Pin là gì và chúng hoạt động thế nào?

Pin thật là tuyệt vời phải không? Rắc rối là chúng chỉ lưu trữ một lượng điện tích cố định trước khi hết năng lượng, thường là vào những thời điểm bất tiện nhất. Nếu bạn sử dụng pin sạc, điều đó ít gây phiền toái hơn: gắn pin vào bộ sạc, cắm điện, và trong vài giờ chúng sẽ tốt như mới và sẵn sàng để sử dụng lại. Một viên pin sạc điển hình có thể được sạc lên hàng trăm lần, có thể kéo dài từ ba hoặc bốn năm đến hơn một thập kỷ, và có thể tiết kiệm cho bạn hàng trăm đô la so với việc mua pin dùng một lần (vì vậy nó cũng rất tốt cho môi trường). Nhưng hiệu suất pin của bạn phụ thuộc vào cách bạn sử dụng chúng và sạc chúng cẩn thận như thế nào. Đó là lý do tại sao một bộ sạc pin tốt cũng quan trọng không kém gì loại pin bạn sử dụng. Bộ sạc pin là gì và nó hoạt động như thế nào? Hãy cùng tìm hiểu kỹ hơn!

Pin là gì và chúng hoạt động thế nào?

Nếu bạn đã đọc bài viết chính của chúng tôi về pin, bạn sẽ biết tất cả về những nhà máy điện di động này. Một ví dụ về những gì các nhà khoa học gọi là điện hóa học, chúng sử dụng sức mạnh của hóa học để giải phóng dần điện năng tích trữ.

Điều gì xảy ra bên trong một viên pin điển hình – như pin trong đèn pin? Khi bạn bật công tắc nguồn, bạn đang cho phép các phản ứng hóa học bên trong pin diễn ra. Khi dòng điện bắt đầu chảy, các ô (các ngăn tạo ra điện) bên trong pin bắt đầu tự biến đổi một cách đáng ngạc nhiên nhưng hoàn toàn vô hình. Các hợp chất hóa học làm nên các thành phần của chúng bắt đầu tự sắp xếp lại. Bên trong mỗi ô, các phản ứng hóa học xảy ra liên quan đến hai điện cực (hoặc điện cực) và một hợp chất hóa học được gọi là chất điện ly ngăn cách chúng. Các phản ứng hóa học này khiến các electron (các hạt nhỏ bên trong nguyên tử mang điện) bơm quanh mạch điện mà pin được kết nối, cung cấp năng lượng cho đèn pin. Nhưng các ô bên trong pin chỉ chứa một lượng hóa chất hạn chế, do đó các phản ứng không thể tiếp diễn vô thời hạn. Một khi các hóa chất bị cạn kiệt, các phản ứng ngừng lại, các electron ngừng chảy qua mạch bên ngoài, pin hết năng lượng – và đèn của bạn tắt.

Đó là tin xấu. Tin tốt là nếu bạn đang sử dụng pin sạc, bạn có thể làm cho các phản ứng hóa học chạy ngược lại bằng cách sử dụng bộ sạc pin. Sạc pin chính xác ngược lại với quá trình xả pin: khi xả pin sẽ tạo ra năng lượng, sạc pin sẽ hấp thụ năng lượng và lưu trữ nó bằng cách đặt lại các hóa chất trong pin như ban đầu. Về lý thuyết, bạn có thể sạc và xả một viên pin sạc bất kỳ số lần nào; trên thực tế, ngay cả pin sạc cũng bị suy giảm theo thời gian và cuối cùng sẽ đến một thời điểm mà chúng không còn sẵn sàng để lưu trữ điện tích nữa. Tại thời điểm đó, bạn phải tái chế chúng hoặc vứt bỏ chúng.

Cách hoạt động của bộ sạc pin

Tất cả các bộ sạc pin đều có một điểm chung: chúng hoạt động bằng cách cung cấp dòng điện một chiều qua pin trong một khoảng thời gian với hy vọng rằng các ô bên trong sẽ giữ lại một phần năng lượng đi qua chúng. Đó gần như là nơi sự tương đồng giữa các bộ sạc bắt đầu và kết thúc!

Phương pháp sạc

Nhìn chung, có hai cách để sạc pin: nhanh hoặc chậm. Sạc nhanh về cơ bản có nghĩa là sử dụng dòng sạc cao hơn trong thời gian ngắn hơn, trong khi sạc chậm sử dụng dòng điện thấp hơn trong thời gian dài hơn. Điều đó không có nghĩa là quá trình sạc chỉ đơn giản là truyền dòng điện ổn định qua pin cho đến khi nó được sạc đầy. Có một số phương pháp sạc phổ biến (cộng thêm một vài phương pháp khác mà chúng ta sẽ không đề cập ở đây).

Sạc xung liên quan đến việc gửi các xung ngắt quãng dòng điện cao qua pin, với các khoảng nghỉ ở giữa để cho phép các hóa chất trong pin hấp thụ điện tích. Nói một cách thô thiển, các xung điện giống như những cú đấm vào ngực mà bạn thấy một nhân viên cấp cứu đang thực hiện cho một người bị ngừng tim, ngoại trừ việc chúng tiếp tục cho đến khi điện áp của pin tăng lên giá trị đỉnh định mức và pin được sạc đầy. (Sạc xung cũng có thể hữu ích để làm sống lại các pin cũ, bị suy thoái, chẳng hạn như chì-axit hoặc niken-cadmi, trong đó các tinh thể đã phát triển và cản trở khả năng tiếp tục hoạt động của pin; các xung điện phá vỡ các tinh thể để pin hoạt động bình thường trở lại.)

Trong sạc dòng giảm dần, bộ sạc bắt đầu sử dụng dòng điện cao, không đổi, dần dần giảm xuống mức thấp khi pin đầy điện tích và đạt đến điện áp đỉnh. Các bộ sạc rẻ tiền thường hoạt động theo cách này. [8]

Hai cách sạc thay thế là dòng điện không đổi (CC) và điện áp không đổi (CV). Như tên gọi của chúng, dòng điện không đổi áp dụng dòng điện ổn định (thường là dòng điện đỉnh của pin), trong khi điện áp không đổi áp dụng điện áp ổn định (thường là điện áp đỉnh của pin), và hai phương pháp này thường được sử dụng cùng nhau, lần lượt, trong các bộ sạc dòng điện không đổi điện áp không đổi (CCCV). Thông thường, chúng bắt đầu áp dụng dòng điện không đổi cho đến khi điện áp pin vượt quá một ngưỡng nhất định; sau đó chúng áp dụng điện áp không đổi cho đến khi dòng điện vượt quá một ngưỡng khác. Một biến thể khác là sạc dòng điện không đổi hai bước bắt đầu với sạc nhanh dòng cao và chuyển sang sạc chậm, dòng thấp hơn một phần trong quá trình.

Phương pháp cuối cùng được gọi là sạc nạp, tương tự như sạc dòng điện không đổi nhưng sử dụng dòng điện nhỏ hơn nhiều (có thể 5–10%) trong thời gian dài hơn. Một số thiết bị (như điện thoại không dây và bàn chải đánh răng điện) được thiết kế để ngồi trên bộ sạc nạp vô thời hạn.

Tuy nhiên, bạn sạc như thế nào, cũng đáng để ghi nhớ rằng, theo một nghĩa rất thô sơ, pin hơi giống như vali: bạn càng đóng gói nhiều, càng khó đóng gói thêm – và mất nhiều thời gian hơn. Điều đó dễ hiểu nếu bạn nhớ rằng sạc pin về cơ bản liên quan đến việc đảo ngược các phản ứng hóa học xảy ra khi nó xả điện và cung cấp dòng điện hữu ích. Trong pin laptop chẳng hạn, sạc và xả liên quan đến việc chuyển các ion lithium (nguyên tử thiếu electron) qua lại, từ một điện cực (nơi có nhiều ion) sang điện cực khác (nơi có ít ion). Vì tất cả các ion đều mang điện tích dương, nên dễ dàng di chuyển chúng đến điện cực “trống” ở giai đoạn đầu. Khi chúng bắt đầu tích tụ ở đó, việc đóng gói thêm nhiều ion vào sẽ trở nên khó khăn hơn, khiến các giai đoạn sau của quá trình sạc khó khăn hơn các giai đoạn đầu.

Biểu đồ: Pin trở nên khó sạc hơn ở các giai đoạn sau. Có thể mất nhiều thời gian để sạc 25% cuối cùng của pin (khu vực màu đỏ) như 75% đầu tiên (khu vực màu cam). [2] Đáng để nhớ điều này nếu bạn có thời gian hạn chế để sạc pin và lo lắng rằng sẽ mất quá nhiều thời gian: bạn có thể sạc pin một nửa trong thời gian ngắn hơn nhiều so với bạn nghĩ. Nếu pin trong ví dụ này mất một giờ để sạc, bạn có thể thấy rằng nó sẽ đạt 50% sạc (đường nét đứt) chỉ trong 6,5 phút.

Thuật toán sạc

Các phương pháp sạc khác nhau phù hợp với các loại pin khác nhau. Sạc xung đơn giản hoạt động tốt với pin niken-cadmium và niken-metal hydride, cũng được sạc rộng rãi bằng phương pháp dòng điện không đổi (CC), nhưng sạc xung khá thô sơ và không phù hợp với pin lithium-ion, thường được sạc bằng CCCV.

Các bộ sạc tốt hơn hoạt động thông minh hơn, kết hợp các loại sạc khác nhau theo trình tự tùy thuộc vào hiệu suất của pin khi nó đang được sạc. Ví dụ: một viên pin có thể được sạc trước từ từ (bằng cách sạc nạp) trong một thời gian ngắn để kiểm tra khả năng tiếp nhận sạc của nó, sau đó sạc nhanh hoàn toàn bằng CC và CV, có thể được xen kẽ nhiều lần. [3] Sự kết hợp của các phương pháp sạc được sử dụng bởi một bộ sạc cụ thể được gọi là thuật toán sạc.

Biểu đồ: Một thuật toán sạc đơn giản có thể liên quan đến ba giai đoạn: sạc nạp ngắn để kiểm tra pin, tiếp theo là các giai đoạn sạc nhanh dòng điện không đổi và điện áp không đổi. [7]

Thời gian sạc

Thời gian sạc lý tưởng thay đổi vì nhiều lý do (lượng điện tích mà pin giữ từ đầu, nhiệt độ của nó, tuổi thọ của nó, liệu một ô có hoạt động tốt hơn các ô khác hay không, v.v.). Làm thế nào để bộ sạc biết khi nào thì ngừng? Các phương pháp khác nhau được sử dụng cho các loại pin khác nhau và cho sạc chậm hoặc sạc nhanh. Các bộ sạc tốt nhất hoạt động thông minh, sử dụng các mạch điện tử dựa trên chip vi điều khiển để cảm nhận mức điện tích được lưu trữ trong pin, tính toán từ những thứ như sự thay đổi điện áp pin (về mặt kỹ thuật được gọi là delta V hoặc ΔV) và nhiệt độ ô (delta T hoặc ΔT) khi quá trình sạc có khả năng “hoàn thành”, sau đó tắt dòng điện hoặc chuyển sang sạc nạp thấp vào thời điểm thích hợp.