Tất cả những gì bạn cần biết về li

Trừ khi một số Tony Stark bước vào và phát minh ra lò phản ứng Arc hoặc nghiên cứu trong Vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) để truyền Năng lượng không dây được thông qua, con người chúng ta phải phụ thuộc vào Pin để cấp nguồn cho các thiết bị điện tử cầm tay hoặc từ xa của chúng ta. Loại pin sạc phổ biến nhất mà bạn tìm thấy trong các thiết bị điện tử tiêu dùng là Lithium ion hoặc loại Lithium Polymer. Trong bài viết này, chúng ta sẽ quan tâm đến Pin Li-ion vì chúng có xu hướng hữu ích hơn tất cả các loại khác. Có thể là một ngân hàng điện nhỏ hoặc một máy tính xách tay hoặc một cái gì đó lớn như Model 3 mới của Tesla, mọi thứ đều được cung cấp bởi pin Lithium-ion.

Điều gì làm cho những viên pin này trở nên đặc biệt? Bạn nên biết gì về nó trước khi sử dụng nó trong các dự án / thiết kế của mình? Bạn sẽ sạc hoặc xả những viên pin này như thế nào một cách an toàn? Nếu bạn tò mò muốn biết câu trả lời cho tất cả những câu hỏi này thì bạn đã đến đúng bài viết, chỉ cần ngồi lại và đọc qua trong khi tôi sẽ cố gắng giữ cho điều này thú vị nhất có thể.

Lịch sử pin Lithium-Ion

Ý tưởng về pin Lithium Ion được GN Lewis đưa ra lần đầu tiên vào năm 1912, nhưng nó chỉ trở nên khả thi vào những năm 1970 và pin lithium không thể sạc lại đầu tiên đã được đưa vào thị trường thương mại. Sau đó vào năm 1980, các kỹ sư đã cố gắng tạo ra pin sạc đầu tiên sử dụng lithium làm vật liệu cực dương và đã thành công một phần. Họ không nhận thấy rằng những loại pin lithium này không ổn định trong quá trình sạc và nó sẽ tạo ra một đoạn ngắn bên trong pin làm tăng nhiệt độ và gây ra hiện tượng thoát nhiệt.

Năm 1991, một viên pin lithium được sử dụng trong điện thoại di động đã phát nổ trên khuôn mặt của một người đàn ông ở Nhật Bản. Chỉ sau sự cố này, người ta mới nhận ra rằng pin Li-ion cần được xử lý hết sức thận trọng. Một số lượng lớn các loại pin này được đưa vào thị trường sau đó đã bị các nhà sản xuất thu hồi vì vấn đề an toàn. Sau đó, sau nhiều nghiên cứu, Sony đã giới thiệu pin Li-ion tiên tiến với hóa chất mới đang được sử dụng cho đến nay. Hãy kết thúc các bài học lịch sử ở đây và xem xét hóa học của pin Lithium Ion.

Hóa học và hoạt động của pin Li-ion

Như cái tên đã chỉ rõ, pin Lithium Ion sử dụng các ion Lithium để hoàn thành công việc. Lithium là kim loại rất nhẹ với mật độ năng lượng cao, đặc tính này giúp pin có trọng lượng nhẹ và cung cấp dòng điện cao với hệ số hình thức nhỏ. Mật độ năng lượng là lượng năng lượng có thể được lưu trữ trong một đơn vị thể tích của pin, mật độ năng lượng càng cao thì pin càng nhỏ. Mặc dù có các đặc tính áp đảo của kim loại lithium, nhưng nó không thể được sử dụng làm điện cực trực tiếp trong pin vì lithium rất không ổn định vì bản chất kim loại của nó. Do đó, chúng tôi sử dụng các ion liti ít nhiều có cùng tính chất của kim loại liti nhưng nó là phi kim loại và tương đối an toàn hơn khi sử dụng.

Thông thường, cực dương của pin Lithium được làm bằng Carbon và cực âm của pin được làm bằng oxit Coban hoặc một số oxit kim loại khác. Chất điện phân được sử dụng để nối hai điện cực này sẽ là một dung dịch muối đơn giản có chứa các ion liti. Khi phóng điện các ion liti mang điện tích dương di chuyển về phía catốt và bắn phá nó cho đến khi nó trở nên tích điện dương. Bây giờ vì cực âm tích điện dương nên nó hút các điện tử mang điện tích âm về phía nó. Các electron này được tạo ra để chạy qua mạch của chúng ta, do đó cung cấp năng lượng cho mạch.

Tương tự trong khi sạc, điều ngược lại hoàn toàn xảy ra. Các electron từ các điện tích chảy vào pin và do đó các ion liti di chuyển về phía cực dương làm cho cực âm mất điện tích dương.

Giới thiệu về Pin Lithium Ion

Lý thuyết đã đủ về Pin Lithium Ion, bây giờ chúng ta hãy thực tế tìm hiểu về các tế bào này để chúng ta có thể tự tin về chúng để sử dụng trong các dự án của mình. Loại pin Lithium Ion được sử dụng phổ biến nhất là 18650 Cell, vì vậy sẽ thảo luận về loại pin này trong bài viết này. Một ô 18650 điển hình được hiển thị trong hình ảnh bên dưới

Giống như tất cả các loại pin, pin Li-ion cũng có xếp hạng điện áp và dung lượng. Đánh giá điện áp danh định cho tất cả các tế bào lithium sẽ là 3,6V, vì vậy bạn cần đặc điểm kỹ thuật điện áp cao hơn, bạn phải kết hợp hai hoặc nhiều ô trong chuỗi để đạt được nó. Theo mặc định, tất cả các tế bào ion lithium sẽ có điện áp danh định chỉ ~ 3,6V. Điện áp này có thể được phép giảm xuống tối đa 3.2V khi được xả đầy và tăng lên đến 4.2V khi được sạc đầy. Luôn nhớ rằng xả pin dưới 3.2V hoặc sạc trên 4.2V sẽ làm hỏng pin vĩnh viễn và cũng có thể trở thành công thức cho pháo hoa. Hãy phân tích các thuật ngữ liên quan đến pin 18650 để chúng ta có thể hiểu rõ hơn. Hãy nhớ rằng những giải thích này chỉ áp dụng cho một ô 18650 duy nhất, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về các bộ pin Li-ion sau này, nơi nhiều hơn một ô được kết nối nối tiếp hoặc song song để có được xếp hạng điện áp và dòng điện cao hơn nhiều.

Điện áp danh định: Điện áp danh định là định mức điện áp thực tế của một tế bào 18650. Theo mặc định, nó là 3.6V và sẽ giữ nguyên cho tất cả 18650 tế bào bất chấp các nhà sản xuất của nó.

Điện áp xả hoàn toàn: Một cell 18650 không bao giờ được phép phóng điện dưới 3.2V, không làm như vậy sẽ làm thay đổi điện trở bên trong của pin, điều này sẽ làm hỏng pin vĩnh viễn và cũng có thể dẫn đến nổ

Điện áp sạc đầy: Điện áp sạc cho pin lithium ion là 4,2V. Cần cẩn thận để điện áp tế bào không tăng 4,2V tại bất kỳ thời điểm nào.

Xếp hạng mAh: Dung lượng của một tế bào thường được đưa ra dưới dạng xếp hạng mAh (Milli Ampe giờ). Giá trị này sẽ thay đổi tùy theo loại ô bạn đã mua. Ví dụ, giả sử tế bào của chúng ta ở đây là 2000mAh, không là gì khác ngoài 2Ah (Ampe / giờ). Điều này có nghĩa là nếu chúng ta rút 2A từ pin này, nó sẽ kéo dài trong 1 giờ và tương tự nếu chúng ta rút 1A từ pin này, nó sẽ kéo dài trong 2 giờ. Vì vậy, nếu bạn muốn biết pin sẽ cung cấp năng lượng cho bạn chiếu trong bao lâu (Thời gian chạy) thì bạn phải tính nó bằng cách sử dụng Xếp hạng mAh.

Thời gian chạy (tính bằng giờ) = Dòng được rút ra / Xếp hạng mAh

Trong đó, dòng điện được rút ra phải nằm trong giới hạn xếp hạng C.

Xếp hạng C: Nếu bạn từng thắc mắc lượng dòng điện tối đa mà bạn có thể tạo ra từ pin là bao nhiêu thì câu trả lời của bạn có thể nhận được từ xếp hạng C của pin. Xếp hạng C của pin lại thay đổi đối với mỗi pin, giả sử rằng pin chúng ta có là pin 2Ah với xếp hạng 3C. Giá trị 3C có nghĩa là pin có thể xuất ra gấp 3 lần định mức Ah được coi là dòng điện tối đa của nó. Trong trường hợp này, nó có thể cung cấp dòng điện tối đa 6A (3 * 2 = 6). Thông thường 18650 ô chỉ có xếp hạng 1C.

Dòng điện tối đa lấy ra từ pin = Xếp hạng C * Xếp hạng Ah

Dòng sạc: Một thông số kỹ thuật quan trọng khác của pin cần lưu ý là dòng sạc của nó. Chỉ vì pin có thể cung cấp dòng điện tối đa là 6A không có nghĩa là nó có thể sạc bằng 6A. Dòng sạc tối đa của pin sẽ được đề cập trong biểu dữ liệu của pin vì nó thay đổi tùy theo pin. Thông thường nó sẽ là 0,5C, nghĩa là một nửa giá trị của xếp hạng Ah. Đối với pin định mức 2Ah, dòng sạc sẽ là 1A (0,5 * 2 = 1).

Thời gian sạc: Thời gian sạc tối thiểu cần thiết cho một ô 18650 để sạc có thể được tính toán bằng cách sử dụng giá trị của dòng sạc và xếp hạng Ah của pin. Ví dụ: sạc pin 2Ah với dòng sạc 1A sẽ mất khoảng 2 giờ để sạc, giả sử bộ sạc chỉ sử dụng phương pháp CC để sạc pin.

Điện trở bên trong (IR): Sức khỏe và dung lượng của pin có thể được dự đoán bằng cách đo điện trở bên trong của pin. Đây không phải là giá trị của điện trở giữa cực dương (dương) và cực âm (âm) của pin. Giá trị điển hình của IR của một ô sẽ được đề cập trong biểu dữ liệu. Nó càng chênh lệch so với giá trị thực tế thì pin sẽ càng kém hiệu quả. Giá trị của IR cho một ô 18650 sẽ nằm trong phạm vi mili ohm và có các công cụ chuyên dụng để đo giá trị của IR.

Phương pháp sạc: Có nhiều phương pháp được thực hiện để sạc pin li-ion. Nhưng phổ biến nhất được sử dụng là cấu trúc liên kết 3 bước. Ba bước là CC, CV và sạc nhỏ giọt. Ở chế độ CC (Dòng điện không đổi), tế bào được sạc với dòng sạc không đổi bằng cách thay đổi điện áp đầu vào. Chế độ này sẽ hoạt động cho đến khi pin được sạc đến một mức nhất định, sau đó là CV (Điện áp không đổi)chế độ bắt đầu khi điện áp sạc được duy trì thường là 4,2V. Chế độ cuối cùng là sạc xung hoặc sạc nhỏ giọt trong đó các xung dòng điện nhỏ được truyền đến pin để cải thiện vòng đời của pin. Ngoài ra còn có những bộ sạc phức tạp hơn bao gồm 7 bước sạc. Chúng tôi sẽ không đi sâu vào chủ đề này vì nó nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Nhưng nếu bạn quan tâm đến việc biết, hãy đề cập đến phần bình luận và tôi sẽ viết một bài riêng về sạc pin Li-ion.

State Of Charge (SOC)%: Trạng thái sạc không là gì khác ngoài dung lượng của pin, tương tự như trạng thái hiển thị trong điện thoại di động của chúng tôi. Dung lượng của pin không thể được tính toán rõ ràng bằng van điện áp của nó, nó thường được tính bằng cách sử dụng tích hợp dòng điện để xác định sự thay đổi dung lượng pin theo thời gian.

Độ sâu khi xả (DOD)%: Mức pin có thể xả được do DOD đưa ra. Không có pin nào sẽ phóng điện 100% vì chúng ta đã biết nó sẽ làm hỏng pin. Thông thường, độ sâu xả 80% được đặt cho tất cả các pin.

Kích thước ô: Một tính năng độc đáo và thú vị khác của ô 18650 là kích thước của nó. Mỗi ô sẽ có đường kính 18mm và cao 650mm khiến ô này có tên là 18650.

Nếu bạn muốn có thêm định nghĩa thuật ngữ thì hãy xem tài liệu về thuật ngữ Pin của MIT, nơi bạn chắc chắn sẽ tìm thấy các thông số kỹ thuật khác liên quan đến pin.

Cách dễ nhất để sử dụng ô 18650

Nếu bạn là một người mới hoàn chỉnh và chỉ mới bắt đầu với 18650 cell để cung cấp năng lượng cho dự án của mình, thì cách dễ nhất là sử dụng các mô-đun làm sẵn có thể sạc và xả 18650 cell của bạn một cách an toàn. Chỉ có mô-đun như vậy là mô-đun TP4056 có thể xử lý một ô 18650 duy nhất.

Nếu dự án của bạn yêu cầu điện áp đầu vào nhiều hơn 3,6V thì bạn có thể muốn kết hợp hai ô 18650 mắc nối tiếp để có được điện áp 7,4V. Trong trường hợp này, hãy sử dụng mô-đun như mô-đun pin Li-ion 2S 3A sẽ hữu ích trong việc sạc và xả pin một cách an toàn.

Để kết hợp hai hoặc nhiều 18650 tế bào, chúng ta không thể sử dụng kỹ thuật hàn thông thường để tạo kết nối giữa cả hai, thay vào đó, quá trình gọi là hàn điểm được sử dụng. Ngoài ra, trong khi kết hợp 18650 ô theo chuỗi hoặc song song cần cẩn thận hơn được thảo luận trong đoạn sau.

Bộ pin Li-ion (các ô nối tiếp và song song)

Để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử nhỏ cầm tay hoặc các thiết bị nhỏ, một tế bào 18650 đơn lẻ hoặc nhiều nhất là một cặp trong số chúng nối tiếp sẽ thực hiện thủ thuật. Trong loại ứng dụng này, độ phức tạp ít hơn vì số lượng pin liên quan ít hơn. Nhưng đối với các ứng dụng lớn hơn như Chu trình điện / Máy lau nhà hoặc ô tô Tesla, chúng ta sẽ cần kết nối nhiều tế bào này theo kiểu nối tiếp và song song để đạt được điện áp và công suất đầu ra mong muốn. Ví dụ, ô tô Tesla chứa hơn 6800 tế bào lithium, mỗi tế bào xếp hạng 3,7V và 3,1Ah. Hình ảnh dưới đây cho thấy nó được bố trí như thế nào bên trong khung gầm của ô tô.

Với số lượng nhiều tế bào cần theo dõi này, chúng ta cần một mạch chuyên dụng có thể sạc, theo dõi và xả các tế bào này một cách an toàn. Hệ thống chuyên dụng này được gọi là Hệ thống giám sát pin (BMS). Công việc của BMS là theo dõi điện áp từng tế bào của mỗi tế bào lithium ion và cũng kiểm tra nhiệt độ của nó. Ngoài ra, một số BMS cũng giám sát dòng sạc và xả của hệ thống.

Khi kết hợp nhiều hơn hai tế bào để tạo thành một gói, cần lưu ý rằng chúng có cùng hóa học, điện áp, xếp hạng Ah và Điện trở bên trong. Ngoài ra, trong khi sạc các tế bào, BMS đảm bảo rằng chúng được sạc đều và xả đều để tại bất kỳ thời điểm nào tất cả các pin đều duy trì cùng một điện áp, đây được gọi là Cân bằng tế bào. Ngoài ra, nhà thiết kế cũng phải lo lắng về việc làm mát những viên pin này trong khi sạc và xả vì chúng không phản ứng tốt trong điều kiện nhiệt độ cao.

Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn đầy đủ thông tin chi tiết để bạn có được một chút tự tin với tế bào Li-ion. Nếu bạn có bất kỳ nghi ngờ cụ thể nào, vui lòng để lại trong phần bình luận và tôi sẽ cố gắng hết sức để phản hồi lại. Cho đến lúc đó vui vẻ mày mò.