Tìm hiểu về Pin nickel hydride (NiMH)

Pin nickel hydride (NiMH) là một loại pin sạc phổ biến được tích hợp trong nhiều thiết bị và ứng dụng hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện. Trong bài viết này, chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về những ưu điểm và nhược điểm của pin NiMH cũng như những ứng dụng đa dạng mà loại pin này đang được áp dụng.

Hãy cùng Thế giới EV khám phá chi tiết về loại pin này, đặc biệt trong bối cảnh ngày nay khi nhu cầu về năng lượng sạch đang ngày một tăng cao.

Tìm hiểu về pin nickel hydride kim loại (NiMH)

Pin nickel hydride kim loại (NiMH) là một loại pin tái sạc được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng bao gồm cả các dòng xe hybrid, tàu điện sàn thấp, và nhiều thiết bị điện tử khác.

Giống với pin Lion, pin NiMH cũng có khả năng sạc lại, điều này làm cho chúng trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng cần năng lượng đều đặn và có thể tái sử dụng nhiều lần.

Cấu tạo

Pin nickel hydride kim loại (NiMH) có cấu trúc bên trong phức tạp, với sự kết hợp của nhiều thành phần quan trọng để tạo ra nguồn năng lượng. Dưới đây là mô tả về cấu tạo cơ bản của pin NiMH:

• Cực dương (Anode): Cực dương của pin NiMH chủ yếu được làm từ hợp chất niken oxit hydroxit (NiOOH). Hợp chất này chứa niken, oxy và hydro, tạo nên một cực dương có khả năng chứa lượng lớn ion hydro.
• Cực âm (Cathode): Cực âm của pin NiMH thường sử dụng hợp chất kim loại hydride, thường là hợp kim của kim loại và hydro. Sự sử dụng hydro thay vì cadmi như pin Ni-Cd là một điểm đặc biệt của NiMH.
• Bộ phân tách (Separator): Bộ phân tách giữa cực dương và cực âm thường được làm từ vật liệu chống cháy và có khả năng ngăn cách các cực để tránh nguy cơ ngắn mạch.
• Chất điện phân (Electrolyte): Chất điện phân trong pin NiMH thường chứa dung dịch màu xanh lá cây, thường là kali hydroxit (KOH). Chất này giúp ổn định dòng điện và chuyển động của ion trong pin.
• Vỏ bọc (Casing): Vỏ bọc của pin thường được làm từ kim loại hoặc nhựa chịu nhiệt để bảo vệ các thành phần bên trong và giữ cho pin không bị rò rỉ.
• Lõi điện cực (Current Collector): Lõi điện cực thường được làm từ kim loại dẫn điện tốt, như đồng hoặc nhôm, để dẫn điện từ pin đến các thiết bị.

Nguyên lý hoạt động

Pin Nickel Hydride hoạt động dựa trên nguyên tắc của các phản ứng hóa học xảy ra tại cực dương, một cách tương tự như pin niken-cadmi (Ni-Cd). Cả hai loại pin này đều sử dụng hợp chất vô cơ niken oxit hydroxit (NiOOH) tại cực dương để tạo ra dòng điện khi pin đang hoạt động.

Tuy nhiên, điểm đặc biệt của pin NiMH nằm ở cực âm, nơi mà kim loại được sử dụng để hấp thụ hydro thay vì cadmi như trong pin Ni-Cd. Sự thay đổi này mang lại nhiều ưu điểm cho pin NiMH. Một trong những điểm nổi bật nhất là dung lượng pin lớn hơn, đôi khi có thể gấp đôi hoặc gấp ba so với pin Ni-Cd có cùng kích thước. Điều này đồng nghĩa với việc pin NiMH mang lại khả năng cung cấp năng lượng cao hơn, giúp gia tăng thời gian sử dụng của thiết bị trước khi cần phải sạc lại.

Đặc điểm của pin NiMH

Pin Nickel Hydride có những tính chất đặc trưng tạo nên hiệu suất và ổn định trong quá trình sử dụng. Dưới đây là một số đặc điểm kỹ thuật quan trọng của pin NiMH:

• Năng lượng riêng: Nằm trong khoảng từ 60-120 Wh/kg, năng lượng riêng của pin NiMH thể hiện khả năng lưu trữ năng lượng trong mỗi đơn vị khối lượng.
• Mật độ năng lượng: Có giá trị từ 140-300 Wh/L, mật độ năng lượng của pin NiMH chỉ ra khả năng chứa năng lượng trong mỗi đơn vị thể tích.
• Công suất cụ thể: Nằm trong khoảng từ 250-1000 W/kg, công suất cụ thể thể hiện khả năng cung cấp năng lượng trong mỗi đơn vị khối lượng của pin.
• Hiệu suất sạc/ xả: Dao động từ 66% đến 92%, chỉ số này cho biết khả năng chuyển đổi năng lượng giữa quá trình sạc và xả của pin NiMH.
• Tỷ lệ tự xả: Có giá trị từ 1,3-2,9%/tháng ở 20°C, tỷ lệ tự xả mô tả mức độ mất năng lượng tự nhiên khi pin không được sử dụng.
• Độ bền chu kỳ: Nằm trong khoảng từ 180 đến 2000 lần, đây là số lần sạc và xả mà pin có thể chịu đựng trước khi hiệu suất của nó giảm đi đáng kể.

Ưu nhược điểm của pin NiMH khi sử dụng cho ô tô điện

Như đã biết, pin nickel hydride được áp dụng cho các dòng xe ô tô điện hybrid hiện nay. Ở phần này chúng ta cùng điểm qua những ưu và nhược điểm của dòng pin này khi ứng dụng vào ô tô như thế nào nhé.

Ưu điểm

Giá thành rẻ

Là một công nghệ pin cổ điển và đã tồn tại từ lâu,  Pin nickel hydride không chỉ mang lại hiệu suất đáng tin cậy mà còn có chi phí sản xuất thấp hơn so với pin lithium-ion hiện đại.

Trong thời kỳ hiện nay, khi giá của các kim loại quan trọng như lithium, niken, coban, và mangan – được sử dụng trong sản xuất cực dương của pin lithium-ion đang trở nên ngày càng tăng cao, sự chênh lệch về giá giữa pin NiMH và pin lithium-ion càng trở nên đáng kể.

Điều này làm cho pin nickel hydride trở thành một sự chọn lựa hợp lý cho những người muốn tiết kiệm chi phí mà vẫn có được hiệu suất ổn định và khả năng sạc lại. Việc giảm chi phí sản xuất này còn giúp làm giảm giá thành của các sản phẩm sử dụng pin NiMH, tạo ra một lợi ích kinh tế rõ ràng cho người tiêu dùng.

Dễ dàng tái chế

Tính chất dễ tái chế, tạo ra một ưu điểm lớn trong việc bảo vệ môi trường. So với nhiều loại pin khác, pin nickel hydride chứa ít chất độc hại hơn, giảm thiểu tác động tiêu cực đối với hệ sinh thái.

Khía cạnh đặc biệt là lượng niken lớn trong cấu trúc pin NiMH, điều này không chỉ giúp nó hoạt động hiệu quả mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc tái chế. Niken là một kim loại có giá trị và dễ tái chế, giúp giảm tình trạng lãng phí tài nguyên tự nhiên.

Việc tái chế pin NiMH không chỉ giúp giảm lượng rác thải điện tử mà còn đóng góp vào chu trình kinh tế tái chế, tối ưu hóa sử dụng tài nguyên và giảm áp lực đặt ra cho môi trường.

Có khả năng phục hồi

Pin nickel hydride có một tính năng đặc biệt mà nhiều người thường không biết đó là khả năng phục hồi sau khi bị chai. Khi một pin NiMH trông như đã hết tuổi thọ, nó thường vẫn còn một lượng năng lượng dư thừa, nhưng không thể nạp được thông qua việc sử dụng thông thường.

Tuy nhiên, một số thiết bị nạp pin đặc biệt có khả năng chẩn đoán và tái nạp những khả năng dư thừa này, cho phép pin NiMH được phục hồi và tiếp tục hoạt động hiệu quả. Điều này không thể thực hiện với pin lithium-ion một loại pin phổ biến khác.

Chịu được thời tiết khắc nghiệt

Pin nickel hydride là một ví dụ xuất sắc về sự chịu đựng thời tiết khắc nghiệt. Với độ bền đáng kinh ngạc, NiMH có thể tồn tại và hoạt động hiệu quả trong môi trường nhiệt độ cực cao hoặc cực thấp.

Một ví dụ điển hình là các chiếc xe hybrid Toyota Prius đời đầu, mà nhiều trong số chúng vẫn sử dụng pin NiMH và vẫn hoạt động tốt sau một thời gian dài. Pin nickel hydride cho thấy khả năng hoạt động đáng tin cậy hơn so với một số loại pin khác.

Nhược điểm

Mật độ năng lượng thấp

Kể từ khoảng năm 2020, pin NiMH đã ít được sử dụng trong nhiều mẫu xe điện. Thay vào đó, các nhà sản xuất xe hơi đã chuyển sang sử dụng pin lithium-ion, chủ yếu là do mật độ năng lượng thấp của pin NiMH. So với pin lithium-ion, mật độ năng lượng của pin NiMH giảm đến 40%, tạo ra một hạn chế lớn đối với hiệu suất và khoảng đi lại của xe. Nhiều hãng sản xuất đang chuyển đổi sang công nghệ pin mạnh mẽ hơn như lithium-ion để đảm bảo hiệu suất và hiệu quả tối đa cho các xe điện.

Cần có hệ thống làm mát riêng 

Trong quá trình sạc nhanh và xả ra với tải lớn, pin nickel hydride thường tạo ra nhiều nhiệt độ. Điều này có thể gây hiệu ứng chai, giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin nếu không có biện pháp làm mát hiệu quả.

Để giải quyết vấn đề này, pin nickel hydride đòi hỏi hệ thống làm mát riêng biệt. Hệ thống làm mát này thường sử dụng nước hoặc chất làm mát khác để duy trì nhiệt độ an toàn cho pin trong môi trường hoạt động của xe.

Tuy nhiên, hệ thống làm mát này lại đồng nghĩa với việc tăng trọng lượng của xe. Trọng lượng thêm vào có thể làm giảm hiệu suất năng lượng và khả năng di chuyển hiệu quả của xe, và đây là một điểm hạn chế về trọng lượng và hiệu suất cho các xe điện và hybrid.

Hiệu ứng bộ nhớ

Hiệu ứng bộ nhớ xảy ra khi các thành phần của pin bị kết tinh sau thời gian sử dụng. Nguyên nhân chủ yếu của hiệu ứng này là do việc liên tục sạc và xả pin khi nó chưa đầy đủ. Ví dụ, nếu pin nickel hydride được sạc khi còn khoảng 40% dung lượng và sau đó được xả xuống 80%, pin có thể “nhớ” điều này. Khi sử dụng tiếp, pin có thể “nhớ” và tự động cho rằng nó đã đầy, dẫn đến việc giảm dung lượng thực sự của pin và rút ngắn thời gian sử dụng của nó.

Kết luận

Pin nickel hydride thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng như xe hybrid, đèn pin và thiết bị điện tử khác. Tính ổn định và khả năng chịu đựng thời tiết khác nghiệt của pin NiMH làm cho chúng trở thành lựa chọn phổ biến trong một số điều kiện vận hành.

Tuy nhiên, với sự tiến bộ của công nghệ pin, đặc biệt là pin lithium-ion, NiMH đang mất dần vị thế trong một số ứng dụng, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện, nơi mà mật độ năng lượng và khả năng sạc nhanh trở nên quan trọng. Hy vọng qua bài viết này bạn đã có thêm kiến thức về loại pin đặc biệt này. Chúc bạn may mắn và thành công!