Tìm hiểu về đặc tính của pin niken cadmium (Ni-Cd) và ứng dụng

Pin niken cadmium (Ni-Cd) thương mại không được phổ biến cho đến những năm 1960 bởi Sanyo ở Nhật Bản và Hoa Kỳ. Kể từ đó, pin Ni-Cd trở nên rất phổ biến cho các thiết bị điện tử, đồ chơi và dụng cụ điện có thể sạc lại được. Gần đây, pin Nickel Metal Hydride (NiMH) đã ăn đứt phần lớn thị phần.

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến các tính năng độc đáo của pin Ni-Cd, thảo luận về các ứng dụng tốt nhất của chúng, so sánh chúng với pin NiMH phổ biến hơn rất nhiều và thảo luận tại sao có những lựa chọn tốt hơn pin Ni-Cd để lưu trữ năng lượng mặt trời tại nhà.

Đặc điểm của pin Ni-Cd:

Pin niken cadmium (Ni-Cd hay “nicad”) được phát minh từ năm 1899 bởi một người Thụy Điển tên là Waldemar Jungner. Vào thời điểm đó, các điện cực xốp chứa niken, được chế tạo thành các túi để hỗn hợp niken cadmium nằm trong và dẫn điện qua.

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và thử nghiệm, đã phát hiện ra rằng càng có nhiều diện tích bề mặt bên trong pin thì càng tốt cho dòng điện mạnh hơn.

Do đó, pin Ni-Cd bây giờ giống như một “cuộn thạch” bên trong, với các tấm cực dương và cực âm xốp kẹp một bộ phân tách và cuộn lại thành một cục sạc ngon với công suất tối đa.

Ở một trong hai đầu của pin Ni-Cd là một điện cực, điểm mà điện đi vào và đi ra. Pin Ni-Cd sử dụng vật liệu hoạt động gọi là niken hydroxit ở cực dương và cadimi kim loại ở cực âm. Bên trong là dung dịch điện giải kiềm lỏng, thường là kali hydroxit.

Cadmium là một nguyên tố có độc tính cao, cần phải được xử lý đúng cách.  Trong khi pin Ni-Cd hiện đại có chứa cadmium khá tốt mà không bị rò rỉ, Liên minh Châu Âu đã cấm các kiểu pin Ni-Cd xách tay vào năm 2008.

Pin sạc Ni-Cd khác với pin chất liệu kiềm thông thường như thế nào?

Các tế bào Ni-Cd có cùng kích cỡ với các loại kiềm AAA đến phụ C và D, cũng như trong các gói kết hợp nhiều tế bào bao gồm tương đương với pin 9 volt.

Chúng có thể tạo ra các ampe tương tự và có công suất miliamp giờ (mah) tương đương với các loại pin kiềm khác. Trong những năm qua, chúng đã được sử dụng khá nhiều trong điện thoại di động gia đình, đồ chơi xe cộ, đèn pin, dụng cụ điện và thiết bị chụp ảnh.

Pin Ni-Cd có một số điểm khác biệt quan trọng so với các loại pin kiềm điển hình, bao gồm:

• Chúng có thể sạc lại được
• Dòng điện không đổi
• Sạc và xả nhanh
• Có thể hoạt động tốt trong nhiệt độ khắc nghiệt
• Tuổi thọ tốt

Chúng có thể sạc lại được

Có lẽ rõ ràng nhất, pin Ni-Cd có thể được sạc lại, trong khi hầu hết các loại pin kiềm khác sẽ cần phải vứt bỏ sau khi sử dụng hết.

Để sạc lại, chỉ cần cắm chúng vào bộ sạc pin trong một chu kỳ sạc và chúng đã sẵn sàng hoạt động. Tuy nhiên, chúng có thể bị hỏng nếu bạn sạc quá mức, vì vậy bạn nên tháo chúng ra khỏi bộ sạc pin sau khi đạt 100%.

Dòng điện không đổi:

Hầu hết pin kiềm có điện áp di động khoảng 2V, trong khi pin Ni-Cd xuất ra 1.2V.

Mặc dù điều đó nghe có vẻ là một điều tồi tệ, nhưng pin Ni-Cd có thể sử dụng 1,2 volt đó từ mỗi tế bào pin ở mức đầy đủ cho đến khi pin cạn kiệt hoàn toàn. Trong khi các loại pin khác sẽ hoạt động chậm chạp với sản lượng ngày càng ít hơn trong quá trình sạc, thì pin Ni-Cd có thể cung cấp điện áp không đổi qua mỗi vòng đời.

Bạn có thể đã có kinh nghiệm sử dụng một công cụ điện như một chiếc máy khoan thực sự bắt vít ánh sáng ban ngày ra khỏi bất kỳ vật thể nào mà nó có cơ hội tiếp xúc sau khi sạc mới. Sau đó, sự khác biệt về nguồn điện trở nên đáng chú ý sau 10 đến 12 lần sử dụng, sau đó máy khoan đó tạo ra tiếng kêu chậm và dừng lại.

Ni-Cds cho phép các công cụ điện có thể quay cứng như vít số 4 cũng như vít số 60, cho đến hết thời gian sạc.

Pin Ni-Cd có thể cung cấp sản lượng điện cao như vậy vì chúng có điện trở bên trong rất thấp. Tương tự như chất nhờn tích tụ trong đường ống hạn chế lượng nước có thể thoát ra khỏi vòi của bạn, pin Ni-Cd được chế tạo với ít vật liệu có thể cản trở dòng điện đi ra từ bình hơn các loại pin khác.

Các nhà sản xuất pin giải thích sự chênh lệch điện áp 1,2 đến 2 bằng cách bổ sung thêm các tế bào đơn vào bộ pin Ni-Cd. Điều đó có thể làm cho điện áp giống như pin truyền thống, nhưng cho phép pin vẫn tạo ra điện cao liên tục trong suốt quá trình sạc.

Sạc và xả nhanh

Thiết kế điện trở bên trong thấp cũng cho phép pin Ni-Cd xả nhiều năng lượng nhanh chóng, cũng như sạc rất nhanh.

Có thể hoạt động tốt ở nhiệt độ khắc nghiệt

Vì điện trở thấp nên pin Ni-Cd cũng không dễ bị quá nóng. Điều đó cho phép chúng sử dụng đáng tin cậy trong nhiều môi trường khắc nghiệt với phạm vi nhiệt độ rộng.

Tuổi thọ

Pin Ni-Cd có tuổi thọ hàng chục năm. Miễn là chúng không bị phá hủy do sạc quá mức, bạn có thể mong đợi chúng tiếp tục hoạt động trong nhiều năm. Sạc quá nhiều có thể làm tê liệt lỗ thông hơi trong pin, khiến các tế bào bị khô.

Tiết kiệm tối đa mức sạc của bạn bằng cách tránh “hiệu ứng bộ nhớ” trong pin Ni-Cd

Để giữ cho pin Ni-Cd của bạn ở trạng thái tốt, bạn nên bảo quản pin ở trạng thái đã xả ở nơi khô ráo, thoáng mát. Sau một hoặc hai năm, bạn nên chạy chúng qua một số chu kỳ sạc và xả để sửa chữa lại chúng. Lý do tại sao việc xả hết pin trước khi sạc là hữu ích là để chống lại một hiện tượng được gọi là “hiệu ứng bộ nhớ”. Hiệu ứng bộ nhớ chỉ có ở pin Ni-Cd.

Khi bạn thường xuyên sạc lại pin Ni-Cd sau khi sử dụng nó chỉ một chút, pin dường như “nhớ” rằng nó sẽ được nạp nhiều điện hơn sau khi lượng sạc cụ thể đó bị cạn kiệt.

Điều cuối cùng xảy ra là nó trở nên lười biếng và ngừng hoạt động khi bạn cố gắng sử dụng nhiều hơn công suất của nó vượt quá mức sạc điển hình này. Nó gần giống như việc một đứa trẻ cứng đầu đòi thêm kẹo trước khi hoàn thành bài tập về nhà.

Vì vậy, để chống lại tâm lý gây phiền nhiễu về pin này, bạn nên thường xuyên xả cạn pin Ni-Cd trước khi cất giữ và sạc đầy trước khi sử dụng

Làm cho pin Ni-Cd đã chết phục hồi lại

Mặc dù pin Ni-Cd có thể đã hết hạn sử dụng và không sạc lại, nhưng chúng có thể hoạt động trở lại bằng cách thực hiện một số “chu trình sâu” .

Đầu tiên, chúng sẽ trở lại như những “thây ma” với dung lượng bị giảm, nhưng bạn càng sạc đầy và xả nhiều hơn, chúng sẽ lại bắt đầu hoạt động như mới. Quá trình đòi hỏi việc cung cấp một dòng điện từ pin lớn hơn qua một số dây dẫn.

Các ứng dụng tốt nhất cho pin Ni-Cd

Thông thường, pin Ni-Cd được sử dụng khi yêu cầu dung lượng lớn và tốc độ phóng điện cao, điều này rất phù hợp để sử dụng cho ô tô RC, thiết bị chụp ảnh và dụng cụ điện gia đình cần nhiều năng lượng nhanh chóng.

Ngày nay, pin Nickel Metal Hydride (NiMH) có tốc độ sạc tương tự và dung lượng pin cao hơn ở cùng kích thước. Đó là lý do tại sao bây giờ bạn thấy chúng nhiều hơn trong pin dụng cụ điện và thậm chí cả điều khiển từ xa. Chúng tôi sẽ trình bày chi tiết hơn về chúng trong phần tiếp theo.

Sử dụng quy mô nhỏ tốt nhất cho pin Ni-Cd

Đèn năng lượng mặt trời: Nếu bạn có đèn trang trí hoặc đèn chiếu sáng lối đi trong vườn, thì pin Ni-Cd là một trường hợp sử dụng tuyệt vời. Đó là bởi vì chúng giữ điện lâu hơn đáng kể so với pin NiMH sau khi chúng tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời vào giữa ngày và không hoạt động vào buổi chiều muộn. Tính năng đó được những người mê pin gọi là “tốc độ tự xả” thấp.

Ngoài ra, chúng sẽ không tạo ra ít điện áp hơn cho đèn của bạn trong suốt buổi tối – chúng sẽ vẫn phát ra cùng một lượng điện năng cho đến khi mặt trời mọc vào ngày hôm sau. Và vì chúng có tuổi thọ cao hơn các loại pin khác, bạn có thể tin tưởng vào hiệu suất ổn định trong nhiều năm.

Các nhà sản xuất đèn năng lượng mặt trời nhấn mạnh vào việc sử dụng pin sạc Ni-Cd vì chúng tốt nhất cho sản phẩm của họ. Trên thực tế, các bộ sạc thường được gắn trong mỗi đèn sẽ chỉ sạc các tế bào Ni-Cd.

Sử dụng công nghiệp cho pin Ni-Cd

Nguồn điện dự phòng quan trọng: Bởi vì chúng có thể tạo ra 100% năng lượng đáng tin cậy trong nhiều điều kiện và nhiệt độ khác nhau, tồn tại trong thời gian dài và có thể được kích hoạt lại thông qua việc cải tạo lại, pin Ni-Cd công nghiệp vẫn được sử dụng rộng rãi để làm nguồn dự phòng khẩn cấp cho các hệ thống điện tử hàng không, nhà máy điện hạt nhân và thiết bị vận tải công cộng (chiếu sáng, HVAC, phanh, thiết bị tín hiệu).

So sánh Pin Ni-Cd và pin NiMH:

Pin Ni-Cd có rất nhiều lợi ích cho chúng. So với hầu hết các loại pin khác, các loại pin này:

• Kéo dài lâu hơn
• Phát ra toàn bộ năng lượng trong suốt thời gian sạc
• Có thể chịu được sự dao động nhiệt độ cao

Tuy nhiên, một loại pin sạc mới hơn, Nickel Metal Hydride (NiMH), cung cấp hơn 300% dung lượng của pin Ni-Cd – với cùng kích thước. Vì lý do đó, pin NiMH hiện được sử dụng thường xuyên hơn trong các ứng dụng tiêu hao pin cao, như thiết bị máy ảnh, dụng cụ cầm tay và đồ chơi .

Pin NiMH cũng không có “hiệu ứng bộ nhớ” khó chịu, nghĩa là chúng hoạt động ổn định qua các chu kỳ sạc và xả, bất kể kiểu sạc cục bộ thường được sử dụng.

Tuy nhiên, pin NiMH bị hỏng nhanh hơn theo thời gian so với pin Ni-Cd và chúng sẽ già đi nhanh hơn nếu chúng bị phóng điện. Đó là lý do tại sao chúng tôi khuyên bạn nên sạc đầy trước khi cất giữ.

Tại sao pin Ni-Cd không lý tưởng để lưu trữ năng lượng tại nhà

Vì pin Ni-Cd có tuổi thọ cao và có thể sạc nhanh, bạn có thể tự hỏi liệu việc ghép nối một pin công nghiệp Ni-Cd lớn với hệ thống năng lượng mặt trời gia đình có khả thi hay không. Nếu nó không phải là chi phí môi trường của việc sử dụng cadmium và chi phí tổng thể của pin, đó có thể là một ý tưởng thực tế.

Trên thực tế, các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời gia đình đã đầu tư rất nhiều vào pin axit chì, và gần đây là nhiều hơn vào công nghệ ion lithium. Do đó, chi phí của các loại pin gia đình này đã giảm đáng kể trong thập kỷ qua. Như đã nói, chúng tôi khuyến khích bạn xem xét sử dụng pin lithium-ion cho hệ thống năng lượng mặt trời gia đình của bạn.

Mặc dù chúng kéo dài ít hơn một chút, nhưng chúng có giá cả phải chăng hơn, thân thiện với môi trường hơn, dễ bảo trì hơn và dễ dàng hơn khi kết hợp chúng với hệ thống năng lượng mặt trời tại nhà của bạn và bộ sạc thông minh.

Những điều quan trọng:

• Pin Ni-Cd rất phổ biến cho các dụng cụ điện, đồ chơi, đèn pin và máy ảnh cho đến khi pin NiMH được phát triển.
• Pin Ni-Cd vẫn lý tưởng cho các ứng dụng tiêu hao thấp, như đèn chiếu sáng năng lượng mặt trời
• Vì pin Ni-Cd có tuổi thọ cao và cung cấp năng lượng ổn định trong suốt thời gian sạc nên chúng vẫn được sử dụng cho các ứng dụng dự phòng quan trọng trong công nghiệp.
• Pin NiMH có dung lượng gấp ba lần pin Ni-Cd và thân thiện với môi trường hơn.
• Pin Lithium-ion phù hợp với các ứng dụng lưu trữ năng lượng tại nhà hơn nhiều so với pin Ni-Cd hoặc NiMH.