Dây điện phải được nối tới mọi nơi, tạo ra một hệ thống hỗn độn, tiềm ẩn rất nhiều nguy hiểm. Nhưng thật may chúng ta có những viên pin, một nguồn năng lượng di động, làm cho những thiết bị công nghệ trở nên hữu ích hơn bao giờ hết.

 

 

Dẫu hiện nay có rất nhiều loại pin nhưng nguyên tắc hoạt động của chúng đều giống nhau. Khi một thiết bị điện được nối đến pin, phản ứng xảy ra bên trong pin và sản sinh năng lượng điện. Phản ứng này được gọi là phản ứng điện hóa.

 

Nhà vật lý người Ý Alessandro Volta là người đầu tiên phát hiện ra quá trình này vào năm 1799 khi ông tạo ra một bộ pin đơn giản từ các tấm kim loại và bìa giấy ngâm trong dung dịch muối. Kể từ đó các nhà khoa học đã cải tiến rất nhiều thiết kế sơ khai của Volta để tạo ra những viên pin từ nhiều loại vật liệu khác nhau và đa dạng về kích cỡ.

 

Ngày nay, pin trở nên vô cùng phổ biến, xuất hiện ở khắp nơi quanh chúng ta. Pin cung cấp nguồn năng lượng di động tạo ra rất nhiều sự tiện lợi mà chúng ta đang thụ hưởng. Pin có trong rất nhiều thiết bị điện tử như đồng hồ, đèn pin, máy cạo râu, khoan điện, máy nghe nhạc, điện thoại kể cả xe máy, ô tô, máy bay, tàu thuyền… Bài viết sẽ cung cấp cho bạn đọc kiến thức về pin thông qua tìm hiểu lịch sử, cấu tạo pin, cũng như quá trình xảy ra để một viên pin có thể hoạt động được.

 

 

Pin đã xuất hiện trong lịch sử nhân loại từ rất sớm.

 

 

Năm 1938, nhà khảo cổ học Wilhelm Konig đã phát hiện ra một vài chậu đất sét nung trông khá kì lạ khi ông đang khai quật ở Khujut Rabu, ngoại ô Baghdad , Irag ngày nay. Những chiếc bình dài khoảng 5 inch( 12.7 cm) có chứa một que sắt bao phủ bên ngoài bằng đồng có niên đại từ những năm 200 trước CN.

 

Các kiểm tra cho thấy rằng những chiếc bình này trước kia có lẽ đã từng chứa những hợp chất có tính axit như dấm hay rượu nho chẳng hạn. Vì vậy Konig tin rằng những chiếc bình này có thể là những viên pin của thời cổ đại. Từ phát hiện này, các học giả đã mô phỏng cấu tạo của chiếc bình và qủa thực chúng có thể tạo ra điện. Những” pin điện Baghdad” này có thể đã từng được dùng cho nghi lễ tôn giáo, chữa bệnh hay thậm chí là để mạ điện.

 

 

Vào năm 1799 nhà vật lý người Ý Alessandro Volta đã tạo ra viên pin đầu tiên bằng cách xếp chồng các lớp kẽm, lớp bìa giấy hoặc vải đã thấm nước muối và bạc với nhau. Tuy không phải thiết bị đầu tiên có thể tạo ra dòng điện nhưng lại là thứ đầu tiên có thể tạo ra dòng điện lâu dài và ổn định. Tuy nhiên phát minh này của Volta tồn tại một số hạn chế.

 

Chiều cao của các lớp được xếp lên nhau bị hạn chế bởi khối lượng của chồng đĩa kim loại sẽ ép nước muối chảy ra khỏi bìa giấy hoặc vải thấm. Các đĩa kim loại cũng có xu hướng bị ăn mòn nhanh làm rút ngắn tuổi thọ của pin. Trong hệ đơn vị đo lường quốc tế SI ngày nay lực chuyển động của các electron hay điện áp biểu thị bằng đơn vị volt để vinh danh Volta vì cống hiến của ông.

 

 

Đột phá tiếp theo trong công nghệ làm pin xuất hiện vào năm 1836 khi khi nhà hóa học John Frederick Daniell phát minh ra pin Daniell. Trong những mẫu pin loại này đầu tiên, một tấm đồng được đặt ở dưới đáy của một bình thủy tinh và đồng sulfate được đổ đầy đến nửa bình. Sau đó, một tấm kẽm được treo trong bình, và thêm vào dung dịch kẽm sulfat.

 

Bởi vì dung dịch đồng sulfate có tỉ trọng lớn hơn sulfat kẽm, dung dịch kẽm nổi lên phía trên cùng và bao quanh tấm kẽm. Dây điện nối với tấm kẽm được gọi là cực âm, trong khi một dây khác nối với các tấm đồng là cực dương. Rõ ràng, cách sắp xếp này không phù hợp với thiết bị di động như các loại đèn pin chẳng hạn nhưng với thiết bị tĩnh thì ngược lại, pin Daniel hoạt động rất tốt. Trong thực tế, pin Daniell đã được sử dụng phổ biến để cấp điện cho chuông cửa điện và điện thoại trước khi các máy phát điện được phát triển thành công.

 

Đến năm 1898, pin khô Colombia đã trở thành pin đầu tiên được thương mại hóa trên lãnh thổ Hoa Kì. Nhà sản xuất, công ty National Carbon sau đó đã trở thành công ty Eveready, hãng sản xuất ra thương hiệu pin Energiner danh tiếng.

 

 

 

Hãy nhìn vào bất kỳ viên pin nào, và bạn sẽ nhận thấy rằng nó có hai cực (terminal). Một cực được đánh dấu (+) là cực dương, cực còn lại được đánh dấu (-) là cực âm. Trong những loại pin cho đèn pin thông thường, như pin AA, C hoặc D, các cực của pin đặt trên hai đầu của pin. Tuy nhiên, một pin 9 volt hoặc ắc quy xe hơi, hai cực pin nằm cạnh nhau phía trên đỉnh viên pin. Nếu bạn kết nối một dây giữa hai cực này, các electron sẽ đi từ cực âm đến cực dương với tốc độ cực kì nhanh. Điều này sẽ làm pin hết nhanh và cũng có thể gây nguy hiểm, đặc biệt là với các loại pin lớn. Để sử dụng pin, bạn phải kết nối pin với một tải chẳng hạn như một bóng đèn, một động cơ hoặc một mạch điện tử.

 

Các thành phần bên trong của pin được đặt trong vỏ kim loại hoặc nhựa. Bên trong lớp vỏ này là cathode, kết nối với cực dương và anode kết nối cực âm. Các thành phần này được gọi các điện cực, chiếm hầu hết không gian trong pin và là nơi mà các phản ứng hóa học xảy ra.

 

Một lớp phân cách tạo ra một rào chắn giữa cathode và anode, ngăn ngừa các điện cực này tiếp xúc với nhau trong khi các điện tích vẫn có thể lưu thông tự do. Lớp trung gian cho phép các điện tích chạy giữa cực âm và cực dương được gọi là điện phân. Cuối cùng, anode được nối với đầu âm và cathode nối với đầu dương để truyền điện ra ngoài.

 

 

Rất nhiều xảy ra bên trong pin khi bạn bật một chiếc đèn pin, điều khiển từ xa hoặc các thiết bị không dây khác. Trong khi các quy trình tạo ra dòng điện khác nhau đôi chút tùy theo loại pin, nhưng nguyên lý hoạt động chẳng khác gì nhau.

 

 

Khi tải được nối với 2 cực , pin sản xuất điện thông qua một loạt các phản ứng điện từ giữa cực dương và cực âm và điện phân. Ở anode xảy ra phản ứng oxi hóa trong đó hai hoặc nhiều ion từ chất điện phân kết hợp với anode, tạo ra một hợp chất và giải phóng một hoặc nhiều electron. Đồng thời, ở cathode xảy ra phản ứng khử, trong đó chất làm cathode, các ion và electron tự do cũng kết hợp để tạo thành hợp chất.

 

Quy trình này nghe có vẻ phức tạp nhưng thực sự rất đơn giản: Phản ứng ở cực âm (anode) tạo ra các electron điện tử, và các phản ứng trong cực dương (cathode) sẽ hấp thụ những electron đó. Kết quả là ta có dòng điện. Các pin sẽ sản xuất điện liên tục cho đến khi một hoặc cả hai điện cực bị ăn mòn hết khiến các phản ứng hóa học trên không thể xảy ra.

 

Pin hiện đại sử dụng nhiều loại hóa chất để thúc đẩy phản ứng điện hóa tạo ra dòng điện. Các pin hóa học thường gặp bao gồm:

 

• Pin kẽm - carbon: pin sử dụng điện cực kẽm, carbon khá phổ biến đối với các loại pin rẻ tiền AAA, AA, C và pin khô D. Anode là kẽm còn cathode là mangan dioxide, và chất điện phân là amoni clorua hoặc kẽm clorua.

 

• Pin Alkaline (pin kiềm): pin hóa học này cũng phổ biến trong các loại pin AA, C và pin khô D. Cathode tạo thành từ hỗn hợp mangan dioxide, trong khi anode là một loại bột kẽm. Pin được đặt tên theo chất điện phân bên trong là kali hydroxit, là một chất kiềm (alkaline)

 

• Lithium-ion pin (có thể sạc lại): pin thường được sử dụng trong các thiết bị hiệu suất cao, chẳng hạn như điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và xe điện. Nhiều chất được sử dụng trong pin lithium, nhưng một sự kết hợp phổ biến là Lithium Cobalt oxide để làm cathode và cacbon làm anode

 

• Pin chì - axit (có thể sạc): Đây là loại pin được sử dụng phổ biến trong các xe hơi hay còn gọi là ắc quy. Các điện cực thường được làm bằng chì dioxide và chì kim loại, trong khi chất điện phân là dung dịch axit sulfuric.

 

 

Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm về các phản ứng điện hoá xảy ra trong pin, bạn có thể hoàn toàn tự làm thí nghiệm với những vật liệu gia dụng đơn giản. Bạn nên mua một đồng hồ đo điện ở các cửa hàng điện tử, có thể đọc điện áp thấp (trong phạm vi 1 volt) và cường độ điện thấp (trong khoảng 5-10 milliamp) để đo lường thí nghiệm. Với thiết bị này trên tay, bạn sẽ có thể nhìn thấy chính xác pin của bạn hoạt động ra sao.

 

 

Bạn có thể tạo ra pin Volta của bạn bằng cách sử dụng đồng xu bằng đồng, giấy kim loại gói thực phẩm, giấy thấm, giấm và muối. Cắt giấy gói thực phẩm và giấy thấm thành hình tròn, sau đó ngâm giấy thấm trong một hỗn hợp giấm và muối. Sử dụng băng keo giấy, gắn vào một trong những đĩa giấy thiếc vừa cắt một đoạn dây đồng. Bây giờ bạn xếp chồng các vật liệu theo thứ tự sau: giấy kim loại, giấy thấm, đồng xu, giấy kim loại, giấy thấm, đồng xu và xếp khoảng 10 lần như thế.

 

Khi các đồng xu cuối cùng nằm ở phía trên thì bạn đính kèm vào nó một dây điện. Cuối cùng, nối hai dây điện đã gắn với một bóng đèn LED, đèn sẽ sáng. Trong thí nghiệm này, kim loại đồng trong đồng xu đóng vai trò như cực dương (cathode) còn giấy kim loại đóng vai trò như cực âm (anode), dung dịch dấm và muối chính là chất điện phân, và giấy thấm là các màng phân cách giữa các lớp.

 

 

Một pin tự chế cũng có thể được làm từ dây đồng, kẹp giấy kim loại và một quả chanh. Đầu tiên, cắt một đoạn ngắn dây đồng và uốn thẳng chiếc kẹp giấy. Sử dụng giấy ráp đánh mịn cả hai thứ trên. Tiếp theo, nhẹ nhàng ép chanh bằng cách lăn trên bàn nhưng cẩn thận không để làm vỡ quả chanh. Cắm dây đồng và kẹp giấy vào chanh, đảm bảo khoảng cách giữa chúng càng gần càng tốt nhưng không được tiếp xúc nhau. Cuối cùng, nối dây đồng và kẹp giấy với đồng hồ đo điện, bạn sẽ thấy viên pin chanh này thực sự hoạt động.

 

 

Cùng với sự phát triển không ngừng của thiết bị di động như máy tính xách tay, điện thoại di động, máy nghe nhạc MP3 và các thiết bị điện không dây, nhu cầu về pin sạc đã tăng mạnh trong những năm gần đây. Pin sạc xuất hiện từ năm 1859, khi nhà vật lí Pháp Gaston Plante phát minh ra pin chì - axit. Với cực âm là kim loại chì, cực dương là chì dioxide và sử dụng axit sulfuric làm chất điện phân, pin Plante là một tiền thân của ác quy trên xe hơi ngày nay.

 

 

Pin không có khả năng sạc (pin sơ cấp), và pin có thể sạc (pin thứ cấp), đều sản xuất hiện theo cùng một cách giống nhau: thông qua một phản ứng điện hóa có sự tham gia của cực dương, cực âm và chất điện phân. Trong loại pin có thể sạc được, phản ứng đó có thể đảo ngược. Khi pin được cấp năng lượng điện từ một nguồn bên ngoài, dòng electron bị đảo ngược, các electron chạy từ cực dương sang cưc âm, pin được nạp. Pin sạc phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là lithium-ion (Lion), thay thế cho pin nickel-metal hydride (NiMH) và nickel cadmium (NiCd) từng rất phổ biến trước đây.

 

 

Khi nói đến pin sạc, không phải tất cả các pin được tạo ra giống nhau. Pin NiCd là pin sạc được phổ biến rộng rãi đầu tiên nhưng nó gặp phải vấn đề gọi là “hiệu ứng nhớ”. Về cơ bản, nếu loại pin này không được xả hoàn toàn mỗi khi được sử dụng, nó sẽ nhanh chóng bị mất dung lượng. Vì thế Pin NiCd đã bị thay thế bởi pin NiMH. Loại pin thứ cấp này có công suất cao hơn và được thiết kế để giảm thiểu tác động từ hiệu ứng nhớ, nhưng thời gian lưu kho không cao. Giống như pin NiMH, pin Lion có tuổi thọ cao, nhưng có khả năng giữ điện tốt hơn, hoạt động ở điện áp cao hơn, và nhỏ nhẹ hơn nhiều.

 

Tuy nhiên, pin Lion vẫn chưa thể xuất hiện trong các cỡ pin tiêu chuẩn như AAA, AA, C hoặc D và giá thành vẫn cao hơn đáng kể hơn so với các loại pin cũ khác.

 

 

Với pin NiCd và NiMH,người dùng phải hết sức chú ý. Không sạc pin quá mức, nếu không có thể làm pin bị giảm dung lượng. Để ngăn chặn điều này xảy ra, một số bộ sạc được thiết kế có thể tự động ngắt khi pin đã đầy. Pin NiCd và NiMH cần phải được phục hồi, có nghĩa chúng cần được phóng điện hoàn toàn và nạp đầy trở lại để giảm thiểu hiện tượng pin bị chai. Mặt khác, pin Lion có mạch sạc bên trong giúp ngăn ngừa hiện tượng sạc quá mức và không bao giờ cần phải phục hồi.

 

Công nghệ chế tạo pin đã đạt được nhiều thành tựu kể từ những ngày đầu tiên xuất hiện pin Volta. Những phát triển này phản ánh rõ rệt nhất sự nhảy vọt của thế giới đồ điện xách tay, thế giới mà ngày càng phụ thuộc nhiều hơn vào những nguồn năng lượng di động này. Nhưng chắc chắn rằng trong tương lai, thế hệ pin tiếp theo sẽ ngày càng nhỏ hơn mạnh mẽ hơn và có độ bền cao hơn.