Pin axit chì hoạt động như thế nào?

Được phát minh bởi bác sĩ người Pháp Gaston Planté vào năm 1859, axit chì là loại pin sạc đầu tiên được sử dụng cho mục đích thương mại. Mặc dù đã có tuổi đời cao nhưng hóa chất chì vẫn tiếp tục được sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Có những lý do chính đáng cho sự phổ biến của nó; axit chì đáng tin cậy và không tốn kém trên cơ sở giá mỗi watt. Có rất ít loại pin khác cung cấp năng lượng với số lượng lớn với giá rẻ như axit chì và điều này làm cho pin tiết kiệm chi phí cho ô tô, xe chơi gôn, xe nâng hàng, nguồn cung cấp điện hàng hải và liên tục (UPS).

Cấu trúc lưới của pin axit chì được làm từ hợp kim chì. Chì nguyên chất quá mềm và không thể tự nâng đỡ, do đó, một lượng nhỏ kim loại khác được thêm vào để tăng độ bền cơ học và cải thiện tính chất điện. Các chất phụ gia phổ biến nhất là antimon, canxi, thiếc và selen. Những loại pin này thường được gọi là “chì-antimon” và “chì canxi”.

Thêm antimon và thiếc giúp cải thiện chu kỳ sâu nhưng điều này làm tăng mức tiêu thụ nước và làm tăng nhu cầu cân bằng . Canxi làm giảm khả năng tự phóng điện, nhưng tấm chì-canxi dương có tác dụng phụ là phát triển do quá trình oxy hóa lưới điện khi được sạc quá mức. Pin axit chì hiện đại cũng sử dụng các chất kích thích như selen, cadmium, thiếc và asen để giảm hàm lượng antimon và canxi.

Axit chì nặng và kém bền hơn so với các hệ thống dựa trên niken và lithium khi được đạp xe sâu. Xả toàn bộ gây ra căng thẳng và mỗi chu kỳ xả/sạc sẽ lấy đi vĩnh viễn một lượng nhỏ dung lượng của pin. Sự mất mát này là nhỏ trong khi pin ở tình trạng hoạt động tốt, nhưng sự suy giảm sẽ tăng lên khi hiệu suất giảm xuống một nửa dung lượng danh định. Đặc tính hao mòn này áp dụng cho tất cả các loại pin ở các mức độ khác nhau.

Tùy thuộc vào độ sâu xả, axit chì cho các ứng dụng chu kỳ sâu cung cấp 200 đến 300 chu kỳ xả/sạc. Những lý do chính khiến vòng đời tương đối ngắn của nó là do sự ăn mòn lưới điện trên điện cực dương, sự cạn kiệt vật liệu hoạt tính và sự giãn nở của các bản cực dương. Hiện tượng lão hóa này được tăng tốc ở nhiệt độ hoạt động cao và khi kéo dòng xả cao.

Sạc pin axit chì rất đơn giản, nhưng phải tuân thủ các giới hạn điện áp chính xác. Việc chọn giới hạn điện áp thấp sẽ che chở cho pin, nhưng điều này tạo ra hiệu suất kém và gây ra sự tích tụ sunfat trên bản cực âm. Giới hạn điện áp cao giúp cải thiện hiệu suất nhưng hình thành sự ăn mòn lưới điện trên bản cực dương. Mặc dù quá trình sunfat hóa có thể được đảo ngược nếu được bảo dưỡng kịp thời, nhưng sự ăn mòn là vĩnh viễn.

Axit chì không hỗ trợ sạc nhanh và với hầu hết các loại, một lần sạc đầy mất 14–16 giờ. Pin phải luôn được bảo quản ở trạng thái sạc đầy. Mức sạc thấp gây ra hiện tượng sunfat hóa, một tình trạng làm giảm hiệu suất của pin. Thêm carbon vào điện cực âm giúp giảm vấn đề này nhưng điều này làm giảm năng lượng cụ thể.

Axit chì có tuổi thọ vừa phải, nhưng nó không phải chịu bộ nhớ như các hệ thống dựa trên niken và khả năng duy trì điện tích tốt nhất trong số các loại pin sạc. Trong khi NiCd mất khoảng 40 phần trăm năng lượng dự trữ của chúng trong ba tháng, thì axit chì tự thải ra lượng tương tự trong một năm. Pin axit chì hoạt động tốt ở nhiệt độ lạnh và vượt trội so với lithium-ion khi hoạt động trong điều kiện âm độ. Theo RWTH, Aachen, Đức (2018), chi phí của axit chì bị ngập là khoảng 150 đô la cho mỗi kWh, một trong những mức thấp nhất trong pin.

Axit chì kín

Axit chì kín, hoặc không cần bảo trì đầu tiên xuất hiện vào giữa những năm 1970. Các kỹ sư lập luận rằng thuật ngữ "axit chì được niêm phong" là một cách gọi sai vì không có pin axit chì nào có thể được niêm phong hoàn toàn. Để kiểm soát việc thông hơi trong quá trình sạc căng thẳng và xả nhanh, các van đã được thêm vào để giải phóng khí nếu áp suất tăng lên. Thay vì nhấn chìm các tấm trong chất lỏng, chất điện phân được ngâm tẩm vào thiết bị phân tách được làm ẩm, một thiết kế giống với các hệ thống dựa trên niken và lithium. Điều này cho phép vận hành pin theo bất kỳ hướng vật lý nào mà không bị rò rỉ.

Pin kín chứa ít chất điện phân hơn loại bị ngập nước, do đó có thuật ngữ “thiếu axit”. Có lẽ lợi thế đáng kể nhất của axit chì kín là khả năng kết hợp oxy và hydro để tạo ra nước và ngăn ngừa khô trong quá trình đạp xe. Sự tái hợp xảy ra ở áp suất vừa phải 0,14 bar (2psi). Van hoạt động như một lỗ thông hơi an toàn nếu khí tích tụ tăng lên. Nên tránh thông gió lặp đi lặp lại vì điều này sẽ dẫn đến tình trạng cạn kiệt cuối cùng. Theo RWTH, Aachen, Đức (2018), chi phí của VRLA là khoảng 260 USD/kWh.

Một số loại axit chì kín đã xuất hiện và phổ biến nhất là gel , còn được gọi là Van chì axit (VRLA) và thảm thủy tinh hấp thụ (ĐHCĐ). Tế bào gel chứa một loại gel silica lơ lửng chất điện phân ở dạng sệt. Các gói nhỏ hơn có dung lượng lên tới 30Ah thường được gọi là SLA (axit chì kín). Được đóng gói trong hộp nhựa, những loại pin này được sử dụng cho UPS nhỏ, đèn chiếu sáng khẩn cấp và xe lăn. Do giá thấp, dịch vụ đáng tin cậy và bảo trì thấp, SLA vẫn là lựa chọn ưu tiên cho việc chăm sóc sức khỏe tại các bệnh viện và viện dưỡng lão. VRLA lớn hơn được sử dụng làm nguồn dự phòng cho các tháp lặp di động, trung tâm Internet, ngân hàng, bệnh viện, sân bay, v.v.

Các AGM treo chất điện phân trong một tấm thảm thủy tinh được thiết kế đặc biệt. Điều này mang lại một số lợi thế cho các hệ thống axit chì, bao gồm sạc nhanh hơn và dòng tải cao tức thời theo yêu cầu. AGM hoạt động tốt nhất dưới dạng ắc quy tầm trung có dung lượng từ 30 đến 100Ah và ít phù hợp hơn với các hệ thống lớn, chẳng hạn như UPS. Các mục đích sử dụng điển hình là ắc quy khởi động cho xe máy, chức năng start-stop cho ô tô hybrid siêu nhỏ, cũng như hàng hải và RV cần đạp xe.

Với chu kỳ và tuổi tác, khả năng của AGM mất dần; mặt khác, gel có đường cong hiệu suất hình vòm và duy trì ở phạm vi hiệu suất cao lâu hơn nhưng sau đó giảm đột ngột vào cuối vòng đời. AGM đắt hơn ngập nước, nhưng rẻ hơn gel. (Gel sẽ quá đắt để bắt đầu/dừng sử dụng trên ô tô.)

Không giống như bị ngập nước, ắc quy axit chì kín được thiết kế với điện thế quá điện áp thấp để ngăn không cho ắc quy đạt đến khả năng tạo khí trong quá trình sạc. Sạc quá mức gây ra hiện tượng thoát khí, thoát khí và sau đó là cạn kiệt và khô nước. Do đó, gel, và một phần cả AGM, không thể được sạc hết tiềm năng của chúng và giới hạn điện áp sạc phải được đặt thấp hơn giới hạn điện áp khi bị ngập nước. Điều này cũng áp dụng cho phí thả nổi khi sạc đầy. Đối với việc sạc, gel và AGM không phải là sự thay thế trực tiếp cho loại bị ngập nước. Nếu không có bộ sạc được chỉ định cho AGM với cài đặt điện áp thấp hơn, hãy ngắt kết nối bộ sạc sau 24 giờ sạc. Điều này ngăn hiện tượng thoát khí do điện áp phao được đặt quá cao. 

Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin VRLA là 25°C (77°F); mỗi 8°C (15°F) tăng trên ngưỡng nhiệt độ này sẽ giảm một nửa thời lượng pin. Pin axit chì được đánh giá ở tốc độ xả 5 giờ (0,2C) và 20 giờ (0,05C). Pin hoạt động tốt nhất khi xả chậm; số đọc công suất cao hơn đáng kể ở tốc độ xả chậm hơn ở tốc độ 1C . Tuy nhiên, axit chì có thể cung cấp dòng xung cao vài C nếu được thực hiện chỉ trong vài giây. Điều này làm cho axit chì rất phù hợp làm pin khởi động, còn được gọi là đánh lửa bằng đèn khởi động (SLI). Hàm lượng chì cao và axit sunfuric làm cho axit chì không thân thiện với môi trường.

Ắc quy axit chì thường được phân thành ba mục đích sử dụng: Ô tô (khởi động hoặc SLI), động cơ (lực kéo hoặc chu kỳ sâu) và cố định (UPS).

Pin khởi động

Ắc quy khởi động được thiết kế để quay một động cơ có tải công suất cao tạm thời kéo dài khoảng một giây. Đối với kích thước của nó, pin có thể cung cấp dòng điện cao nhưng nó không thể được chu kỳ sâu. Ắc quy khởi động được đánh giá bằng Ah hoặc RS (dung lượng dự trữ) để biểu thị khả năng lưu trữ năng lượng, cũng như CCA (amply quay nguội) để biểu thị dòng điện mà ắc quy có thể cung cấp ở nhiệt độ lạnh. SAE J537 chỉ định 30 giây phóng điện ở –18°C (0°F) ở ampe CCA định mức mà điện áp pin không giảm xuống dưới 7,2 vôn. RC phản ánh thời gian chạy tính bằng phút với mức xả ổn định là 25. (SAE là viết tắt của Hiệp hội kỹ sư ô tô.) Xem thêm BU-902a: Cách đo CCA .

Pin khởi động có điện trở trong rất thấp, đạt được bằng cách thêm các tấm bổ sung để có diện tích bề mặt tối đa (Hình 1). Các tấm mỏng và chì được áp dụng ở dạng giống như bọt biển có bề ngoài giống như bọt mịn, mở rộng diện tích bề mặt hơn nữa. Độ dày của tấm, vốn quan trọng đối với pin chu kỳ sâu, ít quan trọng hơn vì quá trình xả ngắn và pin được sạc lại khi đang lái xe; trọng tâm là quyền lực hơn là năng lực.

Pin chu kỳ sâu

Pin chu trình sâu được chế tạo để cung cấp năng lượng liên tục cho xe lăn, xe chơi gôn, xe nâng hàng, v.v. Pin này được chế tạo để có dung lượng tối đa và số chu kỳ khá cao. Điều này đạt được bằng cách làm dày các tấm chì (Hình 2). Mặc dù pin được thiết kế để đạp xe, nhưng việc xả hết pin vẫn gây ra căng thẳng và số lượng chu kỳ liên quan đến độ sâu xả (DoD). Pin chu kỳ sâu được đánh dấu bằng Ah hoặc phút thời gian chạy. Công suất thường được đánh giá là xả 5 giờ và 20 giờ.

Không thể hoán đổi ắc quy khởi động với ắc quy chu kỳ sâu hoặc ngược lại. Mặc dù một học sinh cuối cấp sáng tạo có thể muốn lắp pin khởi động thay vì loại pin sâu đắt tiền hơn trên xe lăn của mình để tiết kiệm tiền, nhưng pin khởi động sẽ không bền vì các tấm mỏng giống như miếng bọt biển sẽ nhanh chóng phân hủy khi lặp đi lặp lại nhiều lần.

Có các loại ắc quy khởi động/chu kỳ sâu kết hợp dành cho xe tải, xe buýt, xe an toàn công cộng và xe quân sự, nhưng các loại này lớn và nặng. Theo hướng dẫn đơn giản, pin càng nặng thì càng chứa nhiều chì và thời lượng sử dụng càng lâu. Bảng 3 so sánh tuổi thọ điển hình của ắc quy khởi động và ắc quy chu trình sâu khi được chu kỳ sâu.

Bảng 3: Hiệu suất chu kỳ của pin khởi động và pin chu kỳ sâu. Xả 100% có nghĩa là xả hoàn toàn; 50% là một nửa và 30% là xả vừa phải còn lại 70%.

Axit chì hoặc Li-ion trong xe hơi của bạn?

Kể từ khi Cadillac giới thiệu động cơ khởi động vào năm 1912, ắc quy axit chì đã trở thành loại ắc quy được lựa chọn nhiều. Thomas Edison đã cố gắng thay thế axít chì bằng niken-sắt (NiFe), nhưng axit chì chiếm ưu thế vì tính chất chắc chắn và dễ thay đổi, cũng như chi phí thấp. Giờ đây, axit chì đóng vai trò là pin khởi động trong xe đang bị Li-ion thách thức.

Hình 4 minh họa các đặc tính của axit chì và Li-ion. Cả hai hóa chất đều hoạt động tương tự nhau trong quá trình quây nguội. Axit chì tốt hơn một chút tính theo W/kg, nhưng Li-ion mang lại những cải tiến lớn về vòng đời, năng lượng riêng tốt hơn tính theo Wh/kg và khả năng chấp nhận điện tích động tốt. Trường hợp Li-ion thiếu là chi phí cao cho mỗi kWh, tái chế phức tạp và hồ sơ an toàn kém xuất sắc hơn so với axit chì.

Hình 4: So sánh axit chì và Li-ion làm pin khởi động.
Axit chì duy trì lượng chì mạnh trong ắc quy khởi động. Tín dụng dành cho hiệu suất nhiệt độ lạnh tốt, chi phí thấp, hồ sơ an toàn tốt và dễ tái chế.
^{Nguồn: Kiểm soát Johnson}

Chì là chất độc hại và các nhà bảo vệ môi trường muốn thay thế pin axit chì bằng một hóa chất thay thế. Châu Âu đã thành công trong việc loại bỏ NiCd khỏi các sản phẩm tiêu dùng và những nỗ lực tương tự đang được thực hiện với pin khởi động. Các lựa chọn là NiMH và Li-ion, nhưng giá quá cao và hiệu suất nhiệt độ thấp kém. Với 99 phần trăm tỷ lệ tái chế , pin axit chì ít gây nguy hiểm cho môi trường và có khả năng sẽ tiếp tục là loại pin được lựa chọn.

Tập đoàn JUNLEE là một nhà máy năng lượng tích hợp đầy đủ năng lượng, chuyên cung cấp Bộ lưu điện liên tục (UPS), Ắc quy axit-chì, Bộ ắc quy, ắc quy xe điện, Ắc quy lưu trữ năng lượng, Trạm phát điện lưu trữ năng lượng, ắc quy Power pack Gel, Biến tần PV và Hệ thống năng lượng mặt trời.

Năng lực sản xuất đạt 200000 KVAH mỗi tháng. Sản phẩm áp dụng cho Xe điện, di động điện, hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời và gió, UPS, điện dự phòng, viễn thông, thiết bị y tế và chiếu sáng.

JUNLEE thành lập "Trung tâm nghiên cứu năng lượng" với nhiều sản phẩm Công nghệ cao hơn. Hơn 100 kỹ sư đã cung cấp các giải pháp một cửa kịp thời và hiệu quả.

Sứ mệnh của chúng tôi là cố gắng mang lại nguồn năng lượng xanh cho thế giới.

Để tìm hiểu thêm về pin Li-ion, vui lòng tham khảo https://www.junleepower.com/