Càng ngày người ta càng dùng nhiều điện. Hầu như mọi đồ dùng đều cần điện. Tuy nhiên vấn đề chứa điện chưa được giải quyết thỏa đáng, tức là làm sao có pin điện an toàn, rẻ, nhẹ, chứa được nhiều điện và nạp điện nhanh.
Tiếng Anh chỉ có một chữ “battery” nhưng người Việt mình thường dùng chữ pin điện hay pin để chỉ loại nhỏ, còn loại lớn thì dùng chữ bình điện.
Nguyên tắc của pin điện
Năm 1799, ông Alessandro Volta tạo ra pin điện 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). Ðây không phải là dụng cụ phát ra điện đầu tiên, nhưng là một dụng cụ phát ra điện một cách đều đặn đầu tiên. Vì phát minh này ông Volta được vinh danh bằng cách lấy tên ông đặt làm đơn vị đo lường của hiệu số điện thế. Thí dụ pin có loại 1.5 Volt, có loại 9 V…
Chữ “pin” tiếng Việt là phiên âm của chữ “pile” tiếng Pháp như trong hình minh họa trên. Bình điện trong xe hơi thì thường được gọi là bình điện xe hơi hay bình “ắc quy,” đó cũng là chữ phiên âm và rút gọn của chữ “accumulateur” tiếng Pháp.
Ðiện như bạn đã biết là một luồng các điện tử chạy trong một dây dẫn điện trong một mạch 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.
Pin điện cứ tiếp tục sản xuất ra điện cho tới khi một trong hai cực catốt hay anốt hết chất liệu cần thiết cho phản ứng hóa học. Lúc đó người ta nói là pin chết hay hết pin. Nếu là pin không nạp lại được thì phải vứt bỏ và dùng pin mới. Nếu là loại pin có thể nạp lại được (rechargeable) thì có thể dùng lại sau khi nạp điện vào.
Loại pin nạp lại được là loại có thể đổi ngược chiều lưu động của điện tử bằng một nguồn năng lực khác. Khi đó quá trình điện hóa học được đổi ngược lại. Anốt và catốt lại trở về trạng thái ban đầu và pin lại có thể sử dụng được.
Các loại pin điện thông dụng
– Pin kiềm (alkaline battery): Trước khi có loại pin kiềm thì còn có loại pin kẽm-cácbon (zinc-carbon). Có nhiều loại pin kiềm, nhưng loại pin kiềm 1.5 V (còn gọi là loại AA) là loại pin thông dụng nhất thế giới vì rẻ tiền, an toàn, để được lâu và đâu đâu cũng có bán. Anốt của pin kiềm là kẽm, catốt là hỗn hợp của măng gan đioxit (manganese dioxide) và chất điện giải là kali hiđroxit (potassium hydroxide). Sở dĩ gọi là pin kiềm là vì chất kali hiđroxit là một chất kiềm và là để phân biệt với loại pin có chất axit. Một bất lợi của pin kiềm là thường thường không nạp lại được.
– Pin điện nạp lại được: Loại pin điện nạp lại được là loại dùng trong mọi dụng cụ điện tử, từ máy tính xách tay tới điện thoại di động hay máy chụp ảnh. Có nhiều loại pin nạp lại được, tùy theo vật liệu dùng trong pin mà có tên khác nhau.
+ Niken Catmi (Nickel Cadmium viết tắt là NiCd): Loại này bây giờ không được dùng nhiều vì không tốt.
+ Niken kim loại Hyđrua (Nickel Metal Hydride viết tắt là NiMH): Ða số pin điện nạp lại được cỡ AA hiện nay đều là loại NiMH. Nếu bạn dùng nhiều pin AA trong nhà thì nên dùng loại này vì về lâu về dài thì rẻ hơn là loại pin không nạp lại được mà lại tốt cho môi trường.
+ Lithium-ion (viết tắt là Li-ion): Loại này được dùng nhiều nhất trong điện thoại di động. Sở dĩ pin Li-ion được các công ty điện thoại ưa chuộng là vì nó mạnh hơn các loại khác. Có nghĩa là nếu có cùng một trọng lượng thì loại Li-ion chứa được nhiều năng lượng hơn, dùng được lâu hơn.
– Bình điện xe hơi thường: Bình điện trong các xe hơi máy nổ thường là 12 Volt. Nó chỉ dùng để nổ máy xe chứ không dùng để quay bánh xe. Bình điện này là loại nạp lại được, đã được sáng chế ra từ thế kỷ thứ 19, có điện cực bằng chì và chất điện giải là axit sunphuric (sulphuric acid) và nước. Bây giờ bình điện xe hơi chế tạo rất tốt, có thể dùng tới bốn hay năm năm mà không phải chăm sóc.
– Bình điện xe hơi cho xe điện: Bình điện này bây giờ thường là loại Li-ion vì nó tốt hơn những loại khác. Tuy nhiên mỗi công ty xe làm một kiểu khác nhau.
Trên nguyên tắc xe điện dễ chế tạo và dễ bảo trì hơn xe hơi máy nổ vì có ít thành phần hơn. Nhưng xe điện vẫn chưa bán được nhiều vì bình điện chưa được hoàn hảo.
Những khuyết điểm của pin
– Vấn đề an toàn: Vấn đề phải có an toàn vì chắc bạn còn nhớ tới chuyện điện thoại di động Galaxy Note 7 của công ty Samsung bị cháy. Câu chuyện nghiêm trọng đến nỗi ai có cầm theo Galaxy Note 7 thì bị cấm không được lên máy bay. Cuối cùng thì Samsung phải chấm dứt bán Galaxy Note 7. Trong Tháng Giêng vừa qua Samsung tuyên bố lý do điện thoại bị cháy là vì pin điện bị lỗi trong khi chế tạo làm cho cực âm và cực dương chạm nhau và bốc cháy.
– Không dùng được lâu: Ai dùng điện thoại di động chắc cũng đã bị trường hợp hết pin vì pin của điện thoại thường dùng không được tới hai ngày là phải nạp điện. Nếu quên là điện thoại chết.
Xe điện đi được tối đa là 200 dặm là hết bình và thời gian nạp lại điện lâu không tiện để đi xa.
– Những nghiên cứu mới về bình điện: Tuy bình điện không là một trong những sáng chế mới gây ra nhiều chú ý như là xe hơi tự lái nhưng là một dụng cụ căn bản cần có của hầu hết đồ dùng hiện tại nên được nhiều các công ty và đại học bỏ công ra nghiên cứu.
Mới đây, Tháng Mười Một, 2016, đại học nổi tiếng MIT tổ chức hội nghị chuyên đề về “vật liệu để chứa năng lượng điện hóa học” (Materials for Electrochemical Energy Storage). Năng lượng điện hóa học chính là năng lượng của pin điện. Ông Carl Thompson, giám đốc Trung Tâm Xử Lý Vật Liệu, phát biểu là cần có sự sáng tạo về vật liệu làm điện cực và điện giải để làm giảm giá thành và làm tăng năng suất của pin điện.
Nhiều nghiên cứu mới được trình bày trong hội nghị. Thí dụ như công ty 3M đang nghiên cứu để thay anốt than chì (graphite) trong pin Li-ion bằng vật liệu silic (silicon) vì silic chứa nhiều lithium ions hơn và công ty Bosch thì có dự án thay thế chất điện giải dễ cháy bằng chất điện giải đặc.
Trong tương lai sẽ có rất nhiều tiến bộ về pin điện. Chẳng hạn sẽ có bình điện cho xe điện có thể chạy tới 500 dặm mới hết bình.
—————-
Nguồn tài liệu: http://electronics.howstuffworks.com, www.afdc.energy.gov – đây là trang mạng của cơ quan Alternative Fuels Data Center thuộc Bộ Năng Lượng Hoa Kỳ (U.S. Department of Energy), http://news.mit.edu.
Mời độc giả xem Điểm tin buổi sáng Thứ Năm, ngày 2 tháng 3 năm 2017
