Bình ắc quy 100 Ah xả nhanh chỉ còn 47 Ah — dung lượng không phải một con số

Nhãn trên bình ắc quy ghi 100 Ah — một con số duy nhất, vậy mà chiếc bình ấy chẳng bao giờ trả lại đủ 100 ampe-giờ ngoài đời thực. Rút 5 A trong 20 giờ thì được; rút gấp 20 lần nhanh hơn thì chỉ còn 47,3 Ah:

Dòng xả I (A)

Dung lượng danh định C (Ah)

Số mũ Peukert k

Dung lượng không phải tính chất vật liệu

Nhãn “100 Ah” không kể cho bạn rằng con số ấy kèm một bộ điều kiện: xả trong 20 giờ ở nhiệt độ 20 °C. Tăng dòng xả lên gấp đôi, ba, mười lần thì dung lượng không tăng tương ứng — nó rớt đi. Đây không phải lỗi sản xuất: nó là luật của hóa học.

Phía trong bình, dòng điện chạy qua chất điện giải — muối hòa tan trong nước. Dòng cao là áp lực cao: các ion phải di chuyển nhanh hơn, chúng va đập vào các nút quanh, mất năng lượng thành nhiệt. Tốc độ phản ứng hóa học cũng tính theo nồng độ tại bề mặt điện cực — rút nhanh là làm cạn kiệt nồng độ địa phương, phải ngừng để chất bổ sung kịp. Mà khi dòng cao, nó cũng vét sạch lớp chất gần bề mặt: nông không đủ để tiếp tục, nên hiệu suất đơn vị dòng rớt xuống. Một bình 100 Ah không có cách nào chứa 100 ampe-giờ ở dòng cao — dù nó là bình tốt.

Công thức dự đoán tổn hao: t = H·(C/(H·I))^k

Định luật Peukert khắn gọn mối quan hệ: thời gian xả phụ thuộc vào tỷ lệ dòng-trên-định mức như một số mũ. Dài dòng, nếu xả 1C (xả hết định mức trong 1 giờ), bạn thu về ~47% thay vì 100%. Vì sao không phải 50%? Vì con số ấy là từ thử nghiệm, từ đó tính ra công thức. Peukert phát hiện vào 1897 — ông ta đo nhiều dòng, rồi ghép bằng một lũy thừa k:

Với H = 20 giờ (định mức tiêu chuẩn) và C = 100 Ah, xả ở dòng I (ampe):

t = 20 · (100 / (20 · I))^k
Dung lượng thực = I · t

Con số k quyết định bao nhiêu: k = 1 là bình hoàn hảo (dung lượng không phụ dòng); k = 1,25 là ắc quy chì-axit tiêu chuẩn; k = 1,4 là ắc quy cũ hoặc quá tải. Thử ở ba điểm: ở C/20 (5 A), định mức chuẩn cho 100 Ah trong 20 giờ; ở C/5 (20 A) chỉ còn 70,7 Ah cho trong 3,5 giờ; ở 1C (100 A) còn lại 47,3 Ah trong 28 phút. Mất 53% chỉ vì rút nhanh gấp 20 lần.

Lithium không tổn hao như chì

Hiện tượng Peukert xuất hiện vì quán tính hóa học: phản ứng trong ắc quy chì chậm, phải có thời gian để ion khuếch tán, để nồng độ cân bằng lại. Pin điện hoá học khác nhau rất lớn — phản ứng nhanh tới mức dòng cao gần như không ảnh hưởng: k ≈ 1,02–1,05. Ở dòng cao, bình lithium 50 Ah trả lại khoảng 47 Ah — tổn hao 6% thay vì 53%.

Chính điều này giải thích vì sao “một bộ lưu điện lithium 50 Ah thay được ắc quy 100 Ah” không phải quảng cáo bịp. Hai bình khác dung lượng định mức, nhưng ở dòng cao (chế độ thực tế), lithium lớn hơn chỉ vì nó gần như không tổn hao — nó dự trữ được gần toàn bộ năng lượng dù xả nhanh.

Trường hợp biên: khi Peukert nói quá mức

Đặt k = 1 thì công thức nói rằng dung lượng không đổi, tương tự pin lithium, và đó chính là điều không phải (chúng vẫn tổn hao, chỉ ít hơn). Ở đầu kia của dải, công thức lại nói quá: xả cực chậm trong hàng trăm giờ, ắc quy không phải nằm yên — nó tự phóng điện để bổ dung các phản ứng hóa học bên trong, một dòng rò thường quên không tính. Dung lượng thực lại tụt xuống dưới dự đoán Peukert. Công thức chỉ chính xác trong dải dòng thực tế mà người dùng xả: từ C/20 tới 2C, tầm 100–200 giờ tới vài phút. Ngoài kia, hóa học khác quy luật mà Peukert viết.

Vì vậy lần tới bạn đọc thông số bình ắc quy, nhớ rằng con số ấy là một dự tính, không phải một lịch sự. Dòng xả cao, bạn lấy được ít hơn. Dòng chậm, bạn lại mất phần nào cho tự phóng điện. Bình tốt xác định được mức tổn hao; nó không bao giờ bỏ qua hoàn toàn.