ C
• Cửa sổ điện áp
• Điều kiện môi trường xung quanh

Ví dụ: “Tuổi thọ chu kỳ ≥3000 chu kỳ ở 25°C, 80% DoD, tốc độ sạc/xả C/3.” Thảo luận về tuổi thọ chu kỳ mà không nêu rõ điều kiện thử nghiệm là vô nghĩa.

Những yếu tố nào ảnh hưởng đến tuổi thọ chu kỳ pin?

Tuổi thọ của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Hiểu rõ những yếu tố này là điều quan trọng đối với thiết kế hệ thống, lựa chọn pin và sử dụng hàng ngày.

Hóa học pin

Các loại hóa chất khác nhau có tuổi thọ khác nhau.

• LFPCấu trúc ổn định, thay đổi thể tích tối thiểu, tuổi thọ cao, thường vượt quá 3.000 chu kỳ.
• NMC: Độ dày năng lượng cao, nhưng độ ổn định cấu trúc thấp hơn trong điều kiện sạc xả sâu, thường có tuổi thọ ngắn hơn so với LFP.
• Chì-axitTuổi thọ ngắn (300–500 chu kỳ), phù hợp hơn cho các ứng dụng khởi động hơn là chu kỳ sâu.

Nhiệt độ

Sự suy giảm dung lượng pin có mối quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ. Sự suy giảm này là tối thiểu ở nhiệt độ phòng nhưng sẽ tăng nhanh khi pin được lưu trữ hoặc sử dụng ở nhiệt độ cao (thường trên 35°C) hoặc nhiệt độ thấp (thường dưới 5°C).

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Scientific Reports cho thấy rằng trong khi dung lượng lưu trữ tối đa tăng lên khi nhiệt độ tăng từ 25°C lên 45°C, nó bắt đầu giảm khi nhiệt độ tiếp tục tăng.

Do hiệu suất giảm sút nghiêm trọng hơn ở nhiệt độ cao, việc tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cực cao sẽ làm giảm đáng kể tuổi thọ pin. Tránh tiếp xúc kéo dài với nhiệt độ cao.

Độ sâu xả

DoD (Discharge Depth) là tỷ lệ phần trăm dung lượng tổng của pin được xả trong một chu kỳ duy nhất. Đây là một trong những yếu tố mà người dùng có thể kiểm soát để kéo dài tuổi thọ pin.

Việc sạc pin thường xuyên lên trên 90% và xả pin xuống dưới 10% có thể làm tăng tốc độ suy giảm dung lượng pin.

Tránh sử dụng pin cho đến khi nó tắt nguồn trước khi sạc lại. Thường xuyên sạc pin là thói quen tốt hơn.

Tỷ lệ C

Tỷ lệ C (C-rate) đo lường cường độ dòng điện sạc/xả. Mặc dù sạc/xả dòng điện cao đáp ứng nhu cầu nạp năng lượng nhanh chóng, nhưng nó rõ ràng làm giảm tuổi thọ chu kỳ.

Dòng điện cao tạo ra nhiều nhiệt Joule hơn, làm tăng độ phân cực và gia tăng ứng suất cơ học lên vật liệu hoạt tính, đồng thời làm suy giảm lớp SEI, dẫn đến việc giảm tuổi thọ.

Phạm vi trạng thái sạc

Giữ pin ở trạng thái sạc cao hoặc điện áp cao trong thời gian dài cũng làm giảm tuổi thọ của pin.

Đối với việc lưu trữ lâu dài, duy trì mức SOC trong khoảng từ 40% đến 80%.

Trong quá trình sử dụng hàng ngày, việc thiết lập giới hạn sạc tối đa là 90% hoặc 80% có thể giúp kéo dài tuổi thọ chu kỳ một cách hiệu quả.

Chất lượng sản xuất

Tuổi thọ cuối cùng của pin phụ thuộc vào các quy trình sản xuất phức tạp và kiểm soát chất lượng.

Các yếu tố như độ ẩm/nhiệt độ sản xuất cực đoan, lớp phủ điện cực không đều, sự không đồng đều trong quá trình xếp chồng/quấn, và sự không nhất quán giữa các tế bào riêng lẻ đều ảnh hưởng đến tuổi thọ chu kỳ.

Lựa chọn các thương hiệu uy tín với quy trình sản xuất tiên tiến là yếu tố cơ bản để có được pin có tuổi thọ cao.

Cách kéo dài tuổi thọ chu kỳ pin

Trên thực tế, tuổi thọ chu kỳ của pin không cố định; nó thay đổi đáng kể tùy thuộc vào thói quen sử dụng, nhiệt độ môi trường và phương pháp sạc/xả. Tin vui là bạn có thể kéo dài tuổi thọ pin bằng cách chăm sóc đúng cách. Dưới đây là những chiến lược thực tế và hiệu quả nhất:

Bảo trì phạm vi 40-80% của Bộ Quốc phòng (DoD)

Xả sâu gây áp lực cao lên vật liệu điện cực, dẫn đến hư hỏng không thể phục hồi như giãn nở cấu trúc, bong tróc và nứt vi mô.

Sử dụng pin trong phạm vi SOC từ 40-80% có thể giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ của pin.

Đối với hệ thống lưu trữ năng lượng, việc chuyển đổi giữa 20% và 80% là phổ biến nhất.

Tuân thủ tỷ lệ C được nhà sản xuất khuyến nghị.

Các loại hóa chất pin khác nhau có thể chịu được các mức C-rate khác nhau. Các mức C-rate quá cao có thể gây ra hiện tượng quá nhiệt, phân cực cao và nguy cơ lắng đọng lithium.

Tuân thủ các tỷ lệ sạc/xả được nhà sản xuất khuyến nghị sẽ giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Các hệ thống lưu trữ năng lượng công nghiệp (ESS) thường sử dụng tỷ lệ từ 0,25C đến 0,5C để kéo dài tuổi thọ.

Luôn sử dụng bộ sạc gốc hoặc thiết bị được chứng nhận.

Nghiên cứu của nhóm Paul Gasper, được công bố trên Tạp chí Lưu trữ Năng lượng, đã tiến hành các thử nghiệm lão hóa gia tốc trên pin của các nhà sản xuất khác nhau, với các loại hóa chất (LFP so với NMC) và thiết kế khác nhau. Kết quả cho thấy tuổi thọ chu kỳ của pin rất nhạy cảm với các điều kiện sử dụng như... Nhiệt độ, DoD, dải điện áp và tốc độ C.

Việc áp dụng những thói quen đơn giản nhưng quan trọng này có thể giúp làm chậm đáng kể quá trình suy giảm dung lượng pin, duy trì dung lượng sử dụng của pin ở mức cao hơn và đảm bảo tuổi thọ sử dụng thực tế lâu hơn.

Kết luận

Trong bối cảnh toàn cầu về việc đẩy mạnh triển khai năng lượng tái tạo, giảm khai thác tài nguyên và thúc đẩy phát triển bền vững, việc kéo dài tuổi thọ pin không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn giảm nhu cầu khai thác mỏ, giảm thiểu chất thải và góp phần tích cực vào các vấn đề môi trường và nhân đạo.

Nắm vững các nguyên tắc cơ bản được trình bày trong bài viết này – kiểm soát DoD, tránh nhiệt độ cao, giảm thiểu sạc nhanh và duy trì tỷ lệ C hợp lý – có thể nâng cao đáng kể độ tin cậy và tuổi thọ của pin, giúp mỗi kilowatt-giờ năng lượng trở nên giá trị hơn.