Các loại pin khác nhau và ứng dụng của chúng

Pin là một tập hợp của một hoặc nhiều tế bào trải qua các phản ứng hóa học để tạo ra dòng electron trong mạch. Có rất nhiều nghiên cứu và tiến bộ đang diễn ra trong công nghệ pin, và kết quả là các công nghệ đột phá đang được trải nghiệm và sử dụng trên khắp thế giới hiện nay. Pin ra đời do nhu cầu lưu trữ năng lượng điện được tạo ra. Khi một lượng năng lượng tốt đã được tạo ra, điều quan trọng là phải tích trữ năng lượng để nó có thể được sử dụng khi ngừng phát điện hoặc khi cần cấp nguồn cho các thiết bị độc lập không thể giữ được nguồn điện từ nguồn điện lưới. Ở đây cần lưu ý rằng chỉ có thể lưu trữ DC trong pin, không thể lưu trữ dòng điện AC.

Tế bào pin thường được tạo thành từ ba thành phần chính;

Cực dương (Điện cực âm)
Cathode (Điện cực dương)
Các chất điện giải

Cực dương là một điện cực âm tạo ra các electron ra mạch bên ngoài mà pin được kết nối với. Khi pin được kết nối, sự tích tụ điện tử được bắt đầu ở cực dương, gây ra sự chênh lệch điện thế giữa hai điện cực. Các electron tự nhiên sau đó cố gắng tự phân bố lại, điều này bị ngăn bởi chất điện phân, vì vậy khi một mạch điện được kết nối, nó cung cấp một con đường rõ ràng cho các electron di chuyển từ anot sang catot, do đó cung cấp năng lượng cho mạch mà nó được kết nối. Bằng cách thay đổi cách sắp xếp và vật liệu được sử dụng để chế tạo Anode, Cathode và Electrolyte, chúng ta có thể đạt được nhiều loại hóa chất pin khác nhau cho phép chúng tôi thiết kế các loại pin khác nhau. Trong bài viết này, chúng ta hãy hiểu các loại pin khác nhau và cách sử dụng của chúng, Vậy hãy bắt đầu.

Các loại pin

Pin nói chung có thể được phân thành nhiều loại và loại khác nhau, từ thành phần hóa học, kích thước, yếu tố hình thức và các trường hợp sử dụng, nhưng dưới đây là hai loại pin chính;

Pin chính
Pin phụ

Chúng ta hãy xem xét sâu hơn để hiểu sự khác biệt chính giữa tế bào Nguyên thủy và Tế bào thứ cấp.

1. Pin chính

Pin tiểu là loại pin không thể sạc lại khi đã cạn. Pin tiểu được làm bằng các tế bào điện hóa mà phản ứng điện hóa không thể đảo ngược.

Pin tiểu tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, từ pin đồng xu đến pin AA. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng độc lập, nơi sạc là không thực tế hoặc không thể. Một ví dụ điển hình là trong các thiết bị cấp quân sự và thiết bị chạy bằng pin. Sẽ là không thực tế khi sử dụng pin sạc vì sạc lại pin sẽ là điều cuối cùng trong tâm trí của những người lính. Pin tiểu luôn có năng lượng cụ thể cao và hệ thống sử dụng chúng luôn được thiết kế để tiêu thụ lượng điện năng thấp nhằm giúp pin có tuổi thọ cao nhất có thể.

Một số ví dụ khác về thiết bị sử dụng pin tiểu bao gồm; Các nhà sản xuất Pace, Máy theo dõi động vật, Đồng hồ đeo tay, điều khiển từ xa và đồ chơi trẻ em phải kể đến một số.

Loại pin tiểu phổ biến nhất là pin kiềm. Chúng có năng lượng riêng cao và thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và không bị rò rỉ ngay cả khi được xả hoàn toàn. Chúng có thể được lưu trữ trong vài năm, có hồ sơ an toàn tốt và có thể được mang lên máy bay mà không phải tuân theo Bộ Giao thông vận tải Liên hợp quốc và các quy định khác. Nhược điểm duy nhất của pin kiềm là dòng tải thấp, hạn chế sử dụng nó cho các thiết bị có yêu cầu dòng điện thấp như điều khiển từ xa, đèn pin và các thiết bị giải trí di động.

2. Pin phụ

Pin thứ cấp là pin có các tế bào điện hóa mà các phản ứng hóa học có thể được đảo ngược bằng cách đặt một điện áp nhất định vào pin theo chiều ngược lại. Còn được gọi là pin có thể sạc lại, các tế bào thứ cấp không giống như các tế bào chính có thể được sạc lại sau khi năng lượng trên pin đã được sử dụng hết.

Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng tiêu hao cao và các trường hợp khác, nơi sẽ quá đắt hoặc không khả thi nếu sử dụng pin sạc một lần. Pin thứ cấp dung lượng nhỏ được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại di động và các thiết bị và thiết bị khác trong khi pin nặng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các loại xe điện đa dạng và các ứng dụng tiêu hao cao khác như san lấp mặt bằng tải trong sản xuất điện. Chúng cũng được sử dụng làm nguồn điện độc lập cùng với Biến tần để cung cấp điện. Mặc dù chi phí ban đầu để mua pin sạc luôn cao hơn rất nhiều so với pin tiểu nhưng chúng tiết kiệm chi phí nhất về lâu dài.

Pin thứ cấp có thể được phân loại thành nhiều loại khác dựa trên hóa học của chúng . Điều này rất quan trọng bởi vì hóa học quyết định một số thuộc tính của pin bao gồm năng lượng cụ thể, vòng đời, thời hạn sử dụng và giá cả.

Sau đây là các loại pin sạc dự phòng thường được sử dụng.

Lithium-ion (Li-ion)
Niken Cadmium (Ni-Cd)
Nickel-Metal Hydride (Ni-MH)
Axit-chì

1. Pin Nickel-Cadmium

Pin niken-cadmium (pin NiCd hoặc pin NiCad) là một loại pin có thể sạc lại được phát triển bằng cách sử dụng niken oxit hydroxit và cadimi kim loại làm điện cực. Pin Ni-Cd vượt trội trong việc duy trì điện áp và giữ điện khi không sử dụng. Tuy nhiên, pin NI-Cd dễ dàng trở thành nạn nhân của hiệu ứng “bộ nhớ” đáng sợ khi pin đã sạc một phần được sạc lại, làm giảm dung lượng pin trong tương lai.

So với các loại pin sạc khác, pin Ni-Cd cung cấp vòng đời và hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp với dung lượng tương đối nhưng ưu điểm đáng kể nhất của chúng là khả năng cung cấp toàn bộ dung lượng định mức ở tốc độ xả cao. Chúng có sẵn với các kích cỡ khác nhau bao gồm các kích cỡ được sử dụng cho pin kiềm, AAA đến D. Các tế bào Ni-Cd được sử dụng riêng lẻ hoặc được lắp ráp trong các gói gồm hai hoặc nhiều ô. Các gói nhỏ được sử dụng trong các thiết bị di động, đồ điện tử và đồ chơi trong khi những gói lớn hơn được ứng dụng trong pin khởi động máy bay, Xe điện và nguồn điện dự phòng.

Một số đặc tính của pin Nickel-Cadmium được liệt kê dưới đây.

Năng lượng cụ thể: 40-60W-h / kg
Mật độ năng lượng: 50-150 Wh / L
Công suất cụ thể: 150W / kg
Hiệu suất sạc / xả: 70-90%
Tỷ lệ tự xả: 10% / tháng
Độ bền chu kỳ / tuổi thọ: 2000 vòng

2. Pin Nickel-Metal Hydride

Hiđrua kim loại niken (Ni-MH) là một loại cấu hình hóa học khác được sử dụng cho pin sạc. Phản ứng hóa học ở điện cực dương của pin tương tự như phản ứng của tế bào niken-cađimi (NiCd), với cả hai loại pin đều sử dụng cùng một hiđroxit niken oxit (NiOOH). Tuy nhiên, các điện cực âm trong Nickel-Metal Hydride sử dụng hợp kim hấp thụ hydro thay vì cadmium được sử dụng trong pin NiCd

Pin NiMH được ứng dụng trong các thiết bị tiêu hao cao vì dung lượng và mật độ năng lượng cao. Một pin NiMH có thể có dung lượng gấp hai đến ba lần so với pin NiCd có cùng kích thước và mật độ năng lượng của nó có thể đạt tới mật độ năng lượng của pin lithium-ion. Không giống như hóa học NiCd, pin dựa trên hóa học NiMH không dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng “bộ nhớ” mà NiCads trải qua.

Dưới đây là một số tính chất của pin dựa trên hóa học Niken-kim loại hiđrua;

Năng lượng cụ thể: 60-120h / kg
Mật độ năng lượng: 140-300 Wh / L
Công suất cụ thể: 250-1000 W / kg
Hiệu suất sạc / xả: 66% - 92%
Tỷ lệ tự xả: 1,3-2,9% / tháng ở 20 ^o C
Chu kỳ Độ bền / tuổi thọ: 180 -2000

3. Pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion là một trong những loại pin sạc phổ biến nhất. Có nhiều loại pin Lithium khác nhau, nhưng trong số tất cả các loại pin lithium-ion được sử dụng phổ biến nhất. Bạn có thể thấy những loại pin lithium này đang được sử dụng phổ biến ở các dạng khác nhau trong các loại xe điện và các thiết bị di động khác. Nếu bạn tò mò muốn biết thêm về các loại pin được sử dụng trong xe điện, bạn có thể xem bài viết này về Pin xe điện. Chúng được tìm thấy trong các thiết bị di động khác nhau bao gồm điện thoại di động, thiết bị thông minh và một số thiết bị pin khác được sử dụng tại nhà. Họ cũng tìm thấy các ứng dụng trong hàng không vũ trụ và các ứng dụng quân sự do tính chất nhẹ của chúng.

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

Pin Lithium-ion nói chung có mật độ năng lượng cao, ít hoặc không có hiệu ứng bộ nhớ và khả năng tự xả thấp so với các loại pin khác. Hóa học của chúng cùng với hiệu suất và chi phí khác nhau trong các trường hợp sử dụng khác nhau, ví dụ: pin Li-ion được sử dụng trong các thiết bị điện tử cầm tay thường dựa trên oxit lithium coban (LiCoO ₂) cung cấp mật độ năng lượng cao và rủi ro an toàn thấp khi bị hỏng trong khi Li-ion pin dựa trên Lithium iron phosphate cung cấp mật độ năng lượng thấp hơn, an toàn hơn do giảm khả năng xảy ra các sự cố đáng tiếc, được sử dụng rộng rãi trong cấp nguồn cho các dụng cụ điện và thiết bị y tế. Pin lithium-ion mang lại hiệu suất tốt nhất trên tỷ lệ trọng lượng với pin lithium lưu huỳnh cung cấp tỷ lệ cao nhất.

Một số thuộc tính của pin lithium-ion được liệt kê dưới đây;

Năng lượng cụ thể: 100: 265W-h / kg
Mật độ năng lượng: 250: 693 Wh / L
Công suất cụ thể: 250: 340 W / kg
Phần trăm sạc / xả: 80-90%
Chu kỳ Độ bền: 400: 1200 chu kỳ
Điện áp tế bào danh nghĩa: NMC 3.6 / 3.85V

4. Ắc quy axit-chì

Ắc quy axit-chì là loại pin công suất đáng tin cậy với chi phí thấp được sử dụng trong các ứng dụng nặng. Chúng thường rất lớn và vì trọng lượng của chúng, chúng luôn được sử dụng trong các ứng dụng không di động như lưu trữ năng lượng bằng bảng điều khiển năng lượng mặt trời, đánh lửa xe và đèn, nguồn điện dự phòng và cân bằng tải trong sản xuất / phân phối điện. Axit-chì là loại pin sạc lâu đời nhất và vẫn rất phù hợp và quan trọng đối với thế giới ngày nay. Pin axít chì có tỷ lệ năng lượng trên thể tích và năng lượng trên trọng lượng rất thấp nhưng nó có tỷ lệ công suất trên trọng lượng tương đối lớn và do đó, có thể cung cấp dòng điện tăng vọt khi cần thiết. Những thuộc tính này cùng với chi phí thấp khiến những loại pin này trở nên hấp dẫn để sử dụng trong một số ứng dụng hiện tại như cấp nguồn cho động cơ khởi động ô tô và để lưu trữ trong nguồn điện dự phòng.Bạn cũng có thể xem thêm bài viết về hoạt động của pin axit chì nếu bạn muốn biết thêm về các loại pin axit chì khác nhau, cấu tạo và ứng dụng của nó.

Mỗi loại pin này đều có khu vực phù hợp nhất và hình ảnh bên dưới là để giúp bạn lựa chọn giữa chúng.

Chọn pin phù hợp cho ứng dụng của bạn

Một trong những vấn đề chính cản trở các cuộc cách mạng công nghệ như IoT là nguồn điện, tuổi thọ pin ảnh hưởng đến việc triển khai thành công các thiết bị yêu cầu thời lượng pin dài và mặc dù một số kỹ thuật quản lý năng lượng đang được áp dụng để giúp pin kéo dài tuổi thọ, vẫn phải chọn một loại pin tương thích để đạt được kết quả mong muốn.

Dưới đây là một số yếu tố cần xem xét khi lựa chọn loại pin phù hợp cho dự án của bạn.

1. Mật độ năng lượng: Mật độ năng lượng là tổng số năng lượng có thể được lưu trữ trên một đơn vị khối lượng hoặc thể tích. Điều này xác định thời gian thiết bị của bạn hoạt động trước khi cần sạc lại.

2. Mật độ điện: Tốc độ xả năng lượng tối đa trên một đơn vị khối lượng hoặc thể tích. Công suất thấp: máy tính xách tay, i-pod. Quyền lực cao: dụng cụ điện.

3. An toàn: Điều quan trọng là phải xem xét nhiệt độ mà thiết bị bạn đang xây dựng sẽ hoạt động. Ở nhiệt độ cao, một số thành phần pin sẽ bị hỏng và có thể trải qua các phản ứng tỏa nhiệt. Nhiệt độ cao thường làm giảm hiệu suất của hầu hết các loại pin.

4. Độ bền của vòng đời: Sự ổn định của mật độ năng lượng và mật độ năng lượng của pin với chu kỳ lặp lại (sạc và xả) là cần thiết để có tuổi thọ pin dài theo yêu cầu của hầu hết các ứng dụng.

5. Chi phí: Chi phí là một phần quan trọng của bất kỳ quyết định kỹ thuật nào bạn sẽ thực hiện. Điều quan trọng là chi phí lựa chọn pin của bạn phải tương xứng với hiệu suất của nó và sẽ không làm tăng chi phí chung của dự án một cách bất thường.