Ắc quy axit-chì (Lead-acid Battery)

Ắc quy axit-chì là gì?

Ắc quy axit-chì (Lead-acid Battery) là loại pin thứ cấp có thể sạc lại bao gồm: vỏ, hai tấm chì hoặc một bộ tấm chì, một trong số chúng đóng vai trò là điện cực dương và tấm còn lại là điện cực âm, được ngâm trong dung dịch axit sunfuric 37% (H2SO4 ) làm chất điện ly. “Axit-chì” dùng để chỉ đến thành phần chính cũng là để dễ dàng trong việc phân loại pin – ắc quy.

Hầu hết ắc quy axit-chì trên thế giới là ắc quy khởi động, chiếu sáng và đánh lửa (SLI) của ô tô, với ước tính có khoảng 320 triệu chiếc được xuất xưởng vào năm 1999. Năm 1992, khoảng 3 triệu tấn chì đã được sử dụng trong sản xuất ắc quy. Các lĩnh vực ứng dụng công nghiệp cho ắc quy axit chì là năng lượng kéo cho các phương tiện khai thác mỏ, xe nâng hàng và làm nguồn năng lượng cố định như bộ lưu trữ điện dự phòng khẩn cấp (UPS) và các trạm tín hiệu cho đường sắt và viễn thông.

Cấu tạo và cách hoạt động của Ắc quy axit-chì

Ắc quy chì-axit bao gồm một điện cực âm làm bằng chì xốp hoặc xốp. Chì xốp để tạo điều kiện cho sự hình thành và hòa tan chì. Điện cực dương bao gồm oxit chì. Cả hai điện cực được ngâm trong dung dịch điện phân axit sunfuric và nước. Trong trường hợp các điện cực tiếp xúc với nhau thông qua chuyển động vật lý của ắc quy hoặc thay đổi độ dày của các điện cực, một màng cách điện nhưng thấm hóa học sẽ ngăn cách hai điện cực.

Màng này cũng ngăn ngừa hiện tượng chập điện qua chất điện phân. Điện áp danh định của một tế bào là khoảng 2V, nhưng điện áp thay đổi trong khoảng từ 1,75 V đến 2,4V tùy thuộc vào SoC và dòng điện sạc hoặc xả. Ắc quy axit chì có thể cung cấp dòng điện cao trong thời gian ngắn và có mật độ năng lượng cao.

Chì và chì điôxit, các vật liệu hoạt tính trên các tấm của ắc quy, phản ứng với axit sunfuric trong chất điện phân để tạo thành chì sunfat. Đầu tiên, chì sunfat hình thành ở trạng thái vô định hình, được phân chia mịn và dễ dàng trở lại thành chì, chì điôxit và axit sunfuric khi ắc quy sạc lại.

Ắc quy axit-chì tương đối nặng so với lượng năng lượng điện mà nó có thể cung cấp. Chi phí sản xuất thấp và mức dòng điện đột biến cao khiến nó trở nên phổ biến khi công suất của nó (trên khoảng 10 Ah) quan trọng hơn các vấn đề về trọng lượng và xử lý. Nhược điểm của hóa chất ắc quy này là nó rất nhạy cảm với chu kỳ sâu so với các hệ thống ắc quy khác và do mật độ chì cao nên năng lượng riêng của pin khá thấp.

Ắc quy chì-axit có thể đạt được tuổi thọ khá dài trong vài năm. Tuy nhiên, điều chỉnh điện áp là rất quan trọng ở đây. Đặc biệt là trên ô tô như ắc quy khởi động, điều này thường không đủ chính xác, do đó thông thường chỉ sử dụng được 2 đến 4 năm.

Ắc quy truyền động hoặc ắc quy lưu trữ có thể đạt được tuổi thọ từ 5 đến 15 năm, tùy thuộc vào chất lượng và mức độ căng thẳng. Nhưng những loại ắc quy in này khác biệt đáng kể so với ắc quy xe hơi.

Sự lão hóa của ắc quy axit chì chủ yếu là do sự ăn mòn bên trong cấu trúc chì của các điện cực, sự hình thành các mạch ngắn nhỏ và do quá trình sunfat hóa chì.

Ưu điểm và nhược điểm của ắc quy chì-axit

Ưu điểm của ắc quy axit-chì

• Chi phí sản xuất thấp và giá thành hợp lý.
• Khả năng cung cấp dòng điện đột biến cao phù hợp với nhiều ứng dụng yêu cầu dòng điện lớn như khởi động ô tô.
• Thời gian sử dụng dài, độ bền cao, có thể tái sạc nhiều lần.
• Dễ tái chế và thân thiện với môi trường.
• Có khả năng cung cấp công suất cao so với trọng lượng.
• Phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và gia đình yêu cầu dung lượng lớn.
• Được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp ô tô làm pin khởi động xe.

Nhược điểm của ắc quy axit-chì

• Mật độ năng lượng thấp do trọng lượng chì cao.
• Bị hạn chế trong chu kỳ sâu và nhiều chu trình sạc so với ắc quy lithium-ion.
• Quá trình sạc chậm, có thể mất đến 16 giờ sạc đầy.
• Yêu cầu quy trình và thiết lập sạc cẩn thận để tránh sunfat hóa và hao mòn pin.
• Không thể sạc với dòng điện quá lớn.
• Điện áp sạc phải được kiểm soát chặt chẽ, phụ thuộc nhiệt độ.
• Độ bền dưới 100 chu kỳ, ngắn hơn nhiều so với pin lithium-ion.
• Dễ bị tổn thương do va đập và rung động.
• Tạo ra khí hydro khi sạc quá tải có thể dẫn đến nguy cơ cháy nổ.

Phân loại Ắc-quy axit-chì

Ắc quy axit-chì thông hơi – VLA battery (Vented Lead-Acid)

Là loại ắc quy axit-chì có chất điện phân bị ngập hoặc thông hơi, trong đó các điện cực được ngập trong lượng chất lỏng điện phân dư thừa. Có các nắp có thể mở thông với không khí bên ngoài, tiện cho việc châm nước hoặc bảo dưỡng. Thường gây ra mùi khó chịu và chỉ được đặt đứng. Có 2 loại trong nhóm này:

• Ắc quy lưu trữ hoặc chu kỳ sâu: Những loại ắc quy này được thiết kế để tạo ra dòng điện nhỏ và liên tục trong thời gian dài. Chúng ít bị xuống cấp hơn do chu kỳ và được yêu cầu cho các ứng dụng mà ắc quy được xả thường xuyên, chẳng hạn như hệ thống quang điện và xe điện.
• Ắc quy SLI: Thuật ngữ SLI (Starting-Lighting-Ignition) có nghĩa là khởi động, chiếu sáng và đánh lửa. ắc quy SLI được thiết kế để cung cấp dòng điện tối đa trong một khoảng thời gian ngắn, giữ cho điện áp không đổi, do đó, chúng có điện trở trong rất thấp. Những loại ắc quy này có tuổi thọ tốt trong điều kiện chu kỳ nông nhưng có tuổi thọ rất kém trong điều kiện chu kỳ sâu (khoảng 12-15 chu kỳ).

Ắc quy axit-chì van kín – VRLA battery (Valve-Regulated Lead-Acid)

Cấu tạo Ắc quy axit-chì VRLA – AGM

• Bình chứa: Là nơi chứa dung dịch axit sulfuric và các tấm điện cực.
• Tấm điện cực: Gồm một tấm âm và một tấm dương được làm từ chất chì đặc biệt. Tấm điện cực được phân tách bằng màng AGM để ngăn chặn tiếp xúc trực tiếp giữa chúng.
• Màng AGM: Là một màng sợi thủy tinh hấp thụ được đặt giữa các tấm điện cực để giữ chặt dung dịch axit và ngăn chặn rò rỉ.
• Van giải áp: Được sử dụng để điều chỉnh áp suất bên trong ắc quy và ngăn chặn sự thoát khí quá mức.

Phân loại Ắc quy VRLA – AGM theo thành phần

Được niêm phong hoặc điều chỉnh bằng van trong đó chất điện phân được cố định trong thiết bị phân tách hấp thụ hoặc trong gel. Không gây ra mùi khó chịu và có thể đặt ngang hoặc đứng. Có 2 loại chính:

• Tấm sợi thủy tinh để hấp thụ – Absorbent Glass Mat (AGM). Ắc quy axit chì AGM là một loại ắc quy axit chì van kín (VRLA) có các kênh khí nhỏ trong chất điện phân. Ắc quy AGM là một trong những công nghệ axit chì được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng đó vì mật độ năng lượng và năng lượng tăng lên cũng như vòng đời dài hơn so với ắc quy axit chì loại VLA và không cần bảo trì.
• Tế bào gel – Gel cell. Ắc quy gel hiện đại là ắc quy VRLA có chất điện phân gel. Ắc quy gel làm giảm sự bay hơi và tràn chất điện phân (và các vấn đề ăn mòn tiếp theo) phổ biến đối với ắc quy ướt và có khả năng chống sốc và rung tốt hơn.

Phân loại Ắc quy VRLA – AGM theo tính ứng dụng

• AGM chung: Đây là loại ắc quy AGM thông thường, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như hệ thống UPS (Uninterruptible Power Supply), hệ thống năng lượng mặt trời và hệ thống lưu trữ năng lượng.
• AGM chịu lực: Loại ắc quy AGM này được thiết kế để chịu được rung động và va đập. Thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ bền và độ tin cậy cao như xe đạp điện, xe máy điện và hệ thống lưu trữ năng lượng ngoài trời.
• AGM chịu nhiệt: Loại ắc quy AGM này có khả năng chịu nhiệt tốt hơn, thích hợp cho các ứng dụng trong môi trường có nhiệt độ cao như hệ thống điều hòa không khí, xe ô tô và các ứng dụng công nghiệp.

Ứng dụng của ắc quy VRLA – AGM

Ắc quy VRLA-  AGM được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau:

• Năng lượng tái tạo: Được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời và gió.
• Ô tô, động cơ đốt trong: Được sử dụng trong mọi loại xe ô tô ngày nay, chủ yếu là thuộc dạng SLI (khởi động, chiếu sáng, đánh lửa), cũng được sử dụng trong các xe tải, RV, thuyền và các phương tiện động cơ khác.
• Máy móc công nghiệp: Ắc quy AGM được sử dụng trong các máy móc công nghiệp như xe nâng.
• UPS: Dùng trong các bộ lưu trữ điện cho các máy chủ, máy tính công ty, hệ thống trạm BTS viễn thông, tự phòng sự cố khác.

  

Ngoài ra, ắc quy AGM còn được sử dụng trong các thiết bị văn phòng và gia đình.

Với thiết kế thông minh, ắc quy AGM ngăn không cho không khí và ô nhiễm vào bên trong pin. Van mở khi có áp suất cao bên trong pin, giúp giảm nguy cơ pin bị phồng lên và vỡ, gây hư hỏng vĩnh viễn.

Sợi thủy tinh được sử dụng trong AGM, giúp chất điện phân được niêm phong chặt chẽ và an toàn. Nhờ loại lấp đầy không gian giữa điện cực này, chúng ta không phải lo lắng về việc chất điện phân rò rỉ từ pin bị hư hỏng cơ học.

Nhờ giải pháp này, AGM có thể hoạt động an toàn ở bất kỳ vị trí nào, bao gồm cả vị trí ngang. Sợi thủy tinh cũng có tác động đến việc tăng đáng kể số chu kỳ (thậm chí lên đến bốn lần tuổi thọ so với pin truyền thống). Có thể nạp và xả pin nhiều lần mà không ảnh hưởng đến các thông số hiệu suất của nó.

Ắc-quy axit-chì có nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau, thường được ký hiệu theo điện áp. Ví dụ: 12V, 24V, 48V.

Ví dụ một số loại ắc quy VRLA phổ biến:

• ẮC QUY GLOBE 12V-7.5Ah (WP7.5-12) Model: WP7.5-12Q : Ắc quy VRLA AGM 12V 7.5Ah của thương hiệu GLOBE, sản xuất tại Việt Nam, có kích thước 151 x 65 x 94 mm, trọng lượng 2.4 kg.
• ẮC QUY KÍN KHÍ LONG 12V-120Ah, WPL120-12RN: Ắc quy VRLA AGM 12V 120Ah của thương hiệu LONG, sản xuất tại Việt Nam, có kích thước 408 x 177 x 224 mm, trọng lượng 37 kg.

Các thương hiệu bình điện dạng VRLA – AGM phổ biến

• • Thương hiệu LONG: các mã như WPL130-12N, F18-M8,… với điện áp 12V và dung lượng 130Ah
  • Thương hiệu Ắc quy Đồng Nai: Hầu hết đều dùng loại VRLA – AGM và hay gọi đơn giản là ắc quy khô.
  • Thương hiệu Globe.
  • Thương hiệu Rocket
  • Thương hiệu Varta.

    

 

Video nhà máy sản xuất ắc quy Axit – chì của hãng Camel – Trung Quốc.

Cách thay thế và tái sử dụng ắc quy axit-chì

Bài viết có sử dụng thông tin tham khảo từ: https://www.electricity-magnetism.org/