Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, kích thước pin khác nhau tương ứng với rất nhiều thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay, đồ chơi trẻ em, điện thoại di động, máy tính bảng đến pin cỡ lớn dùng cho xe điện,…
Lịch sử hình thành pin
Pin được phát minh khi nào? 400 năm hay hơn 2000 năm trước?
Cách đây 400 năm, vào cuối những năm 1800 thì điện mới được ra đời, đây là một trong những phát minh vĩ đại nhất của con người. Nhưng pin đã được tạo ra hơn 2000 năm trước và được chế tạo bởi người Parthian. Đây là những viên pin xuất hiện sớm nhất trong lịch sử loài người do bàn tay chế tạo của những người Parthian, một dân tộc miền Bắc Ba Tư.
“Pin Volta” – Pin đầu tiên của nhân loại ra đời vào năm 1800
Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha đẻ của pin
Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy. Trước đó, Volta đã có nhiều nghiên cứu nhằm tăng cường tính điện của chai Laiden. Trước đó, ông đã đề xuất mô hình “súng lục bắn điện” nhằm thực hiện liên lạc đường dài. “Khẩu súng lục điện” được nối với một sợi dây sắt và đặt trên các cọc gỗ kéo dài từ Milan đến Como, Italy. Đầu cuối của dây sắt được nối với một chai chứa đầy khí mêtan. Khi muốn gởi một thông điệp được mã hóa, “súng lục điện” sẽ “bắn” một tia lửa điện và người nhận sẽ “đọc” được các thông điệp trên chai chứa mêtan. Dù vậy, mô hình của ông không hề được chế tạo thực sự.
Từ khi Galvani phổ biến các phát hiện của mình về “điện của sinh vật” vào năm 1791, tại nhiều phòng thí nghiệm lớn tại châu Âu, hàng loạt các nhà khoa học đã thực hiện các thí nghiệm với đôi chân nhái của Galvani. Có người đã nối đôi chân nhái với chai Leiden (hình thái đầu tiên của tụ điện, một chai thủy tinh tích trữ tĩnh điện giữa 2 điện cực bên trong và bên ngoài chai) và nhận thấy rằng đôi chân nhái có sự co giật dữ dội. Với thí nghiệm trên, các nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ về giả thuyết “điện sinh vật” của Galvani. Trong số những người phản đối giả thuyết có Alessandro Volta.
Đối với thí nghiệm chân nhái , Volta không quan tâm đến hiện tượng co giật đơn thuần, sâu xa hơn, ông cố gắng tìm hiểu nguồn điện đã sinh ra từ đâu để làm chân nhái có thể co giật. Volta nhận thấy rằng chân nhái chỉ co giật khi có sự tiếp xúc của 2 kim loại khác nhau. Sau khi tiếp tục nghiên cứu, Volta phát hiện thêm rằng điện sinh ra do phản ứng hóa học và hiện tượng co giật của chân ếch chỉ xảy ra khi 2 kim loại khác nhau tiếp xúc trong một dung dịch muối. Cụ thể, dung dịch muối tồn tại bên trong cơ thịt của chân nhái.
Xem thêm: Pin alkaline và những điều bạn cần biết về loại pin này
Mô hình pin của Volta
Tiếp tục nghiên cứu, năm 1800, Volta đã thực hiện một loạt các thử nghiệm dùng kẽm, chì, thiếc và sắt làm tấm tích điện âm (cathode); và đồng, bạc, vàng, than chì như một tấm tích điện dương (anode). Sau đó, ông xếp các tấm trái cực xen kẽ với nhau, ngăn cách bởi miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn. Cuối cùng, ông nối điểm đầu với điểm cuối với một sợi dây dẫn và nhận thấy có 1 dòng điện chạy qua. Đây chính là viên pin đầu tiên của nhân loại được mang tên là “pin Volta”. Sở dĩ danh từ pin hay chính xác hơn là pile được đặt cho thiết bị này chính là do đây là 1 chồng các miếng tròn bằng đồng và kẽm có hình dáng như một chiếc cọc.
Cũng trong năm 1800, Volta đã công bố phát hiện của ông về một nguồn cấp điện ổn định trước Hội đồng khoa học Hoàng Gia tại London trước sự chứng kiến và thán phục của nhiều nhà khoa học từ khắp châu Âu. Với phát minh này đã giúp tên tuổi của Volta lừng lẫy khắp nơi và được ghi nhận là người có đóng góp to lớn cho sự phát triển của nhân loại.
Tuy nhiên, Pháp mới là quốc gia đầu tiên công nhận phát minh của Volta do trong giai đoạn bấy giờ, nước Pháp đang cố gắng tiếp cận với nhiều tiến bộ của khoa học kỹ thuật nên sẵn sàng đón nhận bất cứ ý tưởng mới nào được đề xuất. Không lâu sau đó, Volta được mời tới Pháp và giảng dạy tại Viện hàn lâm khoa học Pháp về các nghiên cứu điện học của ông. Thậm chí trong nhiều bài giảng của ông có sự theo dõi của Napoleon Bonaparte.
Trong cùng năm 1800, nhà vật lý và hóa học người Cornwall, vương quốc Anh, Humphry Davy (1778-1829) đã bắt đầu thử nghiệm các tác dụng hóa học của dòng điện và phát hiện ra rằng dòng điện có khả năng tách các chất trong dung dịch mà ngày nay chúng ta biết đó là sự điện phân. Dựa trên mô hình của Volta, Davy đã chế tạo ra pin điện lớn nhất và mạnh nhất tính đến thời điểm bấy giờ tại tầng hầm của Viện khoa học Hoàng gia Anh. Những nhân chứng đã kể lại rằng mô hình pin của ông đã làm một chiếc đèn hồ quang điện chat sáng rực rỡ chưa từng thấy. Ngoài ra, Davy cũng là người nổi tiếng với việc phát hiện ra khí gây cười N2O hay đèn mỏ an toàn.
2 năm sau đó, vào năm 1802, nhà hóa học người Anh, William Cruickshank thiết kế mô hình đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mô công nghiệp. Cruickshank đã đề xuất phương pháp dùng các tấm kẽm và đồng có cùng kích thước, xếp xen kẽ với nhau, đặt vào một hộp gỗ dài hình chữ nhật và dán chặt lại. Bên trong hộp có các rãnh để giữ cố định các tấm kim loại và chứa nước đầy nước muối hoặc acid pha loãng để làm chất điện phân. Thiết kế này có ưu điểm so với mô hình ban đầu của Volta là không bị khô và có thể cung cấp được dòng điện mạnh hơn. Mô hình của Cruickshank giống như pin ướt mà chúng ta vẫn còn sử dụng cho đến ngày nay.
Từ pin có thể sạc được, pin ướt cho đến khô
Vào năm 1836, nhà hóa học người Anh, John F. Daniell đã phát triển một phiên bản pin hoàn thiện hơn với hiệu suất được cải thiện và tạo ra dòng điện ổn định hơn so với nguyên bản ban đầu của Volta hay Cruickshank. Tuy nhiên, cho tới thời điểm bấy giờ thì toàn bộ đều là pin sơ cấp, nghĩa là chỉ dùng được 1 lần và không thể sạc để tái sử dụng được. Đến năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté phát minh ra pin sạc đầu tiên. Đó là một pin với các tấm chì ngăn cách nhau bởi tấm vải flannel và được đặt trong acid sunfuric loãng. Pin sẽ được sạc lại bằng cách châm thêm acid vào để tái sử dụng. Mô hình này vẫn còn được sử dụng cho đến ngày nay dưới tên gọi pin ướt hoặc ắc quy ướt (bình ướt) hoặc pin carbon zinc.
Năm 1866 tại Pháp, kỹ sư Georges Leclanché (1839-1882) đã chế tạo pin ướt với các điện cực ngâm mình trong dung dịch điện phân. Tuy nhiên không lâu sau đó, ông đưa ra sáng kiến cải thiện pin bằng cách dùng dung dịch hồ amoni chloride sau đó niêm phong pin lại. Sáng kiến này đánh dấu sự ra đời của thế hệ pin khô. Thế hệ pin mới cho phép pin được sử dụng ở nhiều vị trí khác nhau, chịu được di chuyển dao động mạnh mà không sợ dung dịch điện phân bị tràn ra ngoài như pin ướt. Thêm vào đó, pin cũng được chế tạo thành dạng ống hoặc hình hộp bên trong chứa các bộ phận khác như các cực dương làm bằng kẽm (anode) và cực âm gồm mangan dioxide và carbon theo tỷ lệ 8:1 (cathode). Hồ điện cực còn có thể chứa thêm kẽm chloride.
Năm 1881, Camille Faure chế tạo pin dùng các dải cọc chì oxit làm điện cực để thay thế cho các tấm chì trong pin ướt trước đây. Điều này cho phép tạo ra dòng điện mạnh và ổn định hơn rất nhiều. Đây chính là cơ sở cho sự phát triển của pin ướt sau này với nhiều loại điện cực khác nhau.
Pin NiCd
Đến năm 1899, nhà khoa học Waldemar Jungner đến từ Thụy Điển đã phát minh ra pin nickel-cadimi (NiCd). Đây là thế hệ pin dùng nickel làm cực âm (cathode) và cadimi làm cực dương (anode). Tuy nhiên, do chi phí chế tạo khá cao nên pin NiCd không được áp dụng rộng rãi cho nhiều người sử dụng. 2 năm sau đó, nhà phát minh nổi tiếng Thomas Edison đã phát triển mô hình khác bằng cách dùng sắt để thay thế Cadimi làm anode giúp giảm giá thành nguyên vật liệu sản xuất. Dù vậy, mô hình pin Nikel-Sắt của Edison đã gặp phải các nhược điểm nghiêm trọng: năng lượng yếu, hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp và khả năng tự xả cao. Tất cả các nhược điểm trên khiến pin của Edison cũng không được đưa vào sản xuất và sử dụng rộng rãi.
Mãi cho tới năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành công trong việc cải tiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao. Giải pháp cải tiến của 2 nhà phát minh là trang bị thêm những tấm vách ngăn các điện cực thành nhiều khoang. Năm 1947, George Neumann tiếp tục hoàn thiện mô hình trên thông qua việc chế tạo thế hệ pin NiCd với nhiều vách ngăn bên trong được hàn kín lại.
Pin NiMH quen thuộc với tất cả chúng ta ngày nay
Nhiều năm sau đó, pin NiCd tiếp tục là loại duy nhất có thể sạc và di chuyển được. Vào những năm 1990, vấn đề môi trường được quan tâm hàng đầu tại châu Âu và các nhà khoa học bắt đầu chú ý đến pin NiCd do khả năng xử lý các hóa chất độc hại sau quá trình sử dụng. Các đạo luật được ban hành nhằm hạn chế việc sử dụng các nguyên tố này và chuyển sang sử dụng pin Nickel-Sắt Hydrid (NiMH) thân thiện với môi trường hơn. Dù vậy, tương tự như NiCd, NiMH vẫn chưa thật sự đạt được hiệu quả như mong đợi và các nhà nghiên cứu vẫn tiếp tục phát triển nên một thế hệ pin ưu việt hơn. Đây chính là bàn đạp tạo tiền đề cho sự ra đời của pin lithium-ion (Li-ion).
Pin Li-ion
Pin Li-ion đầu tiên được đề xuất vào những năm 1970 bởi nhà hóa học người Mỹ Michael Stanley Whittingham (1941) đến từ Đại học Binghamton sử dụng titanium sunfide và kim loại liti thuần làm các điện cực. Dù vậy, do Liti là một kim loại hoạt động mạnh nên khi tiếp xúc với không khí dễ dàng xảy ra các phản ứng hóa học gây nguy hiểm. Chính vì vậy, mô hình dùng liti thuần làm cực dương đã không được chấp nhận. Cùng thời gian này, J. O. Besenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa than chì và cathode bằng oxit kim loại.
Tiếp theo vào năm 1979 tại Đại học Oxford, John Goodenough và Koichi Mizushima đã chế tạo một loại pin sạc tạo ra dòng khoảng 4 V sử dụng Liti Cobalt Oxit (LiCoO2) làm cực dương và liti thuần làm cực âm. LiCoO2 là một chất dẫn điện tích điện dương với tính ổn định cao nên có thể cung cấp các ion liti nhằm tạo ra dòng điện. Khả năng này đã mở ra triển vọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho các thế hệ hoàn toàn mới có thể sạc lại một cách dễ dàng.
Năm 1977, Samar Basu đến từ đại học Pennsylvania đã chứng minh tính khả thi của việc chế tạo và sử dụng pin điện hóa với các điện cực bằng liti và than chì. Không lâu sau đó, mô hình này đã chính thức được chế tạo bởi các kỹ sư tại phòng thí nghiệm Bell (hiện nay là phòng thí nghiệm AT&T).
Vào năm 1980, Rachid Yazami tiếp tục chứng minh tính điện hóa thuận nghịch của liti trong than chì. Dù vậy, các chất hữu cơ dùng làm chất điện phân trong thế hệ pin mới này bị phân hủy trong quá trình sạc. Do đó, Yazami đã đề xuất hỗn hợp chất hữu cơ rắn bền vững trong quá trình sạc làm chất điện phân. Mô hình chất điện phân của Yazami vẫn còn sử dụng trong các thế hệ pin Li-ion cho đến hiện nay.
Đến năm 1983, Michael M. Thackeray, Goodnewa và các cộng sự đã xác định có thể dùng khoáng chất Mangan Spinen để chế tạo cực dương cho pin Li-ion. Đây là loại khoáng chất có tính dẫn điện tốt, giá thành rẻ và hoạt động ổn định. Tuy vẫn còn nhược điểm là bị tiêu hao dần trong quá trình sạc nhưng vẫn có thể khắc phục bằng các biện pháp chỉnh sửa hóa học. Cho đến năm 2013, Mangan Spinen vẫn tiếp tục được sử dụng cho các thế hệ pin Li-ion thương mại.
Kết bài
Nhờ các bậc tiền nhân phát minh ra pin mà xã hội loài người mới phát triển nhanh chóng và tiên tiến như ngày hôm nay. Pin là một trong những phát minh thành công nhất của con người với độ đa dạng về công dụng và sự tiện lợi của nó đã giúp con người rất nhiều trong mọi công việc.
