Sạc nhanh hại pin đến mức nào?

Sạc nhanh đã trở thành một trong những công nghệ được người dùng yêu thích nhất trên các thiết bị điện tử hiện đại.

Chỉ trong khoảng 20-30 phút, nhiều mẫu smartphone có thể nạp hơn một nửa dung lượng pin, trong khi các mẫu xe điện đời mới chỉ cần dừng sạc ngắn là đã có thể bổ sung hàng trăm kilomet quãng đường di chuyển.

Liệu sạc nhanh có khiến pin xuống cấp nhanh hơn so với sạc thông thường? Ảnh: Shutterstock

Tuy nhiên, đi cùng với sự tiện lợi là một câu hỏi được nhắc đến suốt nhiều năm qua: Liệu sạc nhanh có khiến pin xuống cấp nhanh hơn so với sạc thông thường?

Theo các nhà khoa học, câu trả lời là có, nhưng không đơn giản như nhiều người vẫn nghĩ.

Sạc nhanh hoạt động như thế nào?

Hầu hết điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện và nhiều thiết bị điện tử ngày nay đều sử dụng pin lithium-ion – loại pin sạc phổ biến nhất trên thế giới.

Bên trong mỗi viên pin lithium-ion có hai điện cực chính là cực dương (cathode) và cực âm (anode). Trong quá trình sạc, các ion lithium sẽ di chuyển từ cực dương sang cực âm và được lưu trữ tại đây để sẵn sàng cung cấp năng lượng khi thiết bị hoạt động.

Sự khác biệt lớn nhất giữa sạc nhanh và sạc thông thường nằm ở tốc độ di chuyển của các ion lithium.

Ở chế độ sạc thông thường, dòng điện thấp hơn nên các ion lithium có đủ thời gian để từ từ chui vào các khoảng trống cực nhỏ bên trong cực âm.

Quá trình này tạo ra rất ít nhiệt và gần như không gây áp lực cơ học đáng kể lên cấu trúc của pin.

Trong khi đó, công nghệ sạc nhanh sử dụng dòng điện và công suất lớn hơn rất nhiều nhằm rút ngắn thời gian nạp năng lượng xuống chỉ còn khoảng một giờ hoặc thậm chí ít hơn.

Theo Giáo sư Zhiyuan Jiang thuộc Khoa Công nghệ và Kỹ thuật Hóa học của Đại học Giao thông Tây An (Trung Quốc), việc tăng đáng kể cường độ dòng điện và công suất giúp pin được nạp nhanh hơn, nhưng đồng thời cũng làm gia tăng những tác động vật lý và hóa học bên trong viên pin.

Không phải loại pin nào cũng được thiết kế để sạc nhanh

Khả năng chịu được tốc độ sạc cao không chỉ phụ thuộc vào bộ sạc mà còn phụ thuộc vào chính cấu tạo của viên pin.

Theo các chuyên gia, những loại pin hỗ trợ sạc nhanh thường sử dụng vật liệu điện cực đặc biệt, điện cực mỏng hơn hoặc chất điện phân được tối ưu để các ion lithium có thể di chuyển thuận lợi hơn.

Ngoài ra, các hãng sản xuất cũng thay đổi thiết kế bên trong viên pin nhằm giảm điện trở và hạn chế lượng nhiệt sinh ra trong quá trình sạc.

Stanislaw Zankowski, nhà nghiên cứu pin tại Đại học Oxford, ví quá trình này giống như giao thông trong một thành phố.

Ông cho biết có thể hình dung việc sạc pin giống như đưa người dân di chuyển qua hệ thống đường phố, các nút giao và các tòa nhà.

Sạc nhanh thực chất là bài toán làm sao để tăng tốc lưu lượng giao thông nhưng vẫn tránh được tình trạng ùn tắc.

Nếu thiết kế bên trong không đủ tối ưu, việc "ép" quá nhiều ion lithium di chuyển cùng lúc sẽ tạo ra những điểm nghẽn và gây áp lực lên pin.

Vì sao sạc nhanh có thể khiến pin lão hóa nhanh hơn?

Dù được sử dụng cẩn thận đến đâu, mọi viên pin lithium-ion đều sẽ suy giảm dung lượng theo thời gian. Tuy nhiên, tốc độ sạc cao có thể khiến một số phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn và đẩy nhanh quá trình lão hóa này.

Một trong những hiện tượng được các nhà khoa học quan tâm nhất là lithium plating – hiện tượng lắng đọng kim loại lithium.

Trong điều kiện sạc quá nhanh, các ion lithium đôi khi không kịp đi sâu vào bên trong cực âm. Thay vào đó, một phần lithium sẽ bám lại trên bề mặt điện cực dưới dạng kim loại.

Lớp lithium này khiến lượng ion có thể tham gia lưu trữ năng lượng giảm dần, dẫn tới dung lượng pin ngày càng thấp sau nhiều chu kỳ sử dụng.

Trong những trường hợp nghiêm trọng hơn, các lớp lithium có thể phát triển thành những cấu trúc dạng kim cực nhỏ gọi là dendrite.

Các cấu trúc này có khả năng xuyên thủng các lớp ngăn cách bên trong pin, làm tăng nguy cơ đoản mạch và gây mất an toàn.

Nhiệt độ mới là "kẻ thù" lớn nhất của pin

Một tác động đáng chú ý khác của sạc nhanh là sinh nhiệt.

Nhiệt là sản phẩm tự nhiên của điện trở bên trong pin. Công suất sạc càng cao thì lượng nhiệt tạo ra càng lớn.

Theo Stanislaw Zankowski, khi sạc một viên pin nhỏ bằng dòng điện thấp, lượng nhiệt phát sinh không đáng kể và gần như không gây nguy hiểm.

Tuy nhiên, đối với những bộ pin có dung lượng lớn như trên xe điện, dòng điện cần thiết để sạc nhanh sẽ rất cao.

Điều này khiến lượng nhiệt tăng mạnh, buộc các nhà sản xuất phải cân nhắc kỹ giữa tốc độ sạc và mức độ an toàn.

Nhiệt độ cao làm tăng tốc nhiều phản ứng hóa học bên trong pin, khiến vật liệu điện cực xuống cấp nhanh hơn theo thời gian.

Ở những trường hợp cực đoan, hiện tượng quá nhiệt có thể khiến pin bị phồng, bốc cháy hoặc thậm chí phát nổ do xảy ra hiện tượng gọi là thermal runaway (mất kiểm soát nhiệt), trong đó nhiệt lượng sinh ra liên tục kích thích các phản ứng hóa học mạnh hơn và tạo thành vòng lặp nguy hiểm.

Công nghệ hiện đại đã giúp giảm đáng kể nguy cơ hỏng pin

Tin vui là phần lớn smartphone, laptop và xe điện hiện nay đều được trang bị hệ thống quản lý pin (Battery Management System - BMS) rất thông minh.

Hệ thống này liên tục theo dõi điện áp, cường độ dòng điện và nhiệt độ của pin trong suốt quá trình sạc.

Đối với những bộ pin có dung lượng lớn như trên xe điện, dòng điện cần thiết để sạc nhanh sẽ rất cao, khiến lượng nhiệt tăng mạnh, buộc các nhà sản xuất phải cân nhắc kỹ giữa tốc độ sạc và mức độ an toàn. Ảnh: VinFast

Đó cũng là lý do nhiều người thấy điện thoại hiển thị cảnh báo nhiệt độ khi để dưới ánh nắng hoặc trong ô tô đóng kín.

Khi nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn, hệ thống sẽ tự động giảm tốc độ sạc, thậm chí tạm dừng sạc để bảo vệ pin.

Nhờ các cơ chế này, nguy cơ hư hỏng do sạc nhanh trong điều kiện sử dụng bình thường đã thấp hơn rất nhiều so với trước đây.

Làm thế nào để kéo dài tuổi thọ pin?

Các chuyên gia đều thống nhất rằng yếu tố quan trọng nhất không phải là tốc độ sạc, mà chính là nhiệt độ vận hành của pin.

Người dùng nên tránh sạc thiết bị trong môi trường quá nóng như bên trong ô tô đỗ dưới trời nắng hoặc dưới ánh nắng trực tiếp.

Nhiệt độ quá thấp cũng không tốt vì khiến các ion lithium di chuyển khó khăn hơn, làm giảm hiệu quả sạc và tăng áp lực lên pin.

Theo Stanislaw Zankowski, khoảng nhiệt độ lý tưởng để sạc pin nằm trong khoảng 20–25 độ C, tương đương mức nhiệt dễ chịu đối với con người.

Bên cạnh đó, các chuyên gia cũng khuyến cáo không nên cắm sạc laptop liên tục suốt nhiều ngày nếu không cần thiết, bởi điều này có thể làm giảm hiệu suất pin về lâu dài.

Giáo sư Zhiyuan Jiang khuyến nghị người dùng nên hình thành thói quen "sạc nông, xả nông".

Thay vì thường xuyên để pin cạn kiệt rồi mới sạc hoặc luôn sạc đầy 100%, nên duy trì dung lượng pin trong khoảng 20% đến 80% đối với nhu cầu sử dụng hằng ngày.

Theo ông, việc sạc đầy 100% sau mỗi lần sử dụng là không cần thiết trong đa số trường hợp. Nếu kết hợp thói quen sạc hợp lý với việc tránh để thiết bị quá nóng, người dùng hoàn toàn có thể tận dụng lợi ích của công nghệ sạc nhanh mà vẫn duy trì tuổi thọ pin trong nhiều năm.

(Theo LiveScience, Tom's Guide)

Hải Phong