Trong ngành công nghiệp ô tô hiện đại, các loại pin lithium-ion đang trở thành một phần không thể thiếu, đặc biệt là trong các loại xe điện và xe hybrid. Khi sửa chữa ô tô, hiểu rõ về các loại pin lithium-ion là điều cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình sửa chữa. Những loại pin này có đặc tính đặc biệt về mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài, nhưng cũng có những yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt về việc xử lý và bảo dưỡng. Để tìm hiểu kỹ hơn về các loại pin lithium-ion trong việc sửa chữa ô tô chúng ta cùng tìm hiểu nó qua bài viết bên dưới.
Xem thêm: Bài liên quan Pin ô tô
1 – Pin Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2):
Năng lượng đặc biệt cao của nó làm cho Li-cobalt trở thành sự lựa chọn phổ biến cho điện thoại di động, máy tính xách tay và máy ảnh số. Pin bao gồm catot làm bằng Lithium Cobalt Oxide và anot làm bằng cacbon than chì. Catot có cấu trúc lớp và trong quá trình phóng điện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot). Hình minh hoạ cấu trúc của pin Li-cobalt.
– Cấu trúc của Li-cobalt:
Catot có cấu trúc lớp, trong quá trình phóng điện (xả), các ion Lithi di chuyển từ anot đến catot; còn trong quá trình sạc thì dòng ion Lithi sẽ di chuyển ngược lại (từ catot đến anot)
– Hạn chế của pin Li-cobalt là tuổi thọ tương đối ngắn, độ ổn định nhiệt thấp và khả năng chịu tải giới hạn. Pin Li-cobalt các loại pin khác mới hơn bao gồm niken, mangan và / hoặc nhôm đang được phát triển và để cải thiện tuổi thọ, khả năng chịu tải và chi phí.
Pin Li-cobalt không được sạc và xả ở mức hiện tại cao hơn mức đánh giá C (C-rating) của nó. Điều này có nghĩa là một tế bào 18650 với 2.400mAh chỉ có thể được sạc và xả ở 2.400mA. Việc sạc nhanh hoặc áp dụng một tải hơn 2.400mA gây quá nóng và tăng tải quá mức. Để đạt được tốc độ sạc nhanh tối ưu, nhà sản xuất khuyến cáo tốc độ C là 0.8C hoặc khoảng 2000mA. Mạch bảo vệ pin bắt buộc giới hạn mức phí và tốc độ xả tới mức an toàn khoảng 1C đối với pin năng lượng.
Hình ảnh nhện lục giác tóm tắt hiệu suất của Li-cobalt về năng lượng riêng (specific energy) hoặc lượng điện lưu trữ có liên quan đến thời gian chạy; Công suất riêng (specific power ) hoặc khả năng cung cấp dòng điện cao; An toàn (safety); Hoạt động (hoạt động) ở nhiệt độ nóng và lạnh; tuổi thọ (life pan) phản ánh chu kỳ làm việc và tuổi thọ; và chi phí. Các đặc tính khác không được hiển thị trong mạng lưới nhện là độc tính, khả năng sạc nhanh, tự xả và thời hạn sử dụng
– Tóm tắt hiệu suất củapin Li-cobalt
Pin Li-Cobalt có năng lượng riêng cao nhưng công suất riêng, độ an toàn và tuổi thọ trung bình.
Bảng tóm tắt đặc tính của pin Lithium Cobalt Oxide
| Lithium Cobalt Oxide: Catot: LiCoO2(~60% Co), anot: graphite Dạng rút gọn: LCO or Li-cobalt, từ năm 1991 | |
| Điện áp | 3.60V danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell |
| Năng lượng riêng | 150–200Wh/kg. . Các tế bào đặc biệt cung cấp lên đến 240Wh / kg |
| Sạc (C-rate) | 0.7–1C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào); sạc trong 3 giờ. Dòng điện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin. |
| Xả (C-rate) | 1C; trên 2.V sẽ cắt. Dòng điện xả trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin. |
| Chu kỳ sạc-xả | 500–1000 lần, liên quan đến xả sâu, tải, nhiệt độ |
| Thoát nhiệt | 150°C (302°F). Quá trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt. |
| Ứng dụng | Điện thoại di động, máy tính bẳng, máy tính xách tay, máy ảnh |
| Đánh giá | Năng lượng cao, hạn chế về công suất, sử dụng như các tế bào năng lượng, giá thành của cobalt đắt, thị phần đó ổn định. |
2. Pin Lithium Mangan Oxide (LiMn2O4):
Pin Li-ion với spinel mangan lần đầu tiên được công bố trong Bản tin nghiên cứu Vật liệu năm 1983. Năm 1996, Moli Energy đó thương mại hóa một tế bào Li-ion với oxit mangan Lithi làm vật liệu catot. Kiến trúc tạo thành một cấu trúc spinel ba chiều cải thiện luồng ion trên điện cực, dẫn đến việc điện trở nội bộ thấp hơn và cải tiến việc xử lý hiện tại. Một lợi thế nữa của spinel là ổn định nhiệt độ cao và tăng cường độ an toàn, nhưng chu kỳ và tuổi thọ rất hạn chế.
Điện trở trong tế bào nội vi thấp cho phép sạc nhanh và xả điện cao. Trong gói 18650, pin Li-mangan có thể được thải ra ở dũng 20-30A với nhiệt độ tích tụ vừa phải. Cũng có thể áp dụng xung tải một giây lên đến 50A. Một tải liên tục cao ở dòng điện này sẽ gây ra sự tích tụ nhiệt và nhiệt độ của tế bào không thể vượt quá 80 ° C (176 ° F). Pin Li-mangan được sử dụng cho các dụng cụ điện, dụng cụ y tế, cũng như xe hybrid và điện.
Hình minh họa việc hình thành một khuôn hình tinh thể ba chiều trên cực âm của pin Li-mangan. Cấu trúc spinel, thường bao gồm các hình dạng kim cương kết nối vào mạng tinh thể, xuất hiện sau khi hình thành ban đầu.
– Cấu trúc Li-mangan.
Sự hình thành tinh thể catot của oxit mangan Lithi có cấu trúc khung ba chiều xuất hiện sau khi hình thành ban đầu. Spinel cung cấp điện trở thấp nhưng có năng lượng riêng trung bình hơn cobalt.
Pin Li-mangan có năng suất thấp hơn một phần ba so với Pin Li-cobalt. Tính linh hoạt của thiết kế cho phép các kỹ sư tối đa hóa tuổi thọ pin, dòng điện tải tối đa (công suất riêng) hoặc công suất cao (năng lượng riêng). Ví dụ, phiên bản cuộc đời dài trong tế bào 18650 có công suất vừa phải chỉ có công suất trung bình là1.100mAh; phiên bản côngsuất cao là 1.500mAh.
Hình cho thấy mạng nhện của một pin Li-mangan điển hình. Những đặc điểm này xuất hiện ít nhưng thiết kế mới hơn đó được cải thiện về mặt sức mạnh, an toàn và tuổi thọ cụ thể. Pin Li-Mangan tinh khiết không còn phổ biến ngày nay; chúng chỉ có thể được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt.
– Tóm tắt hiệu suất của pin Li-mangan tinh khiết
Mặc dự hiệu suất tổng thể trung bình, thiết kế mới hơn của Li-mangan mang lại những cải tiến về công suất, an toàn và tuổi thọ cụ thể. Hầu hết Li-mangan trộn với oxit cobalt mangan niken (NMC) Lithi để cải thiện năng lượng riêng và kéo dài tuổi thọ. Sự kết hợp này mang lại sự tốt nhất trong mỗi hệ thống, và LMO (NMC) được chọn cho hầu hết các loại xe điện, chẳng hạn như Nissan Leaf, Chevy Volt và BMW i3. Phần LMO của pin, có thể khoảng 30%, cung cấp tăng tốc hiện tại cao; Phần NMC cho phép tầm lái
Nghiên cứu pin Li-ion hấp dẫn rất nhiều trong việc kết hợp Li-mangan với coban, niken, mangan và / hoặc nhôm làm vật liệu catốt hoạt động. Trong một số kiến trúc, một lượng nhỏ silic được thêm vào cực dương. Điều này cung cấp tăng 25% công suất; tuy nhiên, việc tăng này được thường kết nối với một chu kỳ làm việc ngắn hơn.
Ba kim loại hoạt động, cũng như việc tăng cường silicon có thể được lựa chọn thuận tiện để tăng năng lượng riêng (công suất), công suất riêng (khả năng tải) hoặc tuổi thọ. Mặc dù pin tiêu dùng có dung lượng cao, các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi hệ thống pin có khả năng tải tốt, cung cấp một tuổi thọ lâu dài và cung cấp dịch vụ an toàn và đáng tin cậy.
Bảng tóm tắt và đặc tính của pin Lithium Manganese Oxide:
| Lithi Manganese Oxide: catot: LiMn2O4; anot: graphite Dạng rút gọn: LMO or Li-manganese (cấu trúc spinel); Từ năm 1996 | |
| Điện áp | 3.70V (3.80V) danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell |
| Năng lượng riêng | 100–150Wh/kg |
| Sạc (C-rate) | 0.7–1C, cao nhất: 3C, sạc đến 4.20V (hầu hết các tế bào) |
| Xả (C-rate) | 1C; cụ thể là 10C đối với một vài tế bào, 30C xung (5s), 2.50V sẽ cắt |
| Chu kỳ sạc-xả | 300–700 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ) |
| Thoát nhiệt | 250°C (482°F). Quỏ trình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt. |
| Ứng dụng | Dụng cụ điện, thiết bị y tế, hệ thống truyền động điện |
| Đánh giá | Năng lượng cao nhưng công suất thấp; an toàn hơn Pin Li-cobalt; thường trộn lẫn với NMC để cải thiện hiệu suất. |
3. Pin Lithium Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2 hoặc NMC):
Một trong những hệ thống pin Li-ion thành công nhất là một sự kết hợp catốt của nickel-mangan-cobalt (NMC). Tương tự như Li-mangan, các hệ thống này có thể được điều chỉnh để phục vụ như là các tế bào năng lượng hoặc các tế bào điện năng. Ví dụ, NMC trong một tế bào 18650 cho điều kiện tải trung bìnhcócông suất khoảng 2.800 mAh và có thể cung cấp 4A đến 5A; NMC trong cùng một tế bào được tối ưu hóa cho điện cụ thể có công suất chỉ khoảng 2.000 mWh nhưng cung cấp một dòng chảy xả liên tục của 20A. Một anot nền silicon sẽ tăng lên đến 4.000mAh và cao hơn nhưng ở khả năng tải giảm và tuổi thọ ngắn hơn. Silicon được thêm vào graphite có nhược điểm là anot phát triển và thu hẹp với việc sạc và xả, làm cho tế bào không ổn định về mặt cơ học.
Bí mật của NMC nằm trong việc kết hợp niken và mangan. Một ví dụ tương tự của điều này là muối ăn, trong đó các thành phần chính, natri và clorua (có sự độc hại riêng), nhưng trộn chúng làm gia vị muối và thức ăn gia cầm. Nickel được biết đến với năng lượng đặc trưng cao nhưng sự ổn định kém; Mangan có lợi ích trong việc tạo thành cấu trúc spinel để đạt được điện trở nội tại thấp nhưng cung cấp năng lượng riêng thấp. Kết hợp các kim loại tăng cường sức mạnh của nhau.
NMC là pin được lựa chọn cho các công cụ điện, xe đạp điện và các hệ thống điện khác. Sự kết hợp để làm catot thường là niken nano : mangan : cobalt, với tỉ lệ 1:1:1. Điều này cung cấp một sự pha trộn độc đáo mà cũng làm giảm chi phí nguyên vật liệu do giảm hàm lượng cobalt. Một thành công khác là NCM với 5 phần niken, 3 phần coban và 2 phần mangan. Có thể kết hợp thêm bằng cách sử dụng một số lượng vật liệu catot khác nhau. Chất điện phân và chất phụ gia mới có thể sạc tới 4.4V / ô và cao hơn để tăng công suất. Hình thể hiện các đặc tính của NMC.
NMC có hiệu suất tổng thể tốt và vượt trội về năng lượng riêng. Pin này là ứng cử viên được ưa thích cho xe điện và có tỷ lệ tự gia nhiệt thấp nhất.
Có một động thái hướng đến Li-ion kết hợp với NMC vỡ hệ thống có thể được xây dựng về mặt kinh tế và đạt được hiệu suất tốt. Ba chất hoạt tính của niken, mangan và coban có thể dễ dàng pha trộn cho phù hợp với nhiều ứng dụng cho hệ thống lưu trữ năng lượng và ô tô (EES) cần phải đi xe đạp thường xuyên.
Bảng tóm tắt đặc tính của pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide:
| Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide: LiNiMnCoO2 – catot, graphite – anot Dạng rút gọn: NMC (NCM, CMN, CNM, MNC, MCN – tương tự với các kết hợp kim loại khỏc nhau) Từ năm 2008 | |
| Điện áp | 3.60V, danh nghĩa; phạm vi hoạt động: 3.0–4.2V/cell, hoặc cao hơn |
| Năng lượng riêng | 150–220Wh/kg |
| Sạc (C-rate) | 0.7–1C, sạc đến 4.20V, có một số có thể sạc đến 4.30V; sạc trong 3 giờ. Dòngđiện sạc trên 1C sẽ rút ngắn tuổi thọ của pin. |
| Xả (C-rate) | 1C; một số tế bào có thể đến 2C; 2.50V sẽ cắt |
| Chu kỳ sạc-xả | 1000–2000 lần (liên quan đến xả sâu, nhiệt độ) |
| Thoát nhiệt | 210°C (410°F) . Quátrình sạc thúc đẩy sự thoát nhiệt. |
| Ứng dụng | Xe đạp điện, thiết bị y tế, công nghiệp |
| Đánh giá | Cung cấp năng lượng cao và công suất cao. Sử dụng nhiều mục đích trong hóa học. Thị phần đang gia tăng. |
Tìm hiểu về các loại pin lithium-ion khi sửa chữa ô tô là một phần quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình bảo dưỡng và sửa chữa các loại xe điện và xe hybrid. Sự hiểu biết về đặc điểm kỹ thuật, quy trình xử lý và các biện pháp an toàn liên quan đến pin lithium-ion giúp kỹ thuật viên làm việc một cách cẩn trọng, giảm thiểu rủi ro và tăng cường tuổi thọ của pin.
