So sánh Pin Nickel Cadmium (NiCD) – Nickel-metal hydride (NiMH) – Lithium Ion (Li-Ion)

Pin Niken (NiCD – NiMH) và pin Lithium là các dòng pin sạc được sử dụng phổ biến hiện nay trong ngành sản xuất xe điện. Với đặc tính khác nhau, mỗi loại pin sẽ có ưu thế riêng, đáp ứng được đa dạng nhu cầu của khách hàng. Bài viết này sẽ giúp bạn đưa ra quyết định sáng suốt khi lựa chọn giữa pin NiCd, NiMH và Li-ion.

Pin sạc NiCd (Nickel-Cadmium) là một loại pin có thể sạc lại được, sử dụng niken oxit hydroxit (NiOOH) làm điện cực dương và cadmium (Cd) làm điện cực âm, với chất điện giải thường là kali hydroxit (KOH). Đây là một trong những công nghệ pin sạc đầu tiên được phát triển và từng rất phổ biến trước khi các loại pin như NiMH hay Li-ion xuất hiện.

Đặc điểm chính của pin NiCd:

1. Độ bền cao: Pin NiCd có khả năng chịu được nhiều chu kỳ sạc/xả (thường lên đến 1000 lần hoặc hơn) mà không bị suy giảm quá nhiều hiệu suất.
2. Hiệu suất tốt ở nhiệt độ thấp: Nó hoạt động ổn định trong điều kiện lạnh, phù hợp với các thiết bị sử dụng ngoài trời.
3. Dòng xả cao: Pin NiCd có thể cung cấp dòng điện lớn trong thời gian ngắn, rất lý tưởng cho các dụng cụ điện cầm tay như máy khoan hoặc cưa điện.
4. Hiệu ứng nhớ (memory effect): Đây là nhược điểm lớn của NiCd. Nếu pin không được xả hết trước khi sạc lại, dung lượng khả dụng có thể giảm dần, làm pin “nhớ” mức dung lượng thấp hơn.
5. Điện áp: Mỗi cell NiCd thường cung cấp 1.2V, tương tự như NiMH.
6. Chứa kim loại nặng: Cadmium là chất độc hại, gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách sau khi hết tuổi thọ.

Ứng dụng:

Pin NiCd từng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như điện thoại không dây, máy quay phim cầm tay, dụng cụ điện, và thậm chí trong hàng không vũ trụ nhờ độ tin cậy cao. Tuy nhiên, do tác động môi trường của cadmium và sự phát triển của các công nghệ pin tiên tiến hơn (như NiMH và Li-ion), pin NiCd hiện nay ít được sử dụng trong các sản phẩm tiêu dùng.

Pin sạc NiMH (Nickel-Metal Hydride) là một loại pin có thể sạc lại được, sử dụng hợp chất niken và kim loại hiếm (metal hydride) làm nguyên liệu chính. Đây là loại pin phổ biến trong các thiết bị điện tử như máy ảnh, đèn pin, đồ chơi, và một số ứng dụng công nghiệp nhờ vào ưu điểm về hiệu suất và khả năng tái sử dụng.

Đặc điểm chính của pin NiMH:

1. Dung lượng cao: So với pin NiCd (Nickel-Cadmium) trước đó, pin NiMH có dung lượng lớn hơn, nghĩa là lưu trữ được nhiều năng lượng hơn trong cùng một kích thước.
2. Thân thiện với môi trường: Pin NiMH không chứa cadmium – một chất độc hại, nên ít gây hại cho môi trường hơn NiCd.
3. Hiệu ứng nhớ thấp: Dù vẫn có hiệu ứng nhớ (memory effect) – hiện tượng pin mất dung lượng nếu không được xả hết trước khi sạc – nhưng nó ít hơn so với pin NiCd.
4. Điện áp: Thường là 1.2V mỗi cell, thấp hơn một chút so với pin kiềm (alkaline) thông thường (1.5V).

Ứng dụng:

Pin NiMH được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cần nguồn năng lượng ổn định và có thể sạc lại, chẳng hạn như xe điện nhỏ, thiết bị y tế cầm tay, hoặc pin dự phòng. Tuy nhiên, nó đang dần bị thay thế bởi pin Li-ion (Lithium-ion) trong một số ứng dụng hiện đại do Li-ion nhẹ hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.

Pin sạc Li-ion (Lithium-ion) là một loại pin có thể sạc lại được, sử dụng ion lithium di chuyển giữa điện cực dương (thường là hợp chất lithium như LiCoO₂) và điện cực âm (thường là than chì hoặc graphit) để tạo ra dòng điện. Đây là công nghệ pin hiện đại và phổ biến nhất hiện nay nhờ vào hiệu suất cao và tính linh hoạt.

Đặc điểm chính của pin Li-ion:

1. Mật độ năng lượng cao: Pin Li-ion lưu trữ được nhiều năng lượng trong một kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, khiến nó lý tưởng cho các thiết bị di động.
2. Không có hiệu ứng nhớ: Không giống NiCd hay NiMH, pin Li-ion không bị giảm dung lượng khi sạc lại trước khi xả hết, giúp sử dụng linh hoạt hơn.
3. Điện áp cao hơn: Mỗi cell Li-ion thường cung cấp khoảng 3.6V – 3.7V (cao hơn nhiều so với 1.2V của NiCd và NiMH).
4. Tự xả thấp: Pin Li-ion mất năng lượng rất chậm khi không sử dụng, thường chỉ khoảng 1-2% mỗi tháng.
5. Tuổi thọ giới hạn: Dù bền, pin Li-ion thường chỉ chịu được khoảng 300-1000 chu kỳ sạc/xả trước khi dung lượng bắt đầu suy giảm đáng kể.
6. An toàn: Nếu bị hư hỏng, sạc quá mức hoặc quá nhiệt, pin Li-ion có thể phát nổ hoặc cháy, đòi hỏi mạch bảo vệ (BMS – Battery Management System) đi kèm.

Ứng dụng:

Pin Li-ion được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị hiện đại như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện, máy bay không người lái (drone), và cả hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời. Nhờ trọng lượng nhẹ và hiệu suất cao, nó đã thay thế hầu hết các loại pin cũ như NiCd và NiMH trong nhiều lĩnh vực.

Nhược điểm:

• Giá thành cao hơn so với NiCd và NiMH.
• Nhạy cảm với nhiệt độ cao, dễ suy giảm tuổi thọ nếu không được bảo quản đúng cách.

Pin NiMH cung cấp các ưu điểm sau so với NiCd:

• Công suất cao hơn
• Ít bị hạn ảnh hưởng về hiệu ứng nhớ memory effect
• Thân thiện với môi trường

Pin NiCd cung cấp các ưu điểm sau so với NiMH:

• Vòng đời dài hơn
• Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn
• Giá thấp hơn

Pin Li-Ion cung cấp những ưu điểm sau so với hóa chất Niken:

• Trọng lượng nhẹ
• Thân thiện với môi trường
• Không có hiệu ứng bộ nhớ memory effect
• Mật độ năng lượng cao hơn

So sánh các loại pin 

So sánh pin NiCd, NiMH, và Li-ion

	NiCd	NiMH	Li-ion
Công suất tương đối *	1	1.4	3
Tuổi thọ sạc/xả **	> 500 chu kỳ	> 300 chu kỳ	> 300 chu kỳ
Hiệu ứng bộ nhớ memory effect ***	Bị ảnh hưởng đáng kể	Ít bị ảnh hưởng	Không bị ảnh hưởng
Nhiệt độ Hoạt động	-30 đến +60°C	-20 đến +50°C	-10 đến +50°C
Nhiệt độ sạc	0 đến +45°C	0 đến +45°C	0 đến +40°C
Nhiệt độ Bảo quản	0 đến +30°C	0 đến +30°C	0 đến +30°C
Tự xả	Mất 20% / tháng ở nhiệt độ 25°C	Mất 30% / tháng ở nhiệt độ 25°C	Mất 3% / tháng ở nhiệt độ 25°C
Tái chế	Yêu cầu	Không yêu cầu như khuyến nghị	Không yêu cầu

* Công suất tương đối – Công suất điện của pin khi so sánh với gói NiCd. M/A-COM xác định dung lượng của bộ pin bằng cách kiểm tra. Một số bên thứ ba đánh giá gói của họ bằng cách sử dụng thông số kỹ thuật tế bào cá nhân. Các nhà sản xuất tế bào đánh giá các tế bào dựa trên một sạc và xả chậm. Trong các ứng dụng vô tuyến di động mặt đất, pin được sạc và xả mạnh hơn nhiều và sẽ không đạt được công suất định mức của chúng. Ngoài ra, khi tế bào được kết nối nối tiếp, vì chúng nằm trong tất cả các bộ pin, không thể trích xuất định mức dung lượng tế bào từ gói.

** Tuổi thọ sạc/xả – Điều này thể hiện số lần pin có thể được sạc và xả, tương đương với tuổi thọ của pin. Tần suất sử dụng có thể kéo dài hoặc rút ngắn con số này.

*** Hiệu ứng bộ nhớ Memory effect – Hiệu ứng bộ nhớ xảy ra khi bộ pin được sạc lại nhiều lần trước khi nó được thải ra hoàn toàn. Kết quả là ngay cả sau khi sạc đầy, pin sẽ không cho phép khai thác hết dung lượng của nó. Bộ nhớ có thể được giảm thiểu bằng cách điều hòa. Pin NiMH ít bị hiệu ứng bộ nhớ hơn. Li-Ion không nhạy cảm đến hiệu ứng bộ nhớ.

Một số công nghệ pin của tương lai như: Lithium Sulphur, Aluminum Air, Solid State

Lựa chọn loại pin nào?

Bài viết này trình bày những ưu điểm và nhược điểm của pin NiCd, NiMH và Li-ion cho thiết bị di động cầm tay, thí dụ như cân điện tử, thiết bị phòng thí nghiệm, thiết bị đo hiện trường, thiết bị cầm tay, v.vv.. để giúp người dùng có sự lựa chọn sáng suốt khi lựa chọn pin. 

Pin NiCd cung cấp nhiều chu kỳ sạc lại hơn, hoạt động trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn và có giá thấp hơn so với pin NiMH. Pin NiMH có dung lượng tương đối cao hơn, ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng bộ nhớ, và thân thiện với môi trường. Li-Ion có khả năng lớn hơn hiệu quả hơn so với pin dựa trên niken. Pin Li-Ion không có hiệu ứng bộ nhớ và thân thiện với môi trường.
Pin NiCd và NiMH không được sạc khi vận chuyển. Cả hai loại pin đều phải được sạc trước lần sử dụng đầu tiên. Ngoài ra, pin NiMH nên được ổn định trước khi sử dụng lần đầu tiên hoặc sau khi lưu trữ lâu hơn ba tháng nếu không chúng sẽ không có dung lượng đúng với định mức của chúng. Pin Li-Ion nên được sạc đầy trước lần sử dụng đầu tiên.
Nhiệt độ quá cao làm suy giảm tất cả các loại pin NiCd, NiMH và Li-Ion, nhưng NiMH và Li-Ion là nhạy hơn rõ rệt. Pin phải được bảo vệ khỏi nhiệt độ quá cao trong quá trình bảo quản, sạc, và vận hành để kéo dài tuổi thọ của chúng. Người dùng nên xem xét hoạt động nhiệt độ môi trường khi xác định loại pin nào sẽ sử dụng. Pin NiCd có phạm vi hoạt động lớn hơn so với pin NiMH. Không nên chọn NiMH hoặc Li-Ion cho môi trường rất lạnh.
Người dùng thường chọn NiMH hoặc Li-Ion để tận dụng dung lượng lớn hơn hoặc “thời gian sử dụng” mà các tế bào dung lượng cao hơn này cung cấp; tuy nhiên, thời gian dùng lâu hơn phải trả giá bằng tổng số tuổi thọ của pin so với NiCd. Tuổi thọ chu kỳ sạc/xả của pin NiMH không được bảo dưỡng định kỳ hoặc được cất giữ, vận hành hoặc sạc ở mức cao nhiệt độ xung quanh giảm. NiMH và Li-Ion không thể được sử dụng trong môi trường mà nhiệt độ pin có thể giảm xuống dưới 14°F (-10°C).