Pin
điện lithium-ion hoạt động ra sao?
Hà Dương Cự |
Pin
điện lithium-ion cho máy tính. Mới đây ba nhà khoa học đã
được trao giải thưởng Nobel về Hóa
Học vì những đóng góp vào sự phát triển
pin điện lithium-ion, viết tắt là pin li-ion. Có
thể bạn chưa bao giờ thấy cục pin
li-ion, nhưng đời sống của bạn sẽ
rất khó khăn nếu không có pin li-ion vì hầu
hết điện thoại di động và máy tính
đều dùng pin loại này. Pin li-ion còn được dùng trong
nhiều dụng cụ y khoa, máy móc xách tay như máy
khoan hay máy cưa xách tay. Nhiều xe hơi điện
và tàu nhỏ cũng dùng pin li-ion. Trong bài này tôi xin nói
về nguyên tắc, những ưu và khuyết điểm
của pin li-ion. Nguyên tắc căn bản
của pin điện Pin tiếng Việt là tiếng phiên âm
từ chữ “pile” tiếng Pháp. Pin điện là
một dụng cụ trong đó phản ứng hóa
học xảy ra và sinh ra điện. Pin điện có
ba thành phần: anốt (anode), catốt (cathode) và
chất điện giải (electrolyte). Khi anốt và catốt được
nối với nhau thành một mạch điện thì
một phản ứng hóa học xảy ra giữa
anốt và chất điện giải. Phản ứng
này sinh ra điện tử. Các điện tử này
chạy theo đường dây dẫn điện, có
thể làm sáng một bóng đèn hay khởi động
một vật dụng nào đó trên mạch điện
và trở về catốt. Một phản ứng khác
ở catốt để thu điện tử vào. Quá
trình này gọi là quá trình điện hóa học
(electrochemical process), tức là biến năng lượng
trong hóa chất thành năng lượng điện.
Sơ
đồ pin li-ion. (Hình: cei.washington.edu)
Năm
1799, ông Alessandro Volta là người tạo ra một dụng cụ phát ra
điện một cách đều đặn đầu
tiên bằng cách xếp xen kẽ từng lớp
kẽm, vải thấm nước muối, và bạc.
Cách sắp xếp này được gọi là
chồng volta (voltaic pile). Sau đó nhiều người
đã góp công sức để chế tạo ra pin
điện dùng trong nhiều công việc cho tới ngày
nay. Có
hai loại pin điện.
Một loại khi hết chất liệu sinh ra điện
thì không dùng được nữa và phải vứt
bỏ. Loại thứ hai được gọi là pin
nạp lại được (rechargeable).
Loại này có thể dùng lại sau khi được
nạp thêm điện vào pin. Pin nạp lại
được được phát minh vào khoảng năm
1859. Pin điện nạp lại được thường
rất cồng kềnh, nặng nề và làm bằng
chì và axít. Một thí dụ điển hình của
loại pin này là bình điện xe hơi. Pin li-ion hoạt động ra
sao Pin
li-ion
là loại pin điện nạp lại được.
Ngoài anốt, catốt, và chất điện giải
pin li-ion còn có một màn chắn ở giữa
anốt và catốt. Vì ion rất nhỏ nên có thể
đi qua màn chắn được. Ion lithi là chất
liệu chính trong phần điện hóa học
của pin. Trong quá trình nạp
điện thì ion lithi đi từ catốt xuyên qua màn
chắn và tới anốt. Trong phần phóng điện
(tức là khi pin đang được dùng) thì ion
lithi đi ngược lại. Sự chuyển động
này làm nảy sinh ra những điện tử tự
do ở catốt và sinh ra điện. Sự đóng góp của ba nhà
khoa học mới đoạt giải Nobel Hóa Học Kể từ thế kỷ 19 đã có
nhiều nghiên cứu và phát minh ra những loại pin
nạp lại được. Pin loại nickel-cadmium
(Ni-Cd) được phát minh vào năm 1899 và pin
loại nickel-metal-hydride (Ni-MH) được tung ra thị
trường vào năm 1989, nhưng tất cả đều
không được tốt. Chất lithi (lithium) được khám
phá ra vào năm 1817 có
nhiều đặc tính tốt để làm pin điện.
Thí dụ lithi là kim loại nhẹ nhất, chỉ
nặng 0.53 gam/(cm khối). Hơn nữa lithi có
một điện tử ở vòng ngoài. Điện
tử này có khuynh hướng rời lithi để
đi đến một nguyên tử khác. Lúc đó ion
lithi được thành hình. Ion lithi có điện tích
dương và ổn định hơn lithi.
Tính chất của lithi. (Hình: nobelprize.org)
Nhưng
lithi là một kim loại phản ứng (reactive metal),
có nghĩa là lithi dễ có phản ứng với nước,
không khí và nhiều chất khác. Vấn đề khó
khăn là làm sao sử dụng lithi một cách hữu
hiệu và an toàn. Vào
thập niên 1970, Tiến Sĩ
Stanley Whittingham đang làm khảo cứu ở công
ty Exxon để tìm cách lưu trữ năng lượng
từ những nguồn năng lượng tái tạo
được một cách hữu hiệu hơn và
để làm nguồn năng lực cho xe hơi điện.
Vì những đặc tính của lithi ông Whittingham dùng
lithi làm anốt cho một pin điện mới mà ông
ta đang nghiên cứu. Ông ta cũng có sáng kiến là
dùng chất titanium disulfide
làm catốt. Đó là pin li-ion đầu tiên trên
thế giới. Tuy nhiên
pin li-ion của ông Whittingham có khuyết điểm.
Khi nạp điện và phóng điện nhiều
lần thì có những nhánh nhỏ mọc ra từ
mặt anốt. Những nhánh này có khi đụng vào
ca tốt gây ra chạm điện và có thể làm pin
điện cháy hay nổ. Tiến
Sĩ John Goodenough, lúc
bấy giờ đang làm việc tại Đại
Học Oxford, nghĩ là pin li-ion sẽ có năng
lực lớn hơn nếu catốt được làm
bằng một nhiên liệu khác. Sau nhiều khảo sát,
vào năm 1980, ông
Goodenough chứng minh là chất cobalt
oxide dùng làm catốt có
thể làm pin li-ion tăng lên tới 4 volt. Đây là
một sự đột phá quan trọng dẫn
tới sự phát triển những pin li-ion có lực
mạnh. Năm
1985, Tiến
Sĩ Akira Yoshino ở công ty Asahi Kasei đã thành công
trong việc bỏ kim loại nguyên chất lithi và
chỉ dùng ion lithi. Ion lithi an toàn hơn lithi rất
nhiều và mở đường cho việc dùng pin
li-ion trong nhiều lãnh vực. Công ty Sony tung ra thị
trường pin li-ion vào năm
1991 và bắt đầu một trang sử mới
ảnh hưởng tới hầu hết mọi người
trên thế giới. Những
ưu điểm của pin li-ion So với
những loại pin nạp lại
được khác như Ni-Cd
hay Ni-MH thì pin li-ion có
nhiều lợi điểm. Mật
độ năng lượng cao: Cùng một trọng
lượng thì pin li-ion có năng lượng gấp
đôi pin Ni-Cd.
Sơ
đồ pin li-ion của ông Whittingham. Điện áp của mỗi phần
tử pin cao: Một phân tử pin của pin li-ion có
thể có điện áp tới 3.6 volt. Muốn có
điện áp 3.6 volt thì pin dùng Ni-Cd hay Ni-MH phải
cần tới 3 phân tử pin. Ít bảo trì: Pin li-ion tương đối
cần rất ít công việc bảo trì. Không mất điện: Mỗi tháng pin
li-ion mất khoảng 1.5% tới 2% điện, ít hơn
một nửa loại pin Ni-Cd. Không có chất độc
cadmium:
Pin li-ion không có chất độc cadmium nên dễ
bỏ hơn các loại pin có chứa Cadmium. Những khuyết điểm
của pin li-ion Chắc bạn còn nhớ vụ Samsung
phải thu hồi Galaxy Note 7 mấy năm về trước
vì Note7 có thể bị nóng quá và phát cháy, lý do là có
chỗ sai sót liên quan đến pin li-ion. Như
vậy tuy pin li-ion được dùng hầu như
trong mọi vật dụng hiện tại nhưng nó cũng
có nhiều khuyết điểm. Pin
li-ion có thể nổ hay cháy:
Pin li-ion có tiếng là dễ cháy, vì vậy vấn
đề bảo toàn không để cho pin quá nóng
được nghiên cứu kỹ lưỡng và
kết hợp vào việc chế tạo pin li-ion. Giá
thành: Giá thành của pin
li-ion cao hơn những loại pin khác nhiều. Tuy nhiên
dùng nhiều thì giá sẻ giảm xuống. Pin
điện trong tương lai Hiện
tại pin li-ion được dùng nhiều nhưng
vẫn còn có nhiều giới hạn. Điện thoại di động dùng tối đa
hai ngày là phải nạp điện. Xe hơi
điện hiện nay chỉ có thể chạy
tới khoảng 300 dặm là
phải nạp thêm điện và mỗi lần
nạp điện thì mất nhiều thời gian. Các
công ty xe hơi đang ráo riết nghiên cứu để
có pin điện có thể làm cho xe điện
chạy xa hơn mà không phải nạp điện và
làm giảm thời gian nạp điện. Năng lượng
tái tạo được như năng lượng
mặt trời hay gió cần phải được lưu
trữ lại và đem ra dùng khi cần, thí dụ như
ban đêm hay lúc không có gió. Hiện nay pin điện
chưa có khả năng lưu trữ điện trên
phương diện vĩ mô và đây là một đề
tài nghiên cứu cần thiết trong tương lai
để giảm việc dùng nguyên liệu hóa
thạch. Hà
Dương Cự Nguồn tài liệu: http://lithiumionbattery.org, www.rechargebatteries.org, www.nobelprize.org |