Pin Lithium ion và nguyên lý của quá trình sạc pin điện thoại/smartphone

Pin lithium ion hay pin Li-ion là loại pin có thể sạc lại trong đó các ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến cực dương trong quá trình xả, và trở lại khi sạc. Pin li-ion sử dụng một hợp chất lithium làm vật liệu điện cực, so với lithium kim loại được sử dụng trong pin lithium không thể sạc.





Pin li-ion sử dụng phổ biến trong thiết bị điện tử tiêu dùng. Cũng là loại phổ biến nhất cho thiết bị điện tử di động, mật độ năng lượng cao trên 300W/Kg, hiệu năng nạp/phóng 80-90%, giá thành 2,5 wh/US$, không có hiệu ứng nhớ ( nghiên cứu mới đã cho thấy dấu hiệu của hiệu ứng bộ nhớ trong pin Lithium ion ), tự phóng 8%/tháng(21oC) , chu trình phóng nạp (tới 80% C) khoảng 400-2000 lần.Pin Li-ion đươc sử dụng phổ biến trong quân sự, xe điện, và các ứng dụng hàng không vũ trụ.

Tuy nhiên, Pin Li-ion thường xảy hỏng khi quá nóng, thậm chí gây cháy, nổ. Ta thường thấy các hãng sản xuất từ lớn đến nhỏ đều gặp nạn với dòng pin xạc này : 10 triệu pin Sony có lỗi vào tháng 12/2006. Tháng 3/2007 Lenovo gặp trục trặc với 205.000 pin có nguy cơ cháy nổ. Mới đây nhất là sự cố pin trên máy bay Dreamline Boeing 787của hàng không Nhật Bản.



Cấu tạo:

Ba thành phần chức năng chính của một pin li-ion là điện cực âm, điện cực dương và chất điện phân. Điện cực âm của một Cell pin li-ion thông thường được làm từ carbon. Điện cực dương là một oxit kim loại, và chất điện phân là muối lithium trong dung môi hữu cơ. Vai trò điện hóa của các điện cực thay đổi giữa cực dương và cực âm, tuỳ thuộc vào hướng của dòng chảy.

Vật liệu điện cực âm thương mại phổ biến nhất là than chì. Điện cực dương thường là một trong ba vật liệu:. Một lớp oxit (như lithium cobalt oxide), một polyanion (như lithium sắt photphat), hoặc một spinel (như lithium oxit mangan)

Chất điện phân thường là một hỗn hợp của cacbonat hữu cơ như ethylene cacbonat hoặc cacbonat diethyl chứa phức hợp của các ion lithium. Những chất điện phân không chứa nước như lithium hexafluorophosphate (LiPF6), lithium hexafluoroarsenate monohydrat (LiAsF6 ), lithium perchlorate (LiClO4), lithium tetrafluoroborate (LiBF4), và lithium triflate (LiCF3SO3).

Tùy thuộc vào sự lựa chọn vật liệu, điện áp, công suất, số chu kỳ phóng-nạpvà an toàn của pin lithium-ion có thể thay đổi đáng kể. Gần đây, kiến trúc mới sử dụng công nghệ nano đã được sử dụng để cải thiện hiệu suất.

Lithium tinh khiết phản ứng mạnh với nước để tạo thành lithium hydroxide và khí hydro. Vì vậy, một chất điện phân không có nước là thường được sử dụng, và một vỏ kín chắc chắn, không chứa nước được dùng để đóng gói pin.

Pin li-ion đắt hơn so với pin NiCd nhưng hoạt động trên một phạm vi nhiệt độ rộng hơn với mật độ năng lượng cao hơn, trong khi kích thước nhỏ hơn và nhẹ hơn. Pin Li-ion cũng mong manh và rất cần một mạch bảo vệ khi sử dụng.

Pin Li-ion được chế tạo thành các định dạng khác nhau, thường có thể được chia thành bốn nhóm:

Hình trụ nhỏ có vỏ chắc chắn, điện cực không có đầu nối
Hình trụ lớn có vỏ chắc chắn và điện cực có đầu nối cung cấp dòng lớn
Hình hộp : vỏ mềm hay vỏ phẳng,
Lăng trụ : vỏ nhựa bán cứng , điện cực có đầu nối dòng lớn sử dụng trong xe chạy điện.




Sạc pin Li-ion : Chu trình sạc pin li-ion đơn và tổ hợp có sự khác nhau

Pin Li-ion đơn là một cell Li-ion duy nhất, được nạp trong 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1 với dòng không đổi, thông thường khoảng 0,5 đến 0,8 C.

Ví dụ pin dung lượng 1430 mAh được nạp dòng 750 mA. Trong giai đoạn này điện áp pin tăng và dòng nạp duy trì không đổi.
Giai đoạn 2 : với điện áp điện áp không đổi và dòng giảm. Quá trình kết thúc khi dòng nạp bằng 3% dòng nạp ban đầu.

Với pin Li-ion tổ hợp của các cell li-ion , qui trình nạp phải có thêm giai đoan cân bằng nhằm đảm bảo các cell cân bằng nhau trong tổ hợp pin . Thường người ta áp dung chế độ dòng không đổi ngắt quãng tránh cho pin quá nhiệt. Giai đoạn này tiếp nối sau giai đoạn nạp với dòng không đổi . Giai đoạn cuối là giai đoạn nạp với điện áp không đổi.

 

Khi không dùng một thời gian pin Li-ion tự phóng ta có thể nạp bổ sung khi điện áp pin trên 3volt và không xạc pin Li-ion quá 4,2 volt. Do không có hiệu ứng “nhớ” nên Pin Li-ion có thể nạp bổ sung bất cứ lúc nào thuận lợi và tốt nhất là nên tắt thiết bị rồi mới tiến hành xạc.

Ngày nay khi ta đi mua một thiết bị di động như iPad, iphone hay mobile phone không phải nghe lời dặn dò của người bán phải nạp đầy trước khi dùng và dùng cho tới khi pin cạn mới được nạp tiếp để pin được bền.

Khuyến cáo của nhà chế tạo là không nạp pinLi-ion khi điện áp pin ngoài dải 3v đến 4,2v. Nạp cho pin khi này sẽ làm hỏng pin vì quá dòng hoăc quá áp. Trong các thiết bị thông minh hiên nay, mạch bảo vệ sẽ đảm nhận công việc này

Các pin Li-ion mobiphone loại tháo rời đươc có 4 cực : cực phía trong là cực âm, cực thứ 2 tính từ trong ra cung cấp code của pin , cực thứ ba nối với termistor và ngoài cùng là cực dương.

Người dùng luôn được khuyến cáo sử dụng đúng bộ sạc do nhà sản xuất cung cấp. Đây là lời khuyên không thể bỏ qua nếu bạn muốn thiết bị của mình được an toàn và sử dụng đủ tuổi thọ. Pin Li-ion có nhiều loại : các cell có mức điện áp chuẩn khác nhau từ 3,3 đến 3,7 volt và dung lương cũng khác nhau nên việc sử dung bộ nạp phải tương thích với các giai đoạn nạp.

Khi sử dung pin xạc , ta thường quan tâm đến đặc tính phóng điện của pin li-ion . Ta luôn mong muốn pin sẽ phóng với điện áp không đổi cho tới hết dung lượng. Ý tưởng này có lẽ nảy sinh khi ta dùng nến thắp sáng, ngọn nến cháy sáng liên tục và không thay đổi cho tới khi tàn. Pin Li-ion chỉ có thể duy trì dòng phóng không đổi và điện áp phóng giảm dần và thường chỉ phóng đến 80% dung lượng . Các nhà sản xuất tiên tiến thường cung cấp chính xác số lần phóng- nạp ví dụ như 400 hay1000 cycles. Các nhà sản xuất ít danh tiếng thường hay đảm bảo chung chung như 10 năm (khoảng từ 400 đến 1000cycles) .

Pin xạc Li-ion mất dần dung lượng theo thời gian, quá trình tự phóng trong pin tăng nhanh theo nhiệt độ, dung lương giảm đến 20%/tháng ở nhiệt độ 40oC. Điện trở trong của pin tăng theo số lần phóng- nạp,dung lượng giảm dần.

Có một số điều luật liên quan đến việc vận chuyển Pin xạc Li-ion : Cơ quan hàng không quốc tế đã thắt chặt việc vận chuyển Pin Li-ion : Không cho phép mang pin Li-ion rời trong hành lý xách tay. Không vận chuyển PinLi-ion có khối lượng trên 25 gramLithium trong hành lý gửi . Bưu chính nhiều nước không nhận chuyển Air mail. Pin Li-ion không được bán trên 4 đơn vị tại Hoa kỳ vì Lithium còn được sử dụng làm chất khử trong chế tạo ma túy .
(vô tuyến - điện tử Việt Nam)  

daonhatdung đã viết: ↑

Và đây để giải thích cho bác dùng Z1, Z với sạc ipad là "khờ" thế nào:
"....Người dùng luôn được khuyến cáo sử dụng đúng bộ sạc do nhà sản xuất cung cấp. Đây là lời khuyên không thể bỏ qua nếu bạn muốn thiết bị của mình được an toàn và sử dụng đủ tuổi thọ. Pin Li-ion có nhiều loại : các cell có mức điện áp chuẩn khác nhau từ 3,3 đến 3,7 volt và dung lương cũng khác nhau nên việc sử dung bộ nạp phải tương thích với các giai đoạn nạp..."

Bạn ơi, đây là người ta nói chung chung cho cả pin máy ảnh, pin công nghiệp, pin dân dụng được thiết kế riêng cho từng mục đích cụ thể.

còn smartphone/tablet hiện nay đều dùng chuẩn sạc 5V, chung chuẩn hiệu điện thế của cổng sạc USB trên máy tính rồi bạn ạ

Còn về dòng sạc A và IC nguồn điều khiển quá trình sạc thì bạn xem thêm tại đây: Sạc thông minh và nguyên lý của quá trình sạc pin

Bạn có thể yên tâm mà dùng tất cả các loại sạc 5V

Còn Samsung S4 dùng chuẩn 5.3V-2A nên nó không dùng chung được thôi

Xem thêm: Có quá nhiều loại, vậy tôi nên chọn loại sạc cáp nào?

 

Pin Li-ion là loại pin hóa học sử dụng hoạt chất là ôxit và hợp chất của Lithium cùng với các kim loại khác như sắt, cô-ban, mangan, silicon, germanium... được phát minh bởi Michael Stanley Whittingham, một nhà hóa học người Mỹ từ trừong ĐH Binghamton (thuộc ĐH Quốc Gia New York) trong những năm 70 (của thế kỷ 20). Đây thực sự là một phát minh quan trọng bởi vì nó tạo ra một cuộc cách mạng về pin với kích thước nhỏ, gọn, nhẹ nhưng có mật độ năng lượng rất cao và đặc biệt là không có hiệu ứng nhớ như các pin truyền thống trước đó. Sự đặc biệt mang tính đặc trưng này của pin Li-ion đã giải quyết sự đau đầu của các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng về vấn đề "chai" pin rất dễ xảy ra đối với các loại pin truyền thống trước đó khiến việc sử dụng chúng rất khó khắn và đòi hỏi quy trình nạp-xả phức tạp cũng như sự thận trọng cao trong quá trình sử dụng. Với một sự khác biệt gần như đối lập, pin Li-ion cho phép người dùng có thể sạc-xả bất kỳ lúc nào, việc lưu trữ cũng không đòi hỏi các điều kiện khắt khe, trong khi nó có khả năng cung cấp năng lượng với mật độ và hiệu suất rất cao. Và cũng từ đó tuổi thọ của nó cao hơn nhiều lần so với các loại pin trước đó.

Cụ thể hơn:

- Khác với các loại pin trước đó, pin Li-ion cho phép người dùng sạc bất cứ lúc nào, bất kể trạng thái hiện tại của nó còn hay hết điện. Và người dùng cũng có thể xả (ngưng sạc) bất cứ lúc nào mà không cần đợi nó phải được sạc đầy như các loại pin khác.
- Với cùng điều kiện nhiệt độ, pin Li-ion khi không sử dụng không đòi hỏi phải sạc đầy trước khi cất trữ và thời gian lưu trữ dài hơn. Chẳng hạn, với dụng lượng sạc 40% (đây cũng là điều kiện tối ưu), pin li-ion có thể được lưu trữ từ 12 đến 18 tháng ở nhiệt độ 0 - 25 độ C (nhiệt độ càng cao thời gian lưu trữ càng giảm). Nó cũng cho phép xả kiệt (deeply discharge) một số giới hạn lần, tuy không nhiều nhưng "dễ dãi" hơn nhiều so với pin Ni-Cad hay pin Chì-axit.
- Pin Li-ion có tuổi thọ tiêu chuẩn trong khoảng 2-3 năm, tương ứng với 300-500 chu kỳ sạc-xả. Mặc dù có những ưu điểm vượt trội như trên nhưng pin Li-ion cũng đòi hỏi tuân thủ một số qui định về sử dụng để giúp kéo dài tuổi thọ. Các quy định này được liệt kê dưới đây:

+ Không được lạm dụng việc xả kiệt pin. Có nghĩa nếu với lý do bất khả kháng bạn có thể tiếp tục sử dụng thiết bị thêm 1 thời gian ngắn trong khi pin đang trong trạng thái hết điện (đèn báo low battery bật sáng). Nhưng ngay sau đó bạn cần sạc pin lại ngay, càng sớm càng tốt. Trong điều kiện tốt nhất, không nên sử sụng kiệt pin một cách thường xuyên mà hãy theo các qui định tiếp theo dưới đây.

+ Nên thường xuyên sạc ngắn (short charge) trong quá trình sử dụng thiết bị. Có nghĩa, pin Li-ion khuyến khích việc sạc thiết bị trong những khoảng thời gian ngắn mà không cần đợi đến khi nó cạn hẳn, và cũng không cần thiết phải sạc cho đến khi thật đầy. Như vậy, bất cứ lúc nào bạn thấy pin ở trạng thái "non nửa" (30% - 70%) thì cứ thoải mái tự nhiên đem sạc nó trong khoảng thoài gian 10 - 30 phút, miễn là việc đó thuận tiện. Đến đây vẫn chưa phải là tất cả các qui định sử dụng, hãy áp dụng tiếp các qui định sau:

+ Sau mỗi 30 chu kỳ sạc-xả ngắn bạn sẽ cần áp dụng 1 chu kỳ xả-sạc sâu. Có nghĩa, mỗi một lần sạc rồi xả liền sau đó cho đến lúc sạc lần kết tiếp được tính là 1 chu kỳ. Trong khi quy định số 2 khuyên nên áp dụng thường xuyên các chu kỳ ngắn như vậy thì quy định này bổ sung: Sau mỗi 30 chu kỳ (lần) như thế bạn nên áp dụng 1 chu kỳ xả kiệt - rồi nạp thật đầy. Và chú ý: chu kỳ đặc biệt này, nếu có thể bạn hãy tháo pin rời khỏi thiết bị sau khi xả kiệt và dùng thiết bị nạp bên ngoài để sạc nó cho đến khi đầy hẳn. Yêu cầu này không áp đặt một cách khắt khe nhưng khuyên dùng để giúp bạn tăng tuổi thọ của pin một cách đáng kể. Việc tháo rời pin khỏi thiết bị trong lần nạp sâu để đảm bảo pin không bị phân tán năng lượng nuôi thiết bị trong quá trình nạp, để nhờ đó dòng điện nạp được áp dụng ở trị số tối ưu như nhà sản xuất đã thiết lập cho nó và bộ sạc đi kèm với nó. Việc tháo rời pin khỏi thiết bị trong quá trình sạc sâu cũng cách li pin khỏi nhiệt độ cao của thiết bị khi nó hoạt động, bởi vì pin Li-ion rất nhạy cảm với nhiệt độ cao, đặc biệt tại thời điểm trạng thái nạp điện của nó đang ở mức đầy và gần đầy. Qui định tiếp theo không mang tính bắt buộc mà có tính chất của 1 lời khuyên để bạn kéo dài tuổi thọ cho pin.

+ Với những người dùng laptop với pin Li-ion, khi sử dụng máy tính với nguồn điện lưới, nếu không có nhu cầu duy trì nguồn điện để sao lưu dữ liệu trong trường hợp mất điện lưới thì bạn nên tháo pin khỏi máy. Việc này được giải thích như sau: Khi pin đặt trong thiết bị (phone, laptop), nó được nạp với dòng điện lớn đến khi pin đạt 85-95% dung lượng, khi đó bộ sạc sẽ chuyển sang chế độ "sạc nổi" (floating charge mode) để giảm dần dòng điện sạc cho đến khi pin đầy hẳn. Giai đoạn này thường kéo dài 30-60 phút sau đó thiết bị báo "charge completed" hay "100%". Nếu tính toán hoàn hảo thì dòng điện nạp vào pin lúc này sẽ bằng hoặc rất gần 0. Nhưng thực tế luôn tồn tại một dòng điện lớn đáng kể. Sau thời kỳ sạc nổi dòng điện này chính là dòng "ngâm", nó chỉ có tác dụng làm nóng và làm giảm tuổi thọ của pin. Mặc dù các nhà chế tạo pin đã chế tạo bộ sạc với các tham số tối ưu cho pin của họ để không có dòng "ngâm" hoặc có nhưng với giá trị rất nhỏ, nhưng khi đưa vào sản xuất hàng loạt các thông số sẽ bị xê dịch nhất định khác với điều kiện trong phòng thí nghiệm khiến cho việc nạp pin lệch khỏi quy trình nạp thiết kế.
Không chỉ bởi nguyên nhân khách quan đó, ở phía người tiêu dùng, cách sử dụng của mỗi người là khác nhau, trong những thời gian và không gian làm việc khác nhau của cùng 1 người dùng cũng tác động đến các thông số mà nhà sản xuất thiết kế cho pin và bộ sạc khiến chúng bị thay đổi ra khỏi trạng thái tối ưu bởi sự thay đổi của nhiệt độ, độ ẩm, áp suất. Nguyên nhân thứ 3 đó là hiên nay khi công nghệ máy tính cũng như thiết bị cá nhân phát triên mạnh đã tách các nhà sản xuất sang các công đoạn khác nhau, chẳng hạn pin được sản xuất ở 1 quốc gia, bộ sạc sản xuất ở 1 quốc gia khác, thiết bị chính lại được sản xuất từ 1 quốc gia khác nữa. Việc đồng bộ tuy không đòi hỏi cần phải tuyệt đối nhưng đã gây ra sai lệch giữa thông số giữa pin, bộ sạc và thiết bị khiến chúng không hoạt động đồng nhất trong những giai đoạn cần thiết. Cuối cùng nguyên nhân lớn nhất khiến pin đặt trong thiết bị khi hoạt động cùng với nguồn điện lưới có xu hướng giảm tuổi thọ bởi chính nhiệt độ của thiết bị, ngay cả khi pin đang trong trạng thái sạc đầy và không hề có dòng điện sạc "ngâm". Bởi vậy nếu có thể bạn nên thường xuyên áp dụng việc tháo pin khỏi thiết bị khi sử dụng nguồn điện lưới. Nhưng hãy chú ý, luôn để pin trong 1 hộp riêng và kín để tránh bụi và không khí có thể khiến các chân pin bị bẩn và oxy hóa.

+ Với những thiết bị như laptop hoặc các loại điện thoại di động cao cấp, trình điều khiển và quản lý năng lượng có chức năng Fuel Gauge hoặc Power Manager Gauge, trình quản lý này cho phép bạn thực hiện các việc bảo dưỡng pin theo quy trình của nhà sản xuất cũng như tự động nhắc báo khi nào cần bảo dưỡng (sạc-xả sâu) và cũng cung cấp các thiết lập để việc sử dụng pin tối ưu theo cách sử dụng thiết bị riêng của bạn. Từ đó pin luôn hoạt động ở trạng thái tốt nhất và kéo dài tuổi thọ. Nếu thiết bị của bạn có trình quản lý này thì hãy học cách sử dụng nó.

+ PIn Li-ion rất kỵ với nhiệt độ cao khi nó đang ở trạng thái no điện. Vì vậy hãy tránh để "ngâm" trong môi trường nhiệt độ cao trong thời gian dài và trong trạng thái no điện, kể cả khi nó đang được lắp ở trong thiết bị hay đã tháo rời ra bên ngoài.

Các quy định trên áp dụng trong qua trình sử dụng thiết bị. Còn các quy dưới đây áp dụng cho việc lưu trữ pin hoặc việc sử dụng pin sau thời gian lưu trữ cũng như việc sử dụng pin second-hand.

+ Khi không có như cầu sử dụng pin trong thời gian dài bạn cần sạc pin đạt dung lượng 40-50% rồi tháo pin khỏi thiết bị, để pin bên ngoài khoảng 30 phút để nó trở về nhiệt độ môi trường sau đó cất giữ trong một hộp tối-kín-khô-nhiệt độ thấp. Trong điều kiện dân dụng ở nước ta, một nước nhiệt đới thì nơi lý tưởng nhất để cất giữ pin Li-ion là ... tủ lạnh. Nhưng bạn không được cất vào ngăn làm đá, nơi đó nhiệt độ có thể xuống dưới -10 độ C không tốt cho pin tại các thời điểm cất vào và lấy ra bởi sự chênh lệch nhiệt độ quá lớn. Mà hãy cất vào ngăn bên dưới, ngăn để đồ ăn với nhiệt độ khoảng 10-20 độ C. Nhớ gói kín trong bao nilon và đặt trong hộp nhựa kín đẻ tránh sự xâm nhập của các hơi hữu cơ từ thức ăn trong tủ.

+ Pin cất giữ lâu ngày khi đem ra sử dụng cần sạc thật đầy trước khi sử dụng và áp dùng một vài chu kỳ sạc-xả sâu trong giai đoạn đầu. Sau đó có thể sử dụng bình thường và theo các quy định phía trên.

+ Không cất pin ở trạng thái no điện. Việc này có thể làm giảm tuổi thọ của pin khá đáng kể. Hãy cất giữ pin theo các hướng dẫn bên trên. Cũng tránh sạc ngâm pin Li-ion. Các nhà sản xuất điện thoại thường khuyến cáo không nên để pin sạc liên lục trong thời gian dài (12 giờ đến vài ngày). Việc sạc ngâm pin trong suốt 1 tuần có thể làm "chai" pin hoàn toàn ngay sau đó. Bạn có thể để pin sạc liên tục trong khoảng thời gian 10 giờ trong những chu kỳ sử dụng đầu tiên hoặc sau thời gian cất giữ dài ngày nhưng không được áp dụng việc này trong quá trình sử dụng bình thường của thiết bị.

+ Và cuối cùng, đừng mua pin có ngày sản xuất đã quá 2 đến 3 năm. Vì hầu hết pin Li-ion đã hết hoặc gần hết hiệu năng sử dụng sau thời gian này. Khi mua thiết bị bạn cũng nên xem ngày sản xuất của pin để yêu cầu người bán lắp pin mới nếu thấy nó đã quá "đát".