Sạc nhanh có thực sự làm pin nhanh hỏng hơn?

Khả năng nạp năng lượng siêu tốc đang trở thành tính năng tiêu chuẩn trên nhiều dòng điện thoại thông minh và phương tiện giao thông chạy điện. Dù vậy, xu hướng này cũng khơi lên những hoài nghi về việc liệu dòng điện công suất cao có khiến nguồn pin giảm tuổi thọ nhanh hơn phương thức truyền thống.

Giải pháp tối ưu thời gian sạc hiện được tích hợp rộng rãi trên số đông thiết bị di động lẫn các dòng xe điện thế hệ mới. Chỉ với khoảng 30 phút kết nối nguồn điện, một vài dòng smartphone đã dễ dàng nạp lại hơn 50% mức năng lượng, trong khi các mẫu ô tô điện có thể tích lũy đủ năng lượng để chạy thêm hàng trăm ki lô mét sau mỗi chu kỳ sạc siêu tốc.

Dù tiện lợi, song các tế bào lưu trữ năng lượng không thể duy trì mãi trạng thái hoàn hảo ban đầu mà sẽ hao mòn dần theo dòng thời gian. Thực tế này dẫn tới mối bận tâm lớn của người dùng về việc áp dụng dòng điện mạnh có đẩy nhanh tiến trình lão hóa của thiết bị hay không.

Giới nghiên cứu khẳng định rằng hiện tượng suy sụp dung lượng là có xảy ra, tuy nhiên tác động cụ thể còn tùy thuộc vào cấu trúc riêng biệt của mỗi viên pin. Trên các dòng pin tân tiến ngày nay, giới kỹ sư đã đưa vào nhiều giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu tối đa những tổn hại do dòng điện cường độ cao gây ra.

Cơ chế vận hành của giải pháp sạc siêu tốc

Hệ thống pin lithium-ion hiện đóng vai trò là nguồn năng lượng lưu trữ có thể tái nạp phổ biến nhất toàn cầu. Khi cắm sạc, các hạt ion lithium sẽ dịch chuyển từ cực dương sang cực âm để tích lũy năng lượng, và tiến trình này sẽ đảo ngược lại khi người dùng tiêu thụ điện năng trên thiết bị.

Điểm phân tách giữa phương thức sạc siêu tốc và sạc tiêu chuẩn nằm ở vận tốc dịch chuyển của các ion lithium. Trái với việc phải mất tới vài tiếng đồng hồ để làm đầy nguồn điện như cách cũ, công nghệ mới giúp rút ngắn đáng kể thời gian xuống chỉ còn tầm một giờ hoặc thậm chí ngắn hơn.

Phó giáo sư Tưởng Chí Viễn, hiện đang công tác tại Khoa Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ (Đại học Giao thông Tây An, Trung Quốc), phân tích:

"Phương pháp nạp điện truyền thống tận dụng nguồn điện yếu hơn, giúp các ion lithium thong thả đi vào cực âm, tỏa ra ít nhiệt lượng và giảm thiểu áp lực lên cấu tạo vật chất của pin. Ngược lại, tính năng sạc siêu tốc đòi hỏi dòng điện kèm công suất lớn hơn nhiều nhằm tối ưu hóa thời gian chờ đợi".

Thực tế, không phải mọi viên pin đều được chế tạo để thích ứng với tốc độ truyền tải điện năng cao. Khả năng chống chịu này bị chi phối bởi các yếu tố cấu thành như nguyên vật liệu, kiến trúc phần cứng bên trong cùng hệ thống điều phối năng lượng.

Những module pin có hỗ trợ tính năng sạc cấp tốc thường được cải tiến về chất điện giải, vật liệu điện cực và tối ưu hóa kiến trúc nội tại nhằm hạ thấp điện trở, cho phép các ion lithium bứt tốc dễ dàng mà vẫn kiểm soát được lượng nhiệt sinh ra.

Nhà nghiên cứu Stanislaw Zankowski (đến từ Đại học Oxford, Anh) đã đưa ra một hình ảnh so sánh sinh động khi ví hiện tượng này với hoạt động giao thông đô thị.

"Chúng ta có thể coi các ion lithium giống như các phương tiện đang di chuyển trên đường. Việc sạc siêu tốc chính là tìm giải pháp thúc đẩy mật độ giao thông lưu thông nhanh hơn nhưng tuyệt đối không được gây ra tình trạng tắc nghẽn".

Bản chất việc sạc siêu tốc thúc đẩy tiến trình suy thoái nguồn pin

Bất kỳ hệ thống pin lithium-ion nào cũng phải đối mặt với tình trạng hao hụt dung lượng theo năm tháng, kể cả khi được bảo quản khoa học. Tuy vậy, chu kỳ sạc cường độ cao có thể kích hoạt một số phản ứng hóa học ngoài ý muốn, khiến tế bào năng lượng già hóa nhanh hơn.

Đáng chú ý nhất trong số đó là tác động từ hiện tượng mạ lithium (lithium plating). Khi dòng điện đi vào quá nhanh, một lượng ion lithium không kịp thẩm thấu vào cực âm mà bị tồn đọng lại, hóa thành các lớp kim loại bám trên bề mặt của điện cực.

Sự xuất hiện của các lớp kim loại này làm hao hụt lượng lithium hữu ích phục vụ cho việc tích điện, dẫn tới hệ quả dung lượng lưu trữ tụt giảm dần. Nguy hiểm hơn, chúng có thể phát triển thành những cấu trúc tinh thể sắc nhọn dạng kim (dendrite), đâm rách màng ngăn cách bên trong tế bào pin và làm tăng cao rủi ro chập mạch.

Bên cạnh đó, việc nạp năng lượng tốc độ cao cũng sản sinh nhiều nhiệt lượng hơn do ảnh hưởng từ điện trở nội tại. Vận tốc sạc càng đẩy lên cao thì mức nhiệt tỏa ra sẽ càng lớn.

Chuyên gia Zankowski lưu ý rằng đối với các viên pin kích cỡ nhỏ gắn trên điện thoại di động, lượng nhiệt phát sinh thường ở mức vừa phải. Song, với các khối pin khổng lồ trang bị cho xe điện, dòng điện cực đại khi sạc nhanh sẽ tạo ra lượng nhiệt lớn hơn rất nhiều, bắt buộc tốc độ nạp phải được tinh chỉnh liên tục nhằm duy trì trạng thái an toàn.

Môi trường nhiệt độ cao là chất xúc tác đẩy nhanh các phản ứng hóa học tiêu cực, làm kết cấu vật liệu điện cực nhanh chóng thoái hóa. Ở những tình huống cực đoan, nguồn pin có thể xảy ra hiện tượng biến dạng phồng to, bốc cháy hoặc kích hoạt nổ do mất kiểm soát nhiệt (thermal runaway).

Chính vì vậy, người tiêu dùng được khuyến cáo cần thực hiện nghiêm túc các chỉ dẫn từ phía nhà sản xuất khi tiến hành nạp điện cho các thiết bị dùng pin hoặc ắc quy.

Hiện tại, phần lớn các thiết bị như smartphone, máy tính xách tay cùng xe ô tô điện đều được tích hợp hệ thống quản lý pin (BMS) thông minh, giúp giám sát chặt chẽ các thông số về điện áp, cường độ dòng điện và nhiệt độ suốt thời gian cắm sạc.

Cơ chế này giải thích vì sao điện thoại của bạn đôi khi phát ra thông báo cảnh báo khi máy quá nóng, hoặc sẽ chủ động hãm tốc độ nhận năng lượng nhằm che chở cho viên pin.

Bí quyết giúp tối ưu hóa và duy trì độ bền của pin

Cả hai chuyên gia Zankowski và Tưởng Chí Viễn cùng chung nhận định rằng yếu tố nhiệt độ đóng vai trò then chốt quyết định tới độ bền lâu dài của pin.

Người dùng được khuyên nên hạn chế việc cắm sạc thiết bị tại những khu vực có nhiệt độ cao, ví dụ như bên trong cabin xe hơi đỗ ngoài trời nắng hoặc trực tiếp dưới ánh mặt trời gay gắt. Ngược lại, môi trường quá lạnh cũng đem lại tác động tiêu cực do làm cản trở năng lực dịch chuyển của các ion lithium.

"Ngưỡng nhiệt độ hoàn hảo nhất dành cho quá trình nạp năng lượng là trong khoảng 20-25 độ C, tương đương với không gian mát mẻ khiến con người thoải mái", Zankowski chia sẻ.

Bên cạnh đó, các nhà kỹ thuật cũng đưa ra lời khuyên tránh thói quen liên tục cắm sạc máy tính xách tay trong suốt nhiều ngày dài.

Theo gợi ý của Phó giáo sư Tưởng Chí Viễn, mọi người nên áp dụng phương pháp "sạc nông, xả nông". Cụ thể là nên cố gắng duy trì lượng điện năng của thiết bị ở ngưỡng từ 20-80% cho các hoạt động thường nhật, thay vì có thói quen sạc cố lên mức 100% hoặc đợi tới khi máy tắt nguồn hoàn toàn. Thói quen nhỏ này sẽ góp phần đáng kể vào việc gia tăng tuổi thọ cho nguồn pin trong suốt quá trình vận hành lâu dài.

Cảm ơn quý độc giả đã dành thời gian theo dõi bài viết này. Hy vọng những thông tin trên sẽ giúp bạn bảo quản thiết bị hiệu quả hơn, và đừng quên đón đọc thêm các bài viết chia sẻ kiến thức công nghệ hữu ích ngay phía dưới nhé.