Pin là gì và chúng hoạt động thế nào?
Thông thường có một phương pháp chính để xác định rằng quá trình sạc đã hoàn tất (chẳng hạn như đo điện áp) và một hoặc nhiều phương pháp dự phòng (thay đổi nhiệt độ hoặc hẹn giờ đặt trước). [4] Ví dụ, bộ sạc pin NiCd thường sử dụng phương pháp chính gọi là −ΔV (còn được gọi là delta V âm hoặc NDV, đề cập đến sự sụt giảm điện áp nhẹ mà pin NiCd thể hiện ngay sau khi được sạc đầy), với bộ hẹn giờ dự phòng hoặc bộ phát hiện thay đổi nhiệt độ. Bộ sạc NiMH có nhiều khả năng dựa vào sự thay đổi nhiệt độ như phương pháp chính của chúng với mạch ngắt hẹn giờ dự phòng. Về lý thuyết, không thể sạc quá mức hoặc sạc không đủ với bộ sạc thông minh.
Ảnh: Bộ quản lý pin Innovations, phổ biến vào những năm 1990, được bán như một bộ sạc pin thông minh có khả năng sạc lại ngay cả pin carbon-kẽm và kiềm thông thường. Bên phải: Màn hình kỹ thuật số hiển thị điện áp của từng pin khi sạc (trong trường hợp này là 1,39 volt). Sau khi sạc, một biểu đồ thanh nhỏ xuất hiện cho biết tình trạng của pin (bạn có thể sạc bao nhiêu lần nữa). Hàng nghìn bộ sạc này đã được bán, nhưng có nhiều ý kiến khác nhau về hiệu quả hoạt động của chúng.
Nếu bạn đang sạc pin, có lẽ bạn nghĩ rằng sạc nhanh tự động tốt hơn—bạn muốn sử dụng laptop hoặc điện thoại của mình càng sớm càng tốt. Nhưng nó đi kèm với những nhược điểm lớn. Các hóa chất trong pin cần thời gian để hấp thụ điện tích và sạc nhanh hơn có thể làm giảm tuổi thọ của pin (một vấn đề lớn đối với những thứ như pin ô tô điện đắt tiền) hoặc rủi ro các vấn đề an toàn như quá nhiệt và cháy nổ. [5]
Pin đa năng
Hầu hết các bộ sạc được thiết kế để sạc hai, ba hoặc bốn pin cùng một lúc, điều này gây ra một vài phức tạp thêm. Nếu bạn chỉ kết nối chúng nối tiếp và cố gắng sạc chúng, làm sao bạn biết pin nào trong tình trạng tốt và sạc tốt và pin nào kém hơn và chấp nhận ít điện tích hơn? Gần như chắc chắn một viên pin sẽ đạt mức sạc đầy trước các viên khác, vì vậy gần như không thể tránh khỏi việc một số bị sạc quá mức (và có khả năng bị hỏng) trong khi một số khác vẫn chưa được sạc đủ. Bộ sạc pin tốt khắc phục điều này bằng các mạch theo dõi từng pin riêng lẻ, tắt hoặc giảm dòng sạc xuống mức thấp, độc lập, khi pin đó được sạc đầy. [6]
AC và DC
Pin là thiết bị dòng điện một chiều (DC): dòng điện chảy theo một chiều (trong quá trình sạc) và theo chiều khác (trong quá trình xả). Nhưng hầu hết chúng ta sống trong nhà có nguồn cung cấp dòng điện xoay chiều (AC), vì vậy bộ sạc pin cắm trực tiếp phải chuyển đổi điện AC thành DC trước khi chúng có thể sạc pin bạn muốn đặt vào chúng. Chính xác cách chúng làm điều này ảnh hưởng đến chất lượng dòng sạc DC và cách chúng sạc pin một cách sạch sẽ và hiệu quả như thế nào. Thông thường, bộ sạc chạy bằng AC sử dụng kết hợp của máy biến áp hạ thế (để chuyển đổi điện áp cao, thường là 110–240 volt, thành điện áp thấp hơn khoảng 1,5–20 volt); bộ chỉnh lưu (mạch kiểu điốt) và thyristor (bộ chỉnh lưu silicon có điều khiển), để chuyển đổi AC thành DC; và các mạch tích hợp để lọc và làm mịn đầu ra của chúng.
Sạc các loại pin sạc khác nhau
Để phức tạp hơn, các loại pin sạc khác nhau phản ứng tốt nhất với các loại sạc khác nhau, vì vậy bộ sạc phù hợp với loại pin này có thể không hoạt động tốt với loại pin khác.
Pin niken
Niken cadmium (còn được gọi là “nicad” hoặc NiCd), loại pin sạc hàng ngày lâu đời nhất và có lẽ vẫn được biết đến nhiều nhất, phản ứng tốt nhất với sạc nhanh tương đối (miễn là không làm nóng chúng) hoặc sạc nạp chậm. [10]
Niken metal hydride (NiMH) sử dụng công nghệ mới hơn và trông giống hệt như niken cadmium, nhưng chúng thường đắt hơn vì có thể lưu trữ nhiều điện tích hơn (được hiển thị trên bao bì pin dưới dạng mức mAh hoặc milliamp giờ cao hơn). Pin NiMH có thể được sạc nhanh (dòng điện cao trong vài giờ, có nguy cơ quá nhiệt), sạc chậm (khoảng 12–16 giờ sử dụng dòng điện thấp hơn) hoặc sạc nạp ngắn (với dòng điện thấp hơn nhiều so với NiCd), nhưng thực sự chúng chỉ nên được sạc bằng bộ sạc NiMH: bộ sạc niken cadmium nhanh có thể sạc quá mức cho pin NiMH.
Các ý kiến của chuyên gia dường như khác nhau về việc liệu pin niken có trải qua hiện tượng được gọi rộng rãi là hiệu ứng nhớ hay không. Đây là hiện tượng được báo cáo rộng rãi, trong đó không xả hết pin niken trước khi sạc (khi bạn đang “sạc nhanh” một viên pin đã xả một phần bằng một lần sạc nhanh) được cho là gây ra những thay đổi hóa học vĩnh viễn làm giảm lượng điện tích mà pin sẽ chấp nhận trong tương lai. Một số người thề rằng hiệu ứng nhớ là có thật; những người khác cũng khẳng định rằng đó là một huyền thoại. Lời giải thích thực sự cho hiệu ứng nhớ rõ ràng là suy giảm điện áp, khi một viên pin chưa được xả hết trước khi sạc tạm thời “nghĩ” rằng nó có điện áp và dung lượng lưu trữ điện tích thấp hơn so với nó nên có. Các chuyên gia về pin khẳng định rằng bạn có thể chữa khỏi vấn đề này bằng cách sạc và xả pin hoàn toàn thêm vài lần nữa.
Thường thì mọi người đều đồng ý rằng pin niken cần được “mồi” (sạc đầy trước khi sử dụng lần đầu tiên), vì vậy hãy chắc chắn làm theo chính xác những gì nhà sản xuất nói khi bạn lấy pin mới ra khỏi gói.
Bạn nên sạc pin sạc trong bao lâu?
Có hai lý do đơn giản tại sao có rất nhiều kích thước và loại pin khác nhau: pin lớn hơn có nhiều hóa chất bên trong hơn, vì vậy nó có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn và giải phóng nó lâu hơn; pin lớn hơn cũng có xu hướng có nhiều ô hơn bên trong, vì vậy chúng có thể tạo ra điện áp và dòng điện cao hơn để cung cấp năng lượng cho các thiết bị lớn hơn (bóng đèn pin sáng hơn hoặc động cơ công suất cao hơn). Theo cùng một lẽ, pin sạc lớn hơn cần sạc lâu hơn. Năng lượng bạn mong đợi lấy ra từ pin sạc (thời gian bạn mong đợi nó kéo dài), bạn càng cần sạc nó lâu hơn (hoặc dòng sạc cao hơn bạn cần sử dụng). Một định luật cơ bản của vật lý được gọi là định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết rằng bạn không thể lấy ra nhiều năng lượng hơn số năng lượng bạn đưa vào pin.
Hầu hết mọi người có xu hướng đặt mọi thứ để sạc “qua đêm” mà không chú ý quá nhiều đến chính xác điều đó có nghĩa là gì—nhưng pin của bạn sẽ hoạt động tốt hơn và bền hơn nếu bạn sạc chúng đúng số giờ. Thời gian đó là bao lâu? Nó có thể rất khó hiểu, đặc biệt nếu bạn sử dụng pin không đi kèm với bộ sạc của bạn. Đừng lo lắng! Tất cả những gì bạn cần làm là đọc những gì được viết trên pin của bạn và bạn sẽ tìm thấy (thường bằng chữ rất nhỏ) dòng sạc và thời gian sạc được khuyến nghị. Nếu bạn có một bộ sạc cơ bản, chỉ cần kiểm tra định mức dòng của nó và điều chỉnh thời gian sạc cho phù hợp. Tuy nhiên, hãy ghi nhớ những gì chúng tôi đã nói ở nơi khác về việc kết hợp bộ sạc với pin của bạn.
Ảnh: Khoa học về pin không phải là khoa học tên lửa—sạc lại pin dễ dàng nếu bạn làm theo hướng dẫn, thường được viết trên pin hoặc trên gói chúng đi kèm.
Ví dụ, ba viên pin sạc niken thông thường này có các khuyến nghị khác nhau:
- Ở trên cùng, pin niken cadmium màu trắng và xanh lá cây khuyên sạc chậm 60mA (mili-ampe) trong 14–16 giờ hoặc sạc nhanh 390mA (cao hơn sáu lần) chỉ trong hai giờ (2h). Tổng lượng điện tích đi vào pin bằng dòng nhân với thời gian, vì vậy nhân các con số lại và bạn sẽ có giá trị khoảng 800–900 mAh. Chính pin tuyên bố dung lượng của nó là 0,65Ah (650mAh), nhưng đừng quên rằng quá trình sạc không hiệu quả 100%: pin sẽ không hấp thụ tất cả năng lượng điện đi qua nó. Vì vậy, lượng điện tích bạn cung cấp và lượng điện tích mà pin sẽ hấp thụ nằm trong cùng một phạm vi.
- Ở giữa, pin NiMH bạc khuyên sạc 200mA (mili-ampe) trong 7 giờ, cho chúng ta một lượng điện tích khoảng 1400mAh. Một lần nữa, chính pin tuyên bố dung lượng của nó thấp hơn con số này (1000mAh).
- Ở dưới cùng, pin NiMH màu xanh lá cây và cam khuyến nghị sạc 63mA (mili-ampe) trong 18 giờ, cho hơn 1000mAh một chút. Pin được định mức thấp hơn một chút (970mAh).
Pin lithium-ion
Pin sạc lithium-ion thường được tích hợp trong các thiết bị như điện thoại di động, máy nghe nhạc MP3, máy ảnh kỹ thuật số và máy tính xách tay. Thông thường, chúng đi kèm với bộ sạc riêng, tự động cảm nhận khi sạc hoàn tất và ngắt nguồn điện vào đúng thời điểm. Pin lithium-ion có thể trở nên nguy hiểm không ổn định khi điện áp pin quá cao hoặc quá thấp, vì vậy chúng được thiết kế để không bao giờ hoạt động trong những điều kiện đó. Nếu điện áp quá thấp (nếu pin xả quá nhiều trong quá trình sử dụng), thiết bị sẽ tự động ngắt; nếu điện áp quá cao (trong quá trình sạc), bộ sạc sẽ ngắt thay thế. Mặc dù pin lithium-ion không thể hiện hiệu ứng nhớ, chúng vẫn bị suy giảm khi già đi. Một triệu chứng điển hình của sự lão hóa là pin xả dần trong một khoảng thời gian (có thể một giờ hoặc lâu hơn) sau đó đột ngột và hoàn toàn bất ngờ ngắt thiết bị sau đó. Đọc thêm về cách hoạt động của pin lithium ion.
Ảnh: Bộ sạc Canon dễ sử dụng cho pin máy ảnh lithium-ion. Khi pin cần sạc, máy ảnh sẽ cảnh báo bạn trước rất lâu. Chỉ cần tháo pin (rất dễ dàng trên máy ảnh kỹ thuật số), đặt nó vào bộ sạc riêng, và đèn báo hiển thị màu đỏ, chuyển sang màu xanh lá cây khi pin được sạc đầy. Toàn bộ quá trình là tự động và an toàn: máy ảnh ngăn bạn sử dụng pin trước khi điện áp của nó quá thấp; bộ sạc ngăn bạn sạc nó trước khi điện áp quá cao.
Pin chì-axit
Loại pin sạc lớn nhất, nặng nhất và cũ nhất lấy tên từ chất điện phân axit sunfuric (pha loãng) và các điện cực gốc chì. Chúng quen thuộc nhất với chúng ta như ắc quy ô tô (nguồn năng lượng ban đầu để khởi động động cơ ô tô trước khi xăng bắt đầu cháy), mặc dù các loại pin chì-axit hơi khác cũng được sử dụng trong những thứ như xe điện chơi golf và xe lăn điện.
Ảnh: Ắc quy ô tô chì-axit ban đầu được phát triển vào thế kỷ 19, trước khi công nghệ sạc lại gốc niken và lithium ra đời rất lâu.
Pin chì-axit phổ biến vì chúng đơn giản, rẻ tiền, đáng tin cậy và sử dụng công nghệ đã được chứng minh từ giữa thế kỷ 19. Nói chung, chúng kéo dài trong vài năm, mặc dù điều đó hoàn toàn phụ thuộc vào việc chúng được bảo dưỡng tốt như thế nào – nói cách khác, được sạc và xả. Chúng mất khá nhiều thời gian để sạc (thường lên tới 16 giờ – lâu hơn vài lần so với thời gian để xả hết), và điều đó có thể dẫn đến xu hướng sạc không đủ (nếu bạn không có thời gian để sạc chúng đúng cách trước khi sử dụng chúng lần tiếp theo) hoặc sạc quá mức (nếu bạn đặt chúng vào sạc và quên mất về chúng). Sạc không đủ, sạc với điện áp sai hoặc để pin không sử dụng gây ra vấn đề được gọi là sunfat hóa (sự hình thành các tinh thể sunfat chì cứng), trong khi sạc quá mức gây ra ăn mòn (suy thoái vĩnh viễn của tấm chì dương do oxy hóa, tương tự như gỉ sắt và thép). Cả hai đều sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của pin chì-axit. Sạc quá mức cũng có xu hướng làm suy thoái chất điện phân, phân hủy nước (bằng điện phân) thành hydro và oxy, được thải ra dưới dạng khí và do đó bị mất đi trong pin. Điều đó làm cho axit mạnh hơn và có khả năng tấn công các tấm chì, điều này sẽ làm giảm hiệu suất của pin. Nó cũng có nghĩa là có ít chất điện phân hơn để tương tác với các tấm chì, cũng làm giảm hiệu suất. Thỉnh thoảng, pin như thế này phải được châm thêm nước cất (không phải nước thường) để giữ cho axit ở độ mạnh tối ưu và ở mức cao đủ để che phủ các tấm chì.