Công nghệ sạc nhanh làm chai pin theo thời gian không gây nổ

Người dùng thường băn khoăn liệu sạc nhanh có làm chai pin khi chọn smartphone, đặc biệt với các dòng như iPhone và Xiaomi. Câu trả lời nằm ở nhiệt độ, không phải ở dòng điện.

Sạc nhanh không hại pin nếu nhiệt độ được kiểm soát

Các thông số kỹ thuật từ web.mit.edu cho thấy dòng phóng điện được đo bằng C-rate, với 1C nghĩa là phóng hết pin trong 1 giờ. Dung lượng pin giảm khi tăng C-rate, và tuổi thọ chu kỳ bị ảnh hưởng bởi tốc độ, độ sâu chu kỳ và nhiệt độ.

Công suất sạc tối đa của iPhone và Xiaomi tùy hãng

Câu hỏi về công suất sạc của iPhone 15 và Xiaomi 13 thường xuất hiện cùng cụm tìm kiếm. Tuy nhiên, con số chính xác phụ thuộc vào model và bộ sạc đi kèm, cần tra cứu từ nguồn chính hãng.

Dòng sạc lớn không hại trực tiếp; nhiệt độ làm chai pin

Dòng sạc lớn không hại pin theo kiểu cơ học; nhiệt độ chính là trung gian dẫn đến lão hóa. Theo Wikipedia, dòng điện chạy qua pin tạo ra nhiệt bên trong, gần như tỷ lệ thuận với cường độ dòng điện.

Vì vậy, sạc nhanh với dòng lớn làm tăng nhiệt độ pin; nhiệt độ cao xúc tác các phản ứng phụ làm mất vật liệu điện cực. web.mit.edu bổ sung rằng điện trở trong của pin thường khác nhau khi sạc và khi phóng, đồng thời phụ thuộc vào trạng thái sạc. Khi điện trở trong tăng, hiệu suất pin giảm và độ ổn định nhiệt giảm, vì nhiều năng lượng sạc chuyển thành nhiệt.

Nói cách khác, tác nhân gây chai pin là nhiệt độ, còn dòng sạc chỉ là phương tiện làm tăng nhiệt độ.

Để định lượng dòng, web.mit.edu dùng C-rate – thước đo tốc độ phóng điện tương đối với dung lượng tối đa. Tốc độ 1C nghĩa là dòng phóng điện sẽ phóng hết pin trong một giờ. Với pin 100 Ah, 1C tương đương 100 ampe, 5C là 500 ampe, C/2 là 50 ampe. Cùng chỉ số C-rate nhưng dòng thực tế khác nhau tùy dung lượng pin. web.mit.edu cũng dùng E-rate để mô tả công suất phóng, với 1E là công suất phóng hết pin trong một giờ.

C-rate tăng làm dung lượng và năng lượng của pin đều giảm, theo web.mit.edu. Điện áp cắt là điện áp tối thiểu cho phép, thường xác định trạng thái cạn; web.mit.edu dùng nó như giới hạn dưới của quá trình phóng.

web.mit.edu cũng nhắc rằng pin ô tô điện là pin thứ cấp, có thể sạc lại được. Điều đó nghĩa là phản ứng hóa học bên trong pin có thể đảo ngược bằng dòng điện từ ngoài; pin không bị 'tiêu hao' vật lý mỗi lần sạc như pin sơ cấp. Nhờ vậy, một bộ sạc nhanh vận hành đúng giới hạn có thể lặp lại chu kỳ nhiều lần.

Tuy nhiên, khả năng đảo ngược không hoàn toàn, vì các phản ứng phụ do nhiệt độ cao có thể chuyển hóa vật liệu điện cực thành dạng không dùng lại được.

Độ sâu phóng điện (DOD), theo web.mit.edu, là phần trăm dung lượng pin đã phóng so với dung lượng tối đa. Phóng đến ít nhất 80% DOD được gọi là phóng sâu. web.mit.edu cũng chỉ rõ DOD càng cao, tuổi thọ chu kỳ càng thấp. Tuổi thọ chu kỳ là số chu kỳ sạc-phóng pin trải qua trước khi không đáp ứng tiêu chí hiệu suất cụ thể.

Tuổi thọ này không cố định; nó được ước tính cho từng điều kiện sạc và phóng, chịu ảnh hưởng của tốc độ, độ sâu chu kỳ, nhiệt độ và độ ẩm. Vì vậy, một pin bị phóng sâu thường xuyên thường đạt cuối đời sớm hơn pin chỉ phóng nông, độc lập với việc nó có được sạc nhanh hay không.

Ngoài ra, nhà sản xuất còn đưa ra hai giới hạn phóng. web.mit.edu gọi dòng phóng liên tục tối đa là dòng tối đa pin có thể phóng liên tục, được xác định để ngăn tốc độ phóng quá mức gây hư hỏng hoặc giảm dung lượng. Dòng xung phóng tối đa 30 giây là dòng tối đa pin có thể phóng trong xung lên đến thời gian nói trên, cũng nhằm ngăn hư hỏng.

Hai thông số này phản ánh một thực tế: pin chấp nhận dòng lớn trong thời gian ngắn, nhưng duy trì dòng lớn lâu dài có thể sinh nhiệt và mất ổn định. Do đó, dòng sạc cũng nên được đối chiếu với giới hạn tương tự, dù chiều sạc ngược với phóng.

Một bộ sạc nhanh không chỉ là nguồn cấp dòng lớn. Nó có tốc độ sạc cao có thể khôi phục phần lớn dung lượng nhanh hơn, nhưng tốc độ này có thể vượt quá khả năng chịu đựng của một số loại pin, đòi hỏi giám sát tích cực. Tốc độ sạc cao có ý nghĩa khi pin còn ở vùng dung lượng thấp hoặc trung bình; càng đầy, lợi ích về thời gian càng nhỏ.

Vì thế, bộ sạc nhanh sử dụng mạch điều khiển để tránh làm hỏng tế bào. Khi sạc ở tốc độ C cao, bộ sạc phải theo dõi điện áp đầu cực và nhiệt độ để tránh sạc quá mức, Wikipedia nhấn mạnh. Nhiệt độ cao làm điện trở trong đổi thay và tạo ra thêm nhiệt, nên việc giám sát không chỉ bảo vệ tế bào mà còn giữ hiệu suất ở mức chấp nhận được.

Quy trình sạc chuẩn, theo web.mit.edu, gồm giai đoạn dòng không đổi cho đến khi điện áp pin đạt điện áp sạc, sau đó chuyển sang điện áp không đổi để dòng sạc giảm dần đến rất nhỏ. Wikipedia bổ sung bộ sạc thông minh có thể sạc nhanh tới khoảng 85% dung lượng trong chưa đầy một giờ, rồi chuyển sang sạc nhỏ giọt. Giai đoạn cuối đòi hỏi kiểm soát chặt vì vùng gần đầy là nơi dễ xuất hiện phản ứng phụ nhất.

Không phải loại pin nào cũng chịu được tốc độ cao; những loại không chịu được có thể hỏng, quá nhiệt, bốc cháy hoặc phát nổ, Wikipedia cảnh báo. Ở tầm chính sách, Liên minh châu Âu đã có quy định mới về bộ sạc chung nhằm hài hòa công nghệ sạc nhanh, bảo đảm tốc độ sạc của thiết bị giống nhau với bất kỳ bộ sạc tương thích nào.

Sạc xung cũng cho thấy dòng cao không đồng nghĩa với hư hại. Wikipedia mô tả sạc xung tạo ra các điện áp cao tức thời mà không làm pin quá nhiệt; với pin chì-axit, nó phá vỡ tinh thể chì-sulfat và kéo dài tuổi thọ. Cơ chế này nhấn mạnh vai trò của hình dạng dòng điện: dòng liên tục làm nhiệt tích lũy đều, còn xung ngắt quãng tạo thời gian cho nhiệt tỏa ra.

Vì thế, một bộ sạc có dòng đỉnh cao chưa chắc đã nguy hiểm hơn bộ sạc dòng thấp nhưng kéo dài quá lâu, nếu cả hai đều nằm trong giới hạn mà nhà sản xuất cho phép. Kết luận, dòng sạc lớn không trực tiếp làm chai pin; tác nhân trực tiếp là nhiệt độ và việc vượt giới hạn thiết kế. web.mit.edu cung cấp bộ khái niệm C-rate, E-rate, DOD, điện áp cắt, dòng liên tục/xung để định lượng giới hạn đó.

Wikipedia nhấn mạnh sự cần thiết của mạch theo dõi điện áp và nhiệt độ, cùng cảnh báo về khả năng cháy nổ khi pin không chịu được tốc độ sạc cao. Vì vậy, khi đánh giá một bộ sạc nhanh, không nên chỉ nhìn ampe; cần xét toàn bộ điều kiện vận hành và thiết kế bảo vệ. Theo web.mit.edu, E-rate mô tả công suất phóng điện, với 1E là công suất phóng để phóng hết pin trong 1 giờ.

Bối cảnh rộng hơn của chủ đề này nằm ở bài Công nghệ sạc nhanh có hại pin không?.

Pin lithium-ion lão hóa do chu kỳ sạc và nhiệt độ cao

Pin ô tô điện là pin thứ cấp, có thể sạc lại được, theo web.mit.edu. Tuổi thọ chu kỳ là số chu kỳ sạc-phóng mà pin có thể trải qua trước khi không đáp ứng tiêu chí hiệu suất, và bị ảnh hưởng bởi tốc độ, độ sâu chu kỳ, nhiệt độ và độ ẩm. Độ sâu phóng điện (DOD) càng cao, tuổi thọ chu kỳ càng thấp. Khi điện trở trong tăng, hiệu suất pin giảm vì nhiều năng lượng chuyển thành nhiệt, theo web.mit.edu.

Sạc nhanh dùng dòng lớn làm lõi pin nóng nhanh hơn

Sạc nhanh về bản chất là tăng dòng điện nạp vào pin. Do đó, sạc nhanh với dòng lớn làm tăng nhiệt độ pin nhanh hơn so với sạc thường. Nhiệt độ cao là tác nhân chính thúc đẩy các phản ứng hóa học phụ, làm suy giảm vật liệu điện cực và dung lượng pin theo thời gian.

Mạch sạc tự giảm dòng khi pin nóng để bảo vệ

Bộ sạc nhanh hiện đại sử dụng mạch điều khiển để sạc nhanh mà không làm hỏng tế bào pin, theo Wikipedia. Khi sạc với tốc độ C cao, bộ sạc cần theo dõi cẩn thận điện áp đầu cực và nhiệt độ của pin để tránh sạc quá mức gây hư hỏng. Sơ đồ sạc thường gồm sạc dòng không đổi cho đến khi điện áp đạt ngưỡng, sau đó chuyển sang sạc điện áp không đổi, cho phép dòng sạc giảm dần, theo MIT.

Bộ sạc thông minh thường sạc nhanh pin đến khoảng mức trên trong chưa đầy một giờ.

Khi nào sạc nhanh thực sự hại pin?

Sạc nhanh gây hại khi vòng kiểm soát nhiệt độ bị phá vỡ. Dùng bộ sạc kém chất lượng, sạc trong môi trường quá nóng như xe hơi giữa trưa hè, hoặc vừa sạc vừa chạy ứng dụng nặng sẽ khiến nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn. Trong điều kiện đó, pin sẽ chai nhanh hơn rõ rệt so với sạc thường trong phòng máy lạnh.

Bộ sạc chuẩn giúp tuổi thọ pin tương đương sạc thường

Khi dùng bộ sạc đạt chuẩn, nhiệt độ được kiểm soát nên tốc độ chai pin không khác biệt so với sạc thường. Quy định mới của Liên minh châu Âu về bộ sạc chung nhằm hài hòa công nghệ sạc nhanh, đảm bảo tốc độ sạc của một thiết bị giống nhau khi dùng bất kỳ bộ sạc tương thích nào.

Người dùng dùng bộ sạc chính hãng sẽ được hưởng lợi từ cơ chế bảo vệ, còn người dùng bộ sạc rẻ tiền có thể đối mặt với nguy cơ chai pin nhanh hơn. Một góc nhìn khác cùng chủ đề: Công nghệ pin xe điện: Sạc nhanh có làm chai pin không?.

Nguồn tham khảo

Nội dung bài viết dựa trên thông tin từ web.mit.edu, Wikipedia và Liên minh châu Âu.