Phản ứng hoá học cung cấp năng lượng từ kim loại làm cho kim loại đó suy thoái theo thời gian và chúng ta không thể làm gì nhiều.

Tôi chắc rằng bạn nhìn thấy một sự khác biệt đáng chú ý với việc pin điện thoại sạc lâu hơn sau một năm sử dụng hoặc lâu hơn. Nếu bạn xài một điện thoại đủ lâu, pin của nó cũng có thể không đủ để sài cả ngày. Đã bao giờ bạn tự hỏi tại sao?

Pin: Chúng làm việc thế nào?

Điện năng không phải là phép thuật. Thật ra, đó là một chủ đề khá chán đối với hầu hết chúng ta và chúng ta chỉ muốn nó có sẵn khi chúng ta cần sử dụng nó. Nhưng để hiểu tại sao điện thoại của bạn cần phải được sạc nhiều hơn về sau so với khi bạn vừa mua nó, bạn cần phải biết một chút về cách hoạt động của pin. Đừng lo lắng, chúng tôi sẽ cung cấp những điều cơ bản ở đây.

Điện năng, giống như bất kỳ loại năng lượng nào, không phải là một điều bạn có thể tạo ra. Tất cả những gì chúng ta nghĩ là “làm” điện thực sự chỉ chuyển đổi một dạng năng lượng thành năng lượng khác, và pin sử dụng một phản ứng hóa học (năng lượng) để tạo ra một điện tích có thể được đo đếm theo thời gian. Các vật liệu khác nhau có thể được sử dụng để xây dựng việc sạc này và chúng sẽ mang lại kết quả khác nhau. Trong điện thoại của chúng ta, chúng ta sử dụng pin dựa trên lithium vì chúng cung cấp một mức độ đầu ra cho một nguồn pin hợp lý.

Tuổi thọ ước tính của pin điện thoại chỉ là ước tính.

Bên trong pin điện thoại, bạn sẽ thấy ba thành phần quan trọng đối với những gì chúng ta đang nói tới: điện cực âm (được gọi là anot và thường được làm bằng graphite), điện cực dương (được gọi là catot và được làm từ hỗn hợp của lithium và các kim loại khác), và dung dịch điện phân. Phản ứng giữa ba điều này là đơn giản ở cơ sở của nó và là lý do tại sao chúng có thể được sử dụng để lưu trữ năng lượng. Khi bạn sạc điện cực (từ bộ sạc của bạn), ion lithium sẽ tích điện dương và bị hút vào điện cực âm. Khi bạn rút điện ra khỏi pin, các ion lithium mất điện tích và không còn bị thu hút bởi điện cực âm. Bạn càng kéo năng lượng được lưu trữ lâu hơn từ pin sạc, số lượng ion lithium không còn sẽ tăng lên cho đến khi không còn đủ để sản xuất ra bất kỳ sản phẩm nào và pin đã chết. Cắm nó vào bộ sạc sẽ đặt lại chu kỳ này.

“Chu kỳ” là một từ quan trọng ở đây. Vì pin được thiết kế để lưu trữ một khoản rất khó để đo lường tuổi thọ có thể sử dụng của họ như một đơn vị thời gian. Pin kéo dài trong hai năm cho bạn, chỉ có thể kéo dài sáu tháng đối với người khác vì chúng đang được sử dụng khác nhau. Vì vậy, chúng ta có thể ước tính khoảng thời gian chờ đợi chúng đến mức nào, tuổi thọ pin được tính bằng chu kỳ sạc. Pin điện thoại thường được thiết kế để kéo dài khoảng 500 đến 600 chu kỳ, và một chu kỳ được định nghĩa là sạc pin hoàn toàn đã hết thành 100% sau đó rút hết nó xuống 0%. Sạc pin từ 50%, sau đó xài xuống đúng 50% là một phần chu kỳ, đó là lý do tại sao bạn sẽ được đề nghị để sạc pin trước khi nó xuống mức thấp nhất và cũng nghe rằng bạn không nên làm cách đó thường xuyên để ngăn chặn chu kỳ thứ 500 đó. Tất nhiên, nó không hoạt động theo cách đó vì pin không thực sự đếm số chu kỳ sạc. 500 chỉ là một ước tính.

Oxy hóa

Bởi vì các loại xe điện là một thứ thực sự và pin mà chúng sử dụng rất tốn kém, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về lý do tại sao pin lithium-ion làm suy giảm trong suốt cuộc đời của chúng. Rất may, điều này cũng áp dụng cho các pin kém (nhưng vẫn đắt!) Bên trong điện thoại của chúng ta và đó là do những thay đổi hóa học xảy ra trong quá trình sạc pin.

Chúng ta biết rằng việc sạc pin sẽ tích cực dương ion lithium sau đó có từ tính (điện là từ tính) bị thu hút bởi điện cực âm. Khi nhiều ion điện tích bị thu hút, sự khác biệt giữa điện cực âm và điện cực dương tăng lên. Đó là cách bạn đo điện áp – sự khác biệt giữa năng lượng tiềm năng giữa hai điện cực. Khi đạt đến mức cụ thể, pin được coi là sạc đầy. Điều ngược lại đúng trong khi sử dụng pin và sự khác biệt của tiềm năng giảm cho đến khi nó đạt đến số 0 bởi vì không có nhiều ion tích điện dương có mặt tại điện cực âm. Nhưng điều đó không có nghĩa là điện cực âm được coi là sạch sẽ và giống như nó đã xảy ra trước khi bạn bắt đầu.

Điện cực bị oxy hoá. Cũng như nước và không khí có thể gây ra sắt bị gỉ (đó là nơi từ oxy hoá làm), lithium, graphite và muối điện giải sẽ gây ra một điện cực để oxy hóa. Khi mọi ion dương tích điện bị tách ra khỏi anot trong pin, một lớp vi mô của các hạt sẽ bị bỏ lại phía sau và đã được liên kết hóa học với anot. Các hạt này được làm từ các nguyên tử lithium oxide (lithi liên kết với oxy) và các nguyên tử cacbon lithi cacbonat (lithi liên kết với cacbon), không có tính chất hóa học hoặc điện như vậy với graphite. Lớp này cản trở chu kỳ nạp / xả và cả sự khác nhau về điện thế và số lượng ion tích điện có thể thu hút được sự thay đổi, và cuối cùng, những thay đổi cũng đủ để nhận biết. Nếu bạn tiếp tục sử dụng pin và sạc như bình thường, một điểm sẽ xảy ra khi không có đủ năng lượng điện để cung cấp cho điện thoại.

Sạc pin là quá trình thay đổi thành phần của các điện cực và ảnh hưởng đến cách nó sẽ sạc trong tương lai.

Các loại hợp chất lithium khác nhau, cũng như các muối khác nhau được sử dụng trong dung dịch điện giải, có ảnh hưởng đến lượng đọng này trên điện cực, nhưng các nguyên liệu làm cho chu kỳ sạch hơn không nhất thiết là tốt nhất bởi vì chúng không thể cung cấp nhiều năng lượng lưu trữ. Chúng ta muốn các pin dung lượng cao, năng lượng thấp trong điện thoại của chúng ta vì chúng an toàn hơn so với pin năng lượng cao và chi phí ít hơn, chúng ta muốn họ cung cấp pin cho điện thoại của chúng ta càng lâu càng tốt. Một chiếc xe điện có thể sử dụng pin dung lượng cao và năng lượng cao vì chúng được bảo vệ bởi một khung rắn và không bị hư hỏng. Một chiếc xe cũng cần để có thể đi một quãng đường dài giữa các lần sạc. Nhưng chi phí của một pin thay thế cho một Tesla Model S là 12.000 Đô la, quá mắc. Một phần chi phí này xuất phát từ các vật liệu đắt tiền dùng để xây dựng pin lithium-niken-cobalt-nhôm-oxit so với pin lithium-cobalt cơ bản được sử dụng trong một chiếc điện thoại không kéo dài gần như nhiều chu kỳ trước khi chúng xuống cấp.

Vấn đề về điện áp

Một trong những yếu tố lớn nhất có thể ảnh hưởng đến bao nhiêu chu kỳ pin lithium-ion sẽ kéo dài là điện áp của nó. Vì điện thoại và ô tô không phải là những thứ duy nhất được thiết kế để chạy trên pin lithium có thể sạc lại, năm 2015, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã dành rất nhiều tiền và thời gian để xem chính xác nguyên nhân gây ra sự cố và làm thế nào để giảm thiểu chúng vì vệ tinh sử dụng pin lithium và bộ sạc năng lượng mặt trời. Sau khi chính thành phần của pin, thủ phạm lớn nhất tiếp theo có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ pin là điện áp sạc và điện áp của điện tích giữ.

Hóa học làm cho pin lithium tự nhiên giảm anot, và đó là những gì chúng ta đã nói ở trên. Nhưng nếu bạn sạc một pin với hơn 3,9 V, hoặc dự trữ pin với sự khác biệt có tiềm năng cao hơn 3,9 V thì sự phân hủy tương tự sẽ xảy ra với cực âm (catot) làm giảm tuổi thọ của pin xuống một nửa. Điện áp sạc và điện áp được giữ lại chủ yếu là cùng một vấn đề bởi bạn đang coi thường các thành phần của pin, vì quá trình sạc pin cũng làm nó nóng lên, điện áp càng cao thì pin càng nóng. Nhiệt xuất hiện khi pin được sạc cao hơn 3,9 vôn làm sự xuống cấp của cực âm trầm trọng hơn.

Không có bí mật nào mà các nhà sản xuất giấu chúng ta; đó tất cả là về hóa học.

Nói cách khác, điện áp cần thiết cho điện thoại hiện đại và sạc pin nhanh chóng có nghĩa là hầu như không thể “sửa chữa” được. Bất cứ ai sử dụng máy khoan sử dụng pin đều thấy điều này trong hành động. Pin 12 hoặc 14 volt được sử dụng trong một công cụ không kéo dài gần như nhiều chu kỳ như pin trong điện thoại của chúng ta. Chúng lưu trữ và vận hành ở điện áp cao hơn, sạc ở điện áp cao hơn và nóng hơn nhiều và có thể bị ảnh hưởng đáng kể chỉ sau vài chu kỳ sạc pin. Chúng sử dụng pin lithium cơ bản giống như một chiếc điện thoại vì sử dụng các loại vật liệu mà chúng ta thấy trong pin Tesla S sẽ làm cho chúng đắt hơn, và chúng không có tuổi thọ dài.

Tin tốt lành là tất cả các công ty sản xuất pin lithium đều đang nỗ lực để làm tốt hơn. Ai có thể bắt kịp pin đầu tiên kéo dài lâu hơn đáng kể thì sẽ kiếm được rất nhiều tiền từ nó. Tất cả những gì chúng ta có thể làm là sạc điện thoại của chúng tôi khi chúng cần phải sạc, và biết rằng không có một âm mưu nào giữa các nhà sản xuất để bắt chúng ta mua sản phẩm mới thường xuyên hơn.