EN
Liên kết nhanh
Cách mà pin lithium-ion hoạt động phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến các phản ứng hóa học bên trong. Khi nhiệt độ tăng thêm chỉ 10 độ Celsius so với nhiệt độ phòng (khoảng 77°F), các ion bên trong di chuyển nhanh hơn từ 40 đến 50 phần trăm. Điều này giúp pin dẫn điện tốt hơn nhưng cũng có thể khiến các bộ phận bị phân hủy theo thời gian. Tình hình trở nên nghiêm trọng hơn khi nhiệt độ vượt quá 70°C (khoảng 158°F). Ở mức nhiệt này, lớp phủ gọi là lớp trung gian điện phân rắn hay lớp SEI bắt đầu bị phá vỡ. Lớp bảo vệ này rất quan trọng để giữ an toàn cho các điện cực, vì vậy một khi nó bị mất đi, pin sẽ giảm dung lượng mãi mãi. Ngược lại, thời tiết lạnh cũng gây ra những vấn đề tương tự. Dưới 5°C (khoảng 41°F), chất lỏng bên trong pin trở nên đặc hơn nhiều, khiến các ion khó di chuyển qua. Điều này đồng nghĩa với việc công suất sẵn có giảm xuống, khoảng từ 15 đến 30 phần trăm so với khả năng thực tế mà pin có thể cung cấp.
Khi nhiệt độ giảm xuống dưới điểm đóng băng, pin phải đối mặt với một số thách thức nghiêm trọng. Chất điện phân bên trong trở nên đặc hơn đáng kể ở khoảng -20 độ C (-4 độ F), làm tăng độ nhớt của nó từ 300 đến 500 phần trăm. Đồng thời, khả năng nhận sạc của pin giảm mạnh khoảng 60%. Những vấn đề này kết hợp lại khiến điện trở nội bộ tăng vọt từ 200 đến 400 phần trăm so với mức ở nhiệt độ phòng bình thường. Hậu quả là các hệ thống pin lithium-ion 48 volt phải hoạt động vất vả hơn nhiều chỉ để vận hành đúng cách. Nhìn vào các con số hiệu suất thực tế từ xe điện hoạt động trong điều kiện Bắc Cực cũng cho thấy điều khá lo ngại. Các tài xế báo cáo rằng họ mất gần một phần tư phạm vi lái xe thông thường do tất cả những vấn đề kết hợp này, theo nghiên cứu được công bố bởi Hiệp hội Điện hóa học vào năm 2023.
Khi pin được để quá lâu trong môi trường nóng khoảng 45 độ C (tương đương 113 độ F), chúng bắt đầu bị suy giảm nhanh hơn bình thường. Tuổi thọ bị rút ngắn khoảng hai rưỡi lần so với khi được bảo quản trong điều kiện lý tưởng. Các thử nghiệm gần đây vào năm 2023 về lão hóa nhiệt đã cho thấy một điều khá rõ ràng: pin hoạt động ở nhiệt độ cao này đã mất khoảng 15% dung lượng sau chỉ 150 chu kỳ sạc, trong khi những pin được duy trì ở nhiệt độ phòng (khoảng 25°C) chỉ giảm khoảng 6%. Và còn một vấn đề khác xảy ra bên dưới bề mặt. Khi nhiệt độ vượt quá 40 độ C, lớp SEI bên trong các pin này phát triển nhanh gấp ba lần so với bình thường. Điều này có nghĩa là ngày càng nhiều ion lithium bị mắc kẹt vĩnh viễn, làm giảm dần lượng vật liệu sử dụng được trong các tế bào pin theo thời gian.
Khi sạc pin ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng, hành vi của các ion lithium bên trong pin sẽ bị sai lệch. Thay vì di chuyển vào đúng vị trí trong vật liệu cực âm, chúng bắt đầu hình thành các lớp kim loại bám trên bề mặt. Điều gì xảy ra tiếp theo? Những lớp kim loại này gây ra nhiều vấn đề. Chúng làm tăng khoảng 80% nguy cơ chập mạch, một mức độ khá nghiêm trọng. Ngoài ra, chúng còn khiến dung lượng tổng thể của pin giảm nhanh hơn theo thời gian. May mắn thay, hiện nay đã có các công cụ chẩn đoán có thể phát hiện sớm những dấu hiệu tích tụ kim loại trước khi tình trạng trở nên nghiêm trọng. Các công ty xử lý vấn đề này đã phải áp dụng những quy định rất nghiêm ngặt về tốc độ sạc tối đa đối với pin khi nhiệt độ ngoài trời xuống thấp. Hầu hết đều giới hạn tốc độ sạc tối đa không quá 0,2C mỗi khi nhiệt độ môi trường xuống dưới năm độ Celsius.
Hành vi nhiệt của các pin lithium ion 48V thay đổi khá nhiều tùy thuộc vào vị trí sử dụng. Lấy ví dụ xe điện, hầu hết các mẫu xe ngày nay đều dựa vào hệ thống làm mát chất lỏng gián tiếp để giữ cụm pin dưới mức 40 độ C trong khi lái xe trên đường cao tốc. Điều này giúp duy trì khoảng 98 phần trăm dung lượng pin ban đầu ngay cả sau khi trải qua 1.000 chu kỳ sạc đầy. Tuy nhiên, mọi việc trở nên phức tạp hơn khi xem xét các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo đặt tại vùng sa mạc. Các hệ thống này phải đối mặt với những giai đoạn kéo dài khi nhiệt độ môi trường vượt quá 45 độ C. Kết quả là? Dung lượng pin có xu hướng suy giảm nhanh hơn khoảng 12% so với các thiết bị tương tự đặt ở khu vực mát mẻ hơn. Để khắc phục các vấn đề này, các nhà sản xuất đã phát triển các hệ thống quản lý pin tiên tiến hay còn gọi tắt là BMS. Các hệ thống thông minh này tự động điều chỉnh tốc độ sạc và kích hoạt cơ chế làm mát bất cứ khi nào các tế bào riêng lẻ bắt đầu quá nóng, thường là ở mức khoảng 35 độ C. Các chuyên gia trong ngành coi đây là công nghệ then chốt để kéo dài tuổi thọ pin trong những môi trường khắc nghiệt.
Theo một nghiên cứu từ năm 2023 về robot kho hàng, các pin được đánh giá ở mức 48 volt và phải trải qua sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày từ âm 10 độ C lên đến 50 độ C đã mất khoảng 25 phần trăm công suất chỉ sau 18 tháng. Tốc độ suy giảm này nhanh gấp ba lần so với các pin được giữ trong điều kiện khí hậu kiểm soát. Khi các nhà nghiên cứu tháo dỡ những viên pin bị hỏng này để kiểm tra kỹ hơn, họ phát hiện ra các vấn đề như hiện tượng mạ lithium xảy ra khi thiết bị khởi động trong điều kiện lạnh, cùng với hiện tượng màng ngăn co lại khi nhiệt độ tăng quá cao. Nhìn từ khía cạnh khác, các pin công nghiệp được thiết kế kèm hệ thống quản lý nhiệt lại hoạt động tốt hơn nhiều. Những viên pin này sử dụng các vật liệu biến pha đặc biệt, giúp duy trì điện trở ổn định ở mức dao động khoảng cộng trừ 3 phần trăm trong suốt 2000 chu kỳ sạc. Điều này cho thấy rõ tầm quan trọng của việc duy trì kiểm soát nhiệt độ phù hợp đối với các pin hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Vận hành ở nhiệt độ trên 40°C làm tăng tốc độ suy giảm, giảm tuổi thọ vòng đời lên đến 40% so với mức 25°C (Nature 2023). Nhiệt độ cao làm mất ổn định lớp SEI và thúc đẩy phân hủy nhiệt, dẫn đến tổn thất dung lượng không thể phục hồi. Ở 45°C, pin có thể mất 15–20% dung lượng ban đầu trong vòng 300 chu kỳ do sự phân rã của cực dương và oxy hóa chất điện phân.
Nhiệt độ cao khởi phát ba con đường hư hỏng chính:
Các phản ứng tỏa nhiệt này có thể tạo ra một chuỗi liên hoàn tự duy trì. Nghiên cứu cho thấy cứ tăng thêm 10°C so với mức 30°C thì tốc độ mạ lithium trên cực âm lại tăng gấp đôi—đây là yếu tố tiền thân quan trọng dẫn đến hiện tượng mất kiểm soát nhiệt.
Các tế bào ion lithium bắt đầu gặp sự cố nghiêm trọng khi nhiệt độ bên trong đạt khoảng 150 độ C. Tại thời điểm này, chúng rơi vào trạng thái gọi là mất kiểm soát nhiệt, về cơ bản là một phản ứng dây chuyền mà lượng nhiệt sinh ra cứ tích tụ ngày càng nhanh hơn tốc độ thoát nhiệt. Hậu quả? Theo nhiều nghiên cứu trong ngành, các tế bào có thể xả khí, bắt lửa hoặc thậm chí phát nổ trong vài giây. Tuy nhiên, các hệ thống quản lý pin hiện đại chắc chắn đã góp phần giảm đáng kể những vấn đề kiểu này. Theo báo cáo từ Energy Storage News năm ngoái, các nhà sản xuất ghi nhận mức giảm gần 97 phần trăm các sự cố loại này kể từ năm 2018. Dù vậy, các hệ thống 48 volt đặc biệt dễ bị tổn thương trước một số kịch bản hỏng hóc khá nguy hiểm bao gồm:
| Yếu tố rủi ro | Ngưỡng Ảnh hưởng | Hậu quả |
|---|---|---|
| Chảy chảy lớp cách điện | 130°C | Ngắn mạch nội bộ |
| Bắt lửa chất điện phân | 200°C | Sự Truyền Dẫn Lửa |
| Phân hủy cực âm | 250°C | Giải phóng khí độc |
Làm mát chủ động và giám sát nhiệt độ liên tục là yếu tố thiết yếu để ngăn ngừa hậu quả nghiêm trọng trong các tình huống nhiệt độ cao.
Pin lithium-ion thực sự gặp khó khăn khi trời lạnh vì các ion bên trong phải đối mặt với điện trở lớn hơn khi nhiệt độ giảm. Khi nói đến mức khoảng âm 20 độ C (tương đương khoảng âm 4 độ F), dung lượng pin giảm mạnh xuống còn khoảng 60% so với mức bình thường ở nhiệt độ phòng. Điện áp cũng bị ảnh hưởng, giảm khoảng 30%. Điều này rất quan trọng đối với các thiết bị như xe điện hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời đặt ở những khu vực xa lưới điện. Những thiết bị này cần nguồn điện ổn định ngay cả khi thời tiết mùa đông khắc nghiệt nhất xảy ra, nhưng điều kiện lạnh khiến việc duy trì hiệu suất trở nên khó khăn hơn nhiều.
Khi sạc pin ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng (tức là 32°F đối với những người vẫn dùng thang đo Fahrenheit), về cơ bản sẽ xảy ra hai vấn đề lớn. Trước hết, hiện tượng gọi là hiện tượng mạ lithium xuất hiện, trong đó lithium kim loại tích tụ trên điện cực âm của pin. Điều này không chỉ gây khó chịu – các nghiên cứu từ Đại học Pin (Battery University) cho thấy mỗi lần hiện tượng này xảy ra, pin sẽ mất vĩnh viễn khoảng 15 đến 20% tổng dung lượng của nó. Tiếp theo là vấn đề chất điện phân. Ở nhiệt độ thấp tới âm 30 độ C, chất lỏng bên trong pin trở nên đặc hơn bình thường khoảng tám lần. Hãy tưởng tượng việc cố đổ mật ong qua một ống hút trong khi nó lẽ ra phải chảy tự do. Chất điện phân đặc lên khiến các ion rất khó di chuyển đúng cách, do đó pin không thể sạc đầy hoàn toàn. Hầu hết các hệ thống pin công nghiệp đều được trang bị các bộ phận gia nhiệt hoặc các thiết bị điều khiển nhiệt độ để ngăn chặn tình trạng này. Nhưng các bộ sạc tiêu dùng thông thường thì sao? Chúng thường không có bất kỳ biện pháp an toàn nào như vậy, điều này giải thích tại sao rất nhiều người vô tình làm hỏng pin của mình mà không hề hay biết.
Các thử nghiệm thực tế cho thấy các hộp điều hòa nhiệt độ dùng trong các trạm năng lượng vùng Bắc Cực kéo dài tuổi thọ chu kỳ lên 23% so với các hệ thống không được quản lý nhiệt.
Cửa sổ vận hành tối ưu cho các pin lithium-ion 48V là từ 20°C đến 30°C (68°F đến 86°F), như đã được xác nhận bởi các nghiên cứu công nghiệp năm 2025 trong lĩnh vực hàng không điện. Dưới 15°C, dung lượng sử dụng giảm từ 20–30%; việc vận hành liên tục trên 40°C làm tăng tốc độ phân hủy chất điện phân gấp bốn lần so với nhiệt độ phòng.
Các BMS hiện đại tích hợp cảm biến nhiệt độ phân bố và các thuật toán thích ứng để duy trì sự cân bằng nhiệt. Một nghiên cứu thiết kế nhiều lớp năm 2021 đã chứng minh rằng các BMS tiên tiến giảm gradient nhiệt trong cụm pin tới 58% thông qua phân bổ tải động và điều chỉnh tốc độ sạc.
Các kỹ sư hiện đại đang sử dụng các vật liệu biến đổi pha có khả năng hấp thụ khoảng 140 đến 160 kilojoule trên mỗi kilogram khi có sự gia tăng nhiệt độ đột ngột, kết hợp với các lớp cách nhiệt gốm sứ hầu như không dẫn nhiệt (chỉ 0,03 watt trên mét Kelvin). Các tấm làm mát bằng chất lỏng cũng giúp duy trì nhiệt độ ổn định, đảm bảo nhiệt độ bề mặt không tăng quá 5 độ Celsius ngay cả trong các phiên sạc nhanh 2C cường độ cao, từng vượt qua bài kiểm tra ổn định nhiệt năm ngoái. Tất cả các thành phần khác nhau này hoạt động đồng bộ giúp cho pin luôn hoạt động ổn định bất kể điều kiện thời tiết hay môi trường vận hành thực tế nào.