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.
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.
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.
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.
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
