Cách bảo trì pin lithium để kéo dài tuổi thọ sử dụng?

Hiểu về Tuổi thọ Pin Lithium và Chu kỳ Sạc

Tại sao Tuổi thọ Pin Lithium Được Đo bằng Chu kỳ Sạc

Pin lithium không thực sự bị lão hóa nhiều theo thời gian tồn trữ. Lý do chính khiến chúng bị hao mòn là do căng thẳng điện hóa xảy ra khi sạc và xả lặp đi lặp lại. Điều đó làm cho việc đếm số chu kỳ sạc trở thành cách chính xác hơn để dự đoán tuổi thọ của pin, thay vì chỉ xét theo thời gian sử dụng. Khi nói về một chu kỳ đầy đủ, nghĩa là đã sử dụng hết 100% dung lượng pin, dù là dùng một lần hay tích lũy qua nhiều lần sử dụng nhỏ trong ngày. Với các loại pin lithium-ion thông thường dành cho người tiêu dùng, người ta thường coi là hết hạn khi pin bắt đầu giữ được ít hơn 80% công suất ban đầu, điều này thường xảy ra ở khoảng từ 300 đến 1.500 chu kỳ. Nhưng hiện nay có một điều thú vị đang diễn ra với các loại pin LiFePO4 mới hơn được thiết kế cho ứng dụng công nghiệp. Những viên pin mạnh mẽ này thường có thể vượt qua mức 6.000 chu kỳ vì hóa chất của chúng ổn định hơn và được trang bị hệ thống quản lý tích hợp tốt hơn, giúp bảo vệ các điện cực khỏi hư hại theo thời gian.

Độ sâu xả ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ chu kỳ

Việc xả điện ở mức nông giúp kéo dài đáng kể tuổi thọ pin bằng cách giảm thiểu áp lực cơ học và hóa học lên các thành phần bên trong. Vận hành trong phạm vi 20%—80% trạng thái sạc (SOC) giúp giảm hiện tượng mạ lithium và oxy hóa cực dương so với các chu kỳ đầy đủ từ 0% đến 100%. Bảng dưới đây minh họa tác động của độ sâu xả (DoD) đến tuổi thọ chu kỳ và dung lượng theo thời gian:

Sự gia tăng bốn lần về tuổi thọ chu kỳ này là kết quả của việc giảm sự phân hủy chất điện phân và giảm biến dạng cơ học trong quá trình sạc bán phần, đặc biệt ở mức trên 90% SOC khi tốc độ di chuyển ion chậm lại và ứng suất tăng lên.

Nghiên cứu thực tế: So sánh việc sử dụng từ 20%—80% và 0%—100% và tác động đến tuổi thọ

Một mô phỏng pin xe EV năm 2024 đã theo dõi hai hành vi sạc trong vòng năm năm:

• Nhóm A: Sạc nhanh thường xuyên từ 0% đến 100%
• Nhóm B: sạc chậm từ 20% đến 80% với chu kỳ đầy đủ hàng tháng để hiệu chuẩn

Nhóm B duy trì 92% công suất , trong khi Nhóm A chỉ giữ được 68%. Kết quả cho thấy việc tránh các mức điện áp cực đại giúp bảo tồn khả năng di chuyển của ion lithium và làm giảm suy giảm. Do đó, nhiều nhà sản xuất hiện nay đã cấu hình mặc định hệ thống BMS giới hạn mức sạc hàng ngày ở 80%, chỉ sạc 100% khi cần thiết.

Chiến lược: Sử dụng sạc một phần để giảm hao mòn và kéo dài tuổi thọ

Để tối đa hóa số chu kỳ sử dụng của pin, hãy áp dụng các phương pháp dựa trên bằng chứng sau:

• Thiết lập giới hạn sạc hàng ngày ở mức 80%; chỉ tạm ngưng khi đi chuyến xa dài
• Sạc lại khi dung lượng đạt mức 30%—40%để tránh xả sâu
• Sử dụng bộ sạc được nhà sản xuất chứng nhận, có khả năng giảm dòng điện (sạc giảm dần) khi SOC trên 90%

Các thiết bị tuân theo cách tiếp cận này thể hiện tình trạng suy giảm dung lượng chậm hơn 23% so với các mô hình sạc không giới hạn, theo dữ liệu hiệu suất thực tế từ các chương trình giám sát xe điện (EV) và thiết bị điện tử tiêu dùng.

Thói quen sạc tối ưu để bảo vệ sức khỏe pin Lithium

Nguy cơ sạc quá mức và duy trì pin ở mức sạc 100%

Pin lithium bị suy giảm nhanh hơn khi được giữ ở trạng thái sạc đầy liên tục thay vì chỉ sạc một phần, theo nghiên cứu từ NREL vào năm 2023. Tốc độ suy giảm tăng khoảng 30 phần trăm trong những điều kiện này. Mặc dù hầu hết các thiết bị đều có hệ thống tích hợp để ngừng sạc khi đầy, nhưng vẫn còn hiện tượng mà chúng ta gọi là sạc nhỏ giọt (trickle charging) diễn ra nền. Khi pin ở mức điện áp cao trong thời gian dài, điều này tạo ra căng thẳng oxy hóa bên trong chúng. Điều gì xảy ra tiếp theo? Chất điện phân bị phân hủy và các lớp điện trở gây phiền toái bắt đầu hình thành trên các điện cực. Tình hình trở nên tồi tệ hơn khi nhiệt độ tăng lên. Ở nhiệt độ cao hơn, các ion lithium bị kẹt lại trong các cấu trúc tinh thể không ổn định bên trong pin. Điều này làm cho dòng điện khó lưu thông hơn, do đó pin dần mất khả năng lưu trữ lượng điện như trước.

Cách Mức Điện Áp Sạc Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Pin Về Lâu Dài

Khi các tế bào lithium được sạc vượt quá 4,2 volt mỗi tế bào, chúng bắt đầu lão hóa nhanh hơn nhiều so với bình thường. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng việc tăng điện áp lên khoảng 4,35 volt khiến pin bị mất khoảng 15% dung lượng chỉ trong vòng 50 chu kỳ sạc. Ngược lại, giảm điện áp xuống chỉ 0,15 volt giúp kéo dài tuổi thọ của những viên pin này đáng kể vì làm giảm áp lực lên các thành phần điện cực nhỏ bé bên trong. Hầu hết các nhà sản xuất pin thông minh đều nắm rõ thủ thuật này. Họ thiết kế sản phẩm sao cho quá trình sạc sẽ dừng lại ở mức từ 90% đến 95% điện áp tối đa. Mặc dù điều này có nghĩa là năng lượng sẵn có sẽ ít hơn một chút ngay lập tức, nhưng bù lại, về lâu dài, pin sẽ không bị hao mòn nhanh như trước.

Chiến Lược: Tuân Theo Phạm Vi Sạc Được Nhà Sản Xuất Khuyên Dùng

Sử dụng dải sạc từ 20 đến 80 phần trăm giúp duy trì tình trạng khỏe mạnh của pin lithium theo thời gian. Khi lưu trữ các thiết bị ít sử dụng, hãy sạc khoảng một nửa thay vì sạc đầy. Việc kiểm tra nhanh mỗi tháng một lần giúp ổn định thiết bị mà không làm cạn hoàn toàn pin. Tốt hơn hết nên chọn các bộ sạc có thể điều chỉnh điện áp theo nhu cầu thay vì dùng bất kỳ bộ sạc nhanh nào có sẵn. Nghiên cứu cho thấy các phương pháp sạc thông minh này thực sự có thể kéo dài tuổi thọ pin từ 18 đến 22 phần trăm vì chúng kiểm soát các điểm chịu tải nơi điện năng quá lớn có thể gây hư hại. Hầu hết mọi người nhận thấy thiết bị của họ hoạt động lâu dài hơn khi áp dụng cách tiếp cận này.

Quản lý Nhiệt độ để Ngăn Ngừa Sự Suy giảm của Pin Lithium-Ion

Cách Nhiệt Độ Làm Tăng Tốc Độ Phá Hủy Hóa Học trong Pin Lithium

Khi nhiệt độ quá cao, nhiều hiện tượng xấu khác nhau bắt đầu xảy ra bên trong các pin lithium. Nhiệt độ về cơ bản làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học không mong muốn mà chúng ta gọi là quá trình ký sinh. Chúng ta thấy chất điện phân bị phân hủy nhanh hơn, các điện cực bị ăn mòn, và hiện tượng mạ lithium nguy hiểm bắt đầu xuất hiện. Nếu pin bị tiếp xúc lâu với nhiệt độ trên khoảng 45 độ C (khoảng 113 độ F), chúng thường sẽ mất khoảng 6 đến 7 phần trăm dung lượng chỉ sau 200 chu kỳ sạc. Tệ hơn nữa, nhiệt độ quá cao khiến pin phải hoạt động vất vả hơn do tăng điện trở nội bộ. Điều này dẫn đến hiệu suất tổng thể thấp hơn và tạo điều kiện thuận lợi cho tình trạng mất kiểm soát nhiệt độ. Và cũng đừng quên rằng ngay cả những lần tiếp xúc ngắn với nhiệt độ cao khi đang sạc hay đang vận hành cũng có thể gây hư hại vĩnh viễn mà không thể khắc phục được sau đó.

Nghiên cứu thực tế: Khả năng giữ dung lượng pin trên xe EV ở các vùng khí hậu nóng và ôn hòa

Các xe chạy bằng điện thường bị giảm khoảng 20% dung lượng pin nhiều hơn sau khi di chuyển 50.000 dặm nếu chúng được sử dụng ở những nơi rất nóng, nơi nhiệt độ trung bình khoảng 35 độ C, so với các khu vực mát mẻ hơn có nhiệt độ trung bình khoảng 20 độ. Các phòng thí nghiệm cũng đã kiểm tra điều này. Khi pin được lưu trữ ở nhiệt độ trên 30 độ C, chúng bắt đầu mất dung lượng với tốc độ khoảng 3 đến 5 phần trăm mỗi tháng. Nhưng nếu giữ chúng ở mức từ 15 đến 25 độ C, hầu hết sẽ duy trì được khoảng 95% dung lượng ban đầu ngay cả sau một năm đầy đủ. Điều này lý giải vì sao việc giữ cho pin luôn mát lại quan trọng đến vậy đối với hiệu suất hoạt động theo thời gian.

Chiến lược: Tránh Nhiệt Độ Cực Đoan Khi Sử Dụng và Sạc

• Phạm vi hoạt động : Duy trì nhiệt độ pin trong khoảng từ 15°C (59°F) đến 40°C (104°F)
• Biện Pháp Phòng Ngừa Khi Sạc : Không bao giờ sạc ở nhiệt độ dưới 0°C (32°F) hoặc trên 45°C (113°F) để tránh hiện tượng bám lithium và phân hủy chất điện phân
• Quản lý nhiệt : Sử dụng làm mát thụ động (ví dụ: tản nhiệt) cho các hệ thống cố định và làm mát chủ động (ví dụ: làm mát bằng chất lỏng) trong các ứng dụng hiệu suất cao
• Bảo quản : Bảo quản pin ở mức sạc 40—60% trong môi trường được điều chỉnh nhiệt độ

Duy trì sự cân bằng nhiệt này có thể giảm suy giảm dung lượng lên đến 30% trong suốt thời gian sử dụng pin.

Các phương pháp tốt nhất để lưu trữ pin lithium dài hạn

Nguy cơ khi lưu trữ pin lithium ở trạng thái đầy điện hoặc cạn hoàn toàn

Việc lưu trữ pin lithium ở trạng thái sạc đầy sẽ làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học bên trong, dẫn đến phân hủy chất điện phân và hư hại vật liệu cực dương, khiến dung lượng giảm khoảng 20% mỗi năm. Ngược lại, để pin xả hoàn toàn cũng gây ra những vấn đề riêng. Khi pin ở trạng thái cạn kiệt trong thời gian dài, các hiện tượng như chập mạch do đồng và lưu huỳnh hóa vĩnh viễn sẽ tích tụ, thường khiến pin trở nên vô dụng. Những trạng thái cực đoan này phá vỡ sự cân bằng hóa học tinh tế trong các tế bào pin, làm tăng khả năng xảy ra sự cố khi cố gắng kích hoạt lại pin sau thời gian ngưng hoạt động.

Trạng thái sạc lý tưởng (40%—60%) để lưu trữ dài hạn

Nghiên cứu từ năm 2023 khảo sát khoảng 12.000 pin lithium-ion đã cho thấy một điều thú vị. Các tế bào được duy trì ở mức độ sạc khoảng 50% vẫn giữ được dung lượng khoảng 96% sau 18 tháng lưu trữ trên kệ. Điều này thực sự ấn tượng khi so sánh với những tế bào để ở trạng thái sạc đầy, vốn mất đi khoảng 34% dung lượng nhiều hơn trong cùng khoảng thời gian. Việc duy trì pin ở mức sạc từ 40% đến 60% dường như là tối ưu nhất vì nhiều lý do. Trước tiên, điều này giúp ngăn ngừa hiện tượng mạ lithium và giảm áp lực lên vật liệu cực âm. Hơn nữa, điện trở bên trong vẫn tương đối ổn định trong suốt quá trình lưu trữ. Điều gì khiến phạm vi này đặc biệt đến vậy? Thực tế, các pin nằm trong khoảng lý tưởng này thường chỉ tự xả khoảng 2 đến 3% mỗi tháng. Tốc độ chậm này có nghĩa là chúng sẽ không giảm xuống mức nguy hiểm ngay cả khi được lưu trữ trong thời gian dài mà không kiểm tra bảo dưỡng định kỳ.

Chiến lược: Lưu trữ Pin ở Nơi Khô Ráo, Mát và Với Mức Sạc Một Phần

Giữ pin được lưu trữ ở nơi có nhiệt độ khoảng nhiệt độ phòng, lý tưởng nhất là giữa khoảng 15 độ C và 25 độ C (tương đương khoảng 59 đến 77 độ F), sẽ giúp giảm đáng kể sự phân hủy hóa học bên trong chúng. Nghiên cứu cho thấy điều này có thể làm giảm tốc độ lão hóa khoảng 60% so với việc lưu trữ ở nhiệt độ cao hơn như 35 độ C. Về độ ẩm, tốt nhất nên đặt chúng trong các hộp kín cùng với những gói gel silica nhỏ mà tất cả chúng ta đều biết từ các hộp đóng gói, đặc biệt nếu không khí trong khu vực lưu trữ khô hơn 50% độ ẩm tương đối. Và đối với những ai dự định giữ pin không sử dụng trong thời gian dài, ví dụ trên sáu tháng, thì có một bước quan trọng khác cần ghi nhớ. Hãy sạc phần nửa lại lên mức khoảng 50% dung lượng mỗi sáu tháng một lần. Việc bảo trì đơn giản này ngăn ngừa các vấn đề liên quan đến sự tách lớp chất điện phân và giữ cho lớp giao diện điện phân rắn bảo vệ duy trì ổn định, điều này rất quan trọng đối với tuổi thọ của pin.

Giảm mài mòn do sạc nhanh và các mẫu sử dụng

Cách sạc nhanh góp phần làm suy giảm pin lithium

Khi sạc pin nhanh, các ion lithium bên trong phải di chuyển qua lại giữa các điện cực với tốc độ cao. Điều này tạo ra áp lực lớn lên cấu trúc tinh thể trong cả vật liệu anode và cathode. Nghiên cứu từ khoảng năm 2022 đã chỉ ra một điều thú vị về tần suất người dùng hiện nay sạc pin siêu nhanh. Nghiên cứu này xem xét những gì xảy ra khi ai đó sạc pin lên ít nhất 80% chỉ trong vòng nửa giờ bằng phương pháp sạc nhanh DC. Sau khi lặp lại quá trình này khoảng 500 lần, điện trở bên trong tăng lên khoảng 18% so với các phương pháp sạc thông thường. Vậy điều gì đang diễn ra? Thực tế, việc các ion di chuyển quá nhanh bắt đầu tạo ra những vết nứt nhỏ li ti trên lớp phủ của các điện cực. Và còn một vấn đề khác nữa: lithium có xu hướng bám vào bề mặt theo cách không thể đảo ngược. Hai vấn đề này cùng nhau khiến lượng vật liệu hoạt động tham gia lưu trữ năng lượng giảm đi, dẫn đến dung lượng tổng thể bị suy giảm theo thời gian.

Nhiệt và ứng suất dòng điện trong các chu kỳ sạc nhanh

Dòng điện cao và nhiệt độ cao trong quá trình sạc nhanh làm gia tăng hai con đường suy giảm chính:

• Mạ Lithium : Các ion dư thừa bám vào cực âm dưới dạng lithium kim loại, làm mất vĩnh viễn vật liệu hoạt tính
• Phân hủy chất điện phân : Sạc ở nhiệt độ trên 45°C (113°F) làm tăng tốc độ phân hủy chất điện phân lên 2,7 lần — (Tạp chí Nguồn điện, 2023)

Một nghiên cứu kéo dài 12 tháng về đội xe giao hàng sử dụng xe điện cho thấy các pin chỉ dựa vào sạc nhanh đã mất nhiều hơn 23% dung lượng so với những xe sử dụng phương pháp sạc cân bằng.

Chiến lược: Hạn chế việc sạc nhanh thường xuyên để bảo vệ sức khỏe lâu dài

Chỉ sử dụng sạc nhanh khi thực sự cần thiết – các nhà sản xuất như Tesla và LG khuyến nghị không nên vượt quá ba lần mỗi tuần . Khi có thể:

1. Sạc ở tốc độ ½ C (ví dụ: 4 giờ cho pin 75 kWh)
2. Giới hạn sạc nhanh ở mức 80% để giảm áp suất điện áp và nhiệt
3. Cho phép thời gian làm mát 30 phút trước khi lái xe sau khi sạc nhanh

Chiến lược lai này có thể kéo dài tuổi thọ pin lên đến 30—40%so với việc chỉ sử dụng sạc nhanh, theo báo cáo di động DOE 2023.

Câu hỏi thường gặp

Làm cách nào để kéo dài tuổi thọ của pin lithium?

Để kéo dài tuổi thọ của pin lithium, hãy tránh tiếp xúc với nhiệt độ cực đoan, sử dụng chế độ sạc một phần (giữ mức sạc giữa 20%–80% SOC) và không nên thường xuyên sạc nhanh.

Phạm vi sạc tối ưu để lưu trữ pin lithium là bao nhiêu?

Mức sạc tối ưu để lưu trữ pin lithium trong thời gian dài là từ 40%–60%.

Việc sạc nhanh ảnh hưởng đến sức khỏe pin lithium như thế nào?

Sạc nhanh làm tăng ứng suất bên trong bằng cách gây ra hiện tượng mạ lithium và phân hủy chất điện phân nhanh hơn, dẫn đến suy giảm dung lượng nhanh hơn theo thời gian.

Tại sao pin lithium không nên được giữ ở trạng thái đầy hoặc cạn hoàn toàn?

Việc lưu trữ pin lithium ở trạng thái đầy sẽ làm tăng tốc độ các phản ứng hóa học gây suy giảm dung lượng, trong khi lưu trữ ở trạng thái cạn hoàn toàn có thể dẫn đến hư hỏng vĩnh viễn như hiện tượng đoản mạch đồng.