Pin sạc

Nguồn điện thứ cấp hay ắc quy (gốc tiếng Pháp accumulateur), pin sạc, pin thứ cấp là loại pin có thể tái sử dụng nhiều lần bằng cách cắm điện và đặt vào bộ sạc để sạc lại. Pin sạc hiện nay trên thị trường chủ yếu là ba loại sử dụng các chất hóa học khác nhau gồm: NiCd, NiMH và Lithium.

Lịch sử

Ắc quy chì - acid
Gồm có các bản cực bằng chì và chì oxide ngâm trong dung dịch acid sulfuric. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim chì antimon, có nhồi các hạt hóa chất tích cực. Các hóa chất này khi được nạp đầy là dioxide chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm. 

Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm. Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc-quy. Thông thường, các bản cực âm  được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương. Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn. 

Chất lỏng dùng trong bình ắc quy này là dung dịch acid sunfuaric. Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỉ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và tình trạng phóng nạp của bình.

Trị số tỉ trọng của bình ắc quy khi được nạp đầy được quy ra ở 25⁰C (77⁰F) được cho ở bảng sau:

Dung lượng của bình ắc quy thường được tính bằng ampe giờ (AH). AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện. Dung lượng này thay đổi tuỳ theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỉ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng. Các biến đổi của thông số  của bình ắc-quy được cho trên các biểu đồ sau:

Ắc quy sắt kền
Còn gọi là bình ắc quy ankalin, gồm các bản cực làm bằng oxy hydrat - kền, và các bản cực âm bằng sắt thuần ngâm trong dung dịch hydroxide kali. Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, và dẹp, làm bằng hợp kim thép có mạ kền. Các bản cực được chế tạo có các quai ở trên để có thể dùng bu lông xiết dính lại với nhau, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm.

Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy, số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình ắc quy. Điện thế danh định của bình là 1,2 vôn. Điện thế thực sự của bình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, như đang hở mạch, hay đang phóng, hay được nạp bao nhiêu. Thông thường, Điện thế hở mạch biến thiên từ 1,25 đến 1,35 vôn, tuỳ thuộc vào tình trạng nạp. Chất lỏng trong bình này là dung dịch hydrôxít kali, có pha thêm chất xúc tác tuỳ thuộc vào nhà chế tạo, thường là dioxide lithi.  

Nồng độ của dung dịch, biểu trưng bằng tỉ trọng đo được, không tuỳ thuộc vào loại bình ắc quy, và cũng không tuỳ thuộc vào tình trạng phóng nạp của bình, do nó không tham gia vào phản ứng hóa học. tỉ trọng suy ra ở 25 độ C (77 độ F) từ 1,210 đến 1,215 g/cm³. Trị số này thực tế giảm nhẹ theo thời gian, do dung dịch có khuynh hướng bị cacbônát hoá, do tiếp xúc với không khí. Khi trị số này giảm xuống tới 1,160 g/cm³, nó có thể làm thay đổi dung lưọng của bình, và cần phải thay thế. Tình trạng này có thể xảy ra vài lần trong suốt tuổi thọ của bình. 

Ngoài ra, chỉ có một lý do duy nhất có thể làm thay đổi tỉ trọng của bình, đó là khi bình ắc quy đã phóng quá giới hạn bình thường, nghĩa là tới điện thế gần bằng không. Khi đó, các phần tử lithi chuyển ra dung dịch làm tăng tỉ trọng lên, có thể tăng thêm từ 0,025 đến 0,030 g/cm³. Tác động này có thể loại bỏ khi nạp bình ắc quy trở lại.

Dung lượng của bình, cách tính cũng như bình ắc quy chì - acid, nhưng các thông số và các hệ số hiệu chỉnh cũng khác. Đặc tuyến của bình ắc quy sắt-kền được vẽ ở các hình dưới đây.

Ứng dụng của ắc quy

Các phương pháp phóng và nạp

Nạp ắc quy lần thứ nhất
Ắc quy mới lắp hoặc sau khi sửa chữa thay thế bản cực xong, phải nạp hình thành. Sau khi đã đổ dung dịch vào các bình ắc quy phải để cho ắc quy ổn định  từ 2 đến 4 giờ mới được nạp.
Chất điện phân đổ vào bình phải có tỉ trọng 1,18  0.05 g/cm³ ở nhiệt độ 20 độ C. Sau khi rót vào thì tỉ trọng chất điện phân có giảm xuống đôi chút. Sau đó vài giờ, tỉ trọng chất điện phân lại bắt đầu tăng lên trở lại. Đó là hiện tượng bình thường.
Kiểm tra lại việc đấu dây: cực dương của máy nạp phải đấu với cực dương của ắc quy, tương tự, cực âm của máy nạp phải được nối với cực âm của ắc quy.

Nạp hình thành ắc quy chì
Việc nạp hình thành ắc quy được tiến hành theo các bước:

Nạp liên tục cho đến khi truyền cho ắc quy từ 4 đến 5 lần định mức. Không được gián đoạn trong thời gian này.
Ngừng nạp 1 giờ cho các ngăn ắc quy ổn định. Trong thời gian này, tiến hành kiểm tra và sửa chữa các bình bị hư hỏng.
Nạp tiếp tục cho đến khi khí thoát mạnh ở tất cả các bình.
Lập lại các bước 2 và 3. Như vậy sau mỗi lần nạp và nghỉ xen kẽ 1 giờ, ắc quy sẽ được truyền thêm 1 lần dung lượng định mức. Quá trình nạp, nghỉ xen kẽ như vậy tiến hành cho đến khi truyền cho ắc quy từ  8 đến 10 lần dung lượng định mức.

Kết thúc giai đoạn nạp hình thành được xác định theo các điều kiện sau:
Điện thế ắc-quy đạt tới 2,5 - 2,75 vôn.
tỉ trọng chất điện phân bằng 1,205 +/- 0,005 g/cm³ ở 20 độ C và không thay đổi trong 3 đến 4 giờ.
Bốc hơi đều trên các tấm cực dương và âm ở tất cả các bình.

Ghi chú: trước khi thực hiện chương trình này, phải lập chương trình thật cụ thể, để việc thực hiện được chính xác. Chất lượng và tuổi thọ sau này của bình phụ thuộc rất nhiều vào việc nạp hình thành ban đầu. Không được để quá nạp, vì bản cực sẽ bị sunfat hoá, làm giảm tuổi thọ của ắc quy.

Dòng điện nạp không được quá 0,1 lần dung lượng định mức. Nhiệt độ chất điện phân không được vượt quá 40 độ C. Nếu nhiệt độ vượt quá trị số này thì phải ngưng nạp để hạ nhiệt độ. Tuy nhiên, vào giai đoạn đầu khi chưa truyền cho ắc quy đủ 4 đến 5 lần dung lượng định mức không được phép ngừng nạp, mà chỉ giảm dòng nạp cho đến khi  nhiệt độ ổn định. Như vậy, thời gian nạp phải tăng lên tương ứng để để bảo đảm dung lượng nạp.

Điều chỉnh tỉ trọng và mức dung dịch chất điện phân

Cuối thời gian nạp, tỉ trọng của chất điện phân quy về 20 độ C cần phải là 1,205 +/- 0,005 g/cm³. Hệ số hiệu chỉnh tỉ trọng chất điện phân bằng - 0,001 g/cm³ cho mỗi 3  F hoặc 1,67 độ C. Sau khi nạp, ở một số bình, có thể có tỉ trọng khác biệt hẳn so với quy định. Khi thấy tỉ trọng cao hơn phải làm giảm bằng cách rút ra một lượng dung dịch chất điện phân và thay vào đó một lượng nước cất tương ứng. Sau đó tiếp tục nạp thêm 3 giờ nữa rồi kiểm tra lại. Cứ thế tiếp tục cho đến khi đạt được tỉ trọng quy định.

Khi vận hành bình thường, nếu tỉ trọng thấp hơn quy định tới 0,02 g/cm³ thì cần tiến hành nạp cân bằng. Nếu mức dung dịch cạn gần bằng mức tối thiểu, thì dùng nước cất bổ sung cho đến khi bằng mức tối đa, sau đó tiến hành nạp cân bằng để làm đồng nhất chất điện phân.

Để hiệu chỉnh tỉ trọng chất điện phân, cần thực hiện như sau:
Đo nhiệt độ, mức, và tỉ trọng chất điện phân.
So sánh với nhiệt độ tiêu chuẩn và mức tiêu chuẩn.
Cộng thêm 0,001 g/cm3 cho mỗi 3  F hoặc 1,67  C cao hơn nhiệt độ tiêu chuẩn, trừ bớt đi 0,015 g/cm³ cho mỗi 1/2 inch thấp hơn mức tiêu chuẩn để bù trừ khi bổ sung nước cất. 

Thí dụ: tỉ trọng đo được ở 89  F là 1,235 g/cm3, và mực chất điện phân thấp hơn tiêu chuẩn  1/2 inch. Như vậy các hiệu chỉnh cần thiết là:

Nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn là : 89 - 77 = 12  F: phải cộng thêm: 12 / 3 * 0,001 =  0,004 g/cm³ để ứng với 77  F.
Mực chất điện phân thấp hơn 1 / 2 inch, vậy phải trừ bớt đi 0,015 g/cm³ để ứng với khi bổ sung nước cất thêm cho đủ.
Như vậy tỉ trọng ứng với 77  F và sau khi châm thêm nước cất sẽ là:

1,235 + 0,004 - 0,015 =1,224 g/cm³.

Sau khi nạp ắc quy lần đầu xong, phải tiến hành phóng nạp tập dợt 3 lần để ắc-quy bảo đảm được dung lượng định mức. Dòng điện phóng được thực hiện theo mức 3 giờ hoặc mức 10 giờ, phóng cho đến khi điện thế mỗi bình còn 1,8 vôn.

Trong thời gian nạp hình thành và phóng nạp tập dợt, phải đo và ghi điện thế, tỉ trọng, và nhiệt độ từng ngăn một, định kỳ mỗi giờ một lần. Trong trường hợp có đột biến trên các ngăn, ( thí dụ điện thế trên các ngăn thay đổi quá nhanh), phải đo và ghi thông số thường xuyên hơn.

Nạp hình thành ắc quy sắt kền
Đối với ắc quy sắt-kền, việc nạp hình thành cũng được nạp tương tự. Tuy nhiên, một số thông số có khác biệt rất lớn như sau:

Để hiệu chỉnh tỉ trọng chất điện phân cần thực hiện như sau:

Đo nhiệt độ, mức, và tỉ trọng chất điện phân.
So sánh với nhiệt độ tiêu chuẩn và mức tiêu chuẩn.
Cộng thêm 0,001 cho mỗi 3 o F hoặc 1,67 o C cao hơn nhiệt độ tiêu chuẩn, trừ bớt đi 0,010 cho mỗi 1/2 inch thấp hơn mức tiêu chuẩn để bù trừ khi bổ sung nước cất.
 
Thí dụ: tỉ trọng đo được ở 89 o F là 1,235 g/cm³, và mực chất điện phân thấp hơn tiêu chuẩn  1/2 inch. Như vậy các hiệu chỉnh cần thiết là:

Nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn là : 89 - 77 = 12  F: phải cộng thêm: 

12 / 3 * 0,001 =  0,004 g/cm³ để ứng với 77 o F.
Mực chất điện phân thấp hơn 1 / 2 inch, vậy phải trừ bớt đi 0,010 g/cm³ để ứng với khi bổ sung nước cất thêm cho đủ.
Như vậy, tỉ trọng ứng với 77 o F và sau khi châm thêm nước cất sẽ là: 

1,235 + 0,004 - 0,010 = 1,229 g/cm³.

Phóng và nạp ắc quy lần sau

Phóng điện ắc quy
Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng  chỉ dẫn của nhà chế tạo.

Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi Điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8 vôn. Khi phóng với chế độ 1, 2 giờ, thì ngừng phóng khi Điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75 vôn. 

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo Điện thế. Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỉ trọng chất điện phân. Việc phóng được kết thúc khi tỉ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỉ trọng ban đầu. (Nhưng cũng không được để Điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75 vôn.)

Đối với ắc quy sắt-kền, Điện thế báo hiệu kết thúc phóng cho mọi trường hợp là 1 Vôn.

Việc nạp ắc quy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng ắc quy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng.

Tuỳ theo phương pháp vận hành ắc quy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

Nạp với dòng điện không đổi.
Nạp với dòng điện giảm dần.
Nạp với Điện thế không đổi.
Nạp thay đổi với Điện thế không đổi.

Nạp với dòng điện không đổi
Đối với ắc-quy chì

Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước.

a) Nạp kiểu 1 bước:

Để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0, 12 x C(10).

b) Nạp kiểu 2 bước:

Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng không vượt quá 0,25 x C(10). Khi Điện thế tăng lên đến 2,3  2,4 vôn thì chuyển sang bước 2.

Bước 2: để dòng điện nạp không vượt quá 0,12 C x (10). Đến cuối thời gian nạp, Điện thế ắc-quy đạt đến 2,6 2,8 vôn, tỉ trọng ắc-quy tăng lên đến 1,200 1,210 g/cm3,  giữa các bản cực ắc-quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp được coi là kết thúc khi Điện thế và tỉ trọng của ắc-quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ, và các ắc-quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì.

Thời gian nạp đối với ắc-quy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10)  mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25 x C(10) và 0,12 x C(10)  mất khoảng 78 giờ. Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng.

Đối với ắc-quy sắt-kền.

Để dòng nạp không vượt quá 15 .. 25 % của dung lượng phóng mức 10 giờ tức là 0,15 .. 0,25  x C(10).

Đến cuối thời gian nạp, Điện thế ắc-quy đạt đến 1,75.. 1,8 vôn, giữa các bản cực ắc-quy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt. Việc nạp được coi là kết thúc khi Điện thế ắc-quy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ và các ắc-quy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì. 
Việc nạp khi hoàn tất thường truyền cho ắc-quy 1 dung lượng lớn hơn dung lượng định mức khoảng 25%. Nếu nạp ít quá, dung lượng của ắc-quy sẽ bị giảm, còn dư nhiều quá sẽ làm nóng dàn bình, và làm hao nước.

Nạp với dòng điện giảm dần
Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 C(10) và sau đó 0,12 C(10). Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên. Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trưòng hợp nạp với dòng điện không đổi.

Nạp với Điện thế không đổi
Nạp với Điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc ở chế độ ổn áp.
Điện thế được chọn trong giới hạn từ 2,2  2,35 vôn đối với ắc-quy chì-axit và 1,5  1,55 vôn đối với ắc-quy sắt-kền và được duy trì ổn định trong suốt quá trình nạp. Thời gian nạp độ vài ngày đêm. Trong 10 giờ nạp đầu tiên, ắc-quy có thể nhận được tới 80% dung lượng bị mất khi phóng.

Khi tỉ trọng chất điện phân giữ nguyên trong 10 giờ (đối với ắc-quy chì-axit) thì có thể kết thúc việc nạp.

Nạp thay đổi với Điện thế không đổi
Việc nạp được tiến hành theo 2 bước:

Bước 1: dòng điện nạp được hạn chế ở 0,25 x C(10), còn Điện thế thay đổi tăng tự do. Cho đến khi Điện thế ắc-quy tăng lên đến 2,2 2,35 vôn đối với ắc-quy chì-axit và 1,5 1,55 vôn đối với ắc-quy sắt-kền thì chuyển sang bước 2.

Bước 2: Nạp với Điện thế không đổi.
Việc nạp này được tự động hoá bằng thiết bị nạp có ổn định Điện thế và giới hạn dòng điện

Các chế độ vận hành

Chế độ nạp thường xuyên
Đối với các loại bình ắc-quy tĩnh, việc vận hành ắc-quy được tiến hành theo chế độ phụ nạp thường xuyên. ắc-quy được đấu vào thanh cái một chiều song song với thiết bị nạp. Nhờ vậy, tuổi thọ và độ tin cậy của ắc-quy tăng lên, và chi phí bảo  dưỡng cũng được giảm xuống.

Để bảo đảm chất lượng ắc-quy, trước khi đưa vào chế độ phụ nạp thường xuyên phải phóng nạp tập dượt 4 lần. Trong quá trình vận hành ắc-quy ở chế độ phụ nạp thường xuyên, ắc-quy không cần phóng nạp tập dượt cũng như nạp lại. Trường hợp sau một thời gian dài làm việc ở chế độ phụ nạp thường xuyên mà thấy chất lượng ắc-quy bị giảm thì phải thực hiện việc phóng nạp đột xuất.

Ở chế độ phụ nạp thường xuyên, cần duy trì Điện thế trên mỗi bình ắc-quy là 2,2 +/- 0,05 vôn đối với ắc-quy chì-axit và 1,5 +/- 0,05 vôn đối với ắc-quy sắt-kền để bù trừ sự tự phóng  và duy  trì ắc-quy ở trạng thái luôn được nạp đầy. 

Dòng điện phụ nạp thông thường được duy trì bằng 50 .. 100 mA cho mỗi 100 AH dung lượng đối với ắc-quy chì-axit và bằng 40 .. 60 mA cho mỗi 100 AH dung lượng đối với ắc-quy sắt-kền.
Ở chế độ phụ nạp này, Điện thế trên ắc-quy phải được duy trì tự động trong khoảng +/- 2 %.

Việc phóng thử dung lượng thực tế của ắc-quy được tiến hành 1.. 2 năm 1 lần hoặc khi có nghi ngờ dung lượng ắc-quy kém. Dòng điện phóng được giới hạn ở chế độ mức 3 đến 10 giờ. Để đánh giá chính xác dung lượng phóng của ắc-quy, nên tiến hành ở cùng 1 chế độ phóng như nhau trong nhiều lần phóng.

Dung lượng quy đổi được tính theo công thức:
C20 = Ct / 1 + ( 0,008 ( t - 20 ) )
Với C20 : dung lượng ở 20 o C.
Ct : dung lượng ở t o C.

Chế độ phóng nạp xen kẽ

ắc-quy làm việc ở chế độ nạp phóng là ắc-quy thường xuyên phóng vào 1 phụ tải nào đó sau khi đã ngưng nạp. Sau khi đã phóng đến 1 giá trị nào đó thì phải nạp trở lại.

Trường hợp sử dụng ắc-quy không nhiều thì mỗi tháng phải tiến hành phụ nạp với dòng điện không đổi, = 0,1 x C(10). Việc xác định tiến trình nạp được kết thúc dựa theo các điều ghi ở chương 3.
Việc nạp lại nhằm loại trừ việc Sun - phát hóa ở các bản cực. Việc nạp lại tến hành 3 tháng một lần, hoặc khi ắc-quy bị phóng với một dòng phóng lớn hơn dòng phóng cho phép.

Điều chế chất điện phân
A - xít để điều chế chất điện phân phải bảo đảm các tiêu chuẩn kỹ thuật. Hàm lượng các tạp chất trong A - xít không được quá các trị số ghi trong bảng sau:

So sánh các loại pin sạc

Chú thích

Liên kết ngoài

 High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires Candace K. Chan, Hailin Peng, Gao Liu, Kevin McIlwrath, Xiao Feng Zhang, Robert A. Huggins & Yi C Nature Nanotechnology volume 3, pages 31–35 (2008) 16 December 2007 
 How do rechargeable (that is, zinc-alkaline or nickel-cadmium) batteries work and what makes the reactions reversible in some batteries, but not in others? 
 Electropaedia, Energy Sources and Storage and History of Technology 

Công nghệ
Kỹ thuật điện
Điện học

Cơ khí
Động cơ
Bộ phận động cơ
Kĩ thuật động cơ