Sự ra đời, thách thức và tương lai của pin

Chủ đề sự ra đời, thách thức và tương lai của pin giúp bạn hiểu hành trình từ pin chì–axit đến lithium-ion, các rào cản về mật độ năng lượng, tuổi thọ, sạc nhanh và rủi ro nhiệt. Bài viết cũng điểm qua hướng đi tương lai như pin thể rắn, natri-ion, tối ưu BMS và chuỗi tái chế để giảm chi phí, tăng an toàn và bền vững.

1. Sơ lược

Một trong những khám phá đáng chú ý và mới mẻ nhất trong 400 năm qua chính là điện năng. Chúng ta có thể tự hỏi rằng: “Liệu điện đã tồn tại lâu đến thế sao?”. Câu trả lời là có, và có lẽ còn lâu hơn thế nhiều. Việc sử dụng điện một cách thực tế chỉ mới bắt đầu được đưa vào phục vụ đời sống từ giữa đến cuối những năm 1800 và ban đầu chỉ ở mức độ hạn chế. Một số công trình công cộng sớm nhất thu hút được sự chú ý là hệ thống đèn đường ở Berlin vào năm 1882, việc thắp sáng Hội chợ Thế giới Chicago năm 1893 với 250.000 bóng đèn, và việc chiếu sáng một cây cầu bắc qua sông Seine trong Hội chợ Thế giới Paris năm 1900.

Việc sử dụng điện có thể còn bắt nguồn từ xa xưa hơn nữa. Trong khi xây dựng một tuyến đường sắt vào năm 1936 gần Baghdad, các công nhân đã phát hiện ra thứ có vẻ như là một viên pin tiền sử, còn được gọi là Pin Parthian (Parthian Battery). Vật thể này có niên đại từ thời đế chế Parthia và được tin là đã 2.000 năm tuổi. Viên pin bao gồm một bình đất sét chứa đầy dung dịch giấm, bên trong có một thanh sắt được bao quanh bởi một ống trụ bằng đồng được chèn vào. Thiết bị này đã tạo ra điện áp từ 1,1 đến 2,0 Volt. Hình 1 minh họa cấu tạo của Pin Parthian.

Không phải tất cả các nhà khoa học đều chấp nhận Pin Parthian (Parthian Battery) là một nguồn năng lượng. Có khả năng thiết bị này đã được sử dụng cho mục đích mạ điện, tức là phủ một lớp vàng hoặc các kim loại quý khác lên bề mặt vật thể. Người Ai Cập được cho là đã mạ antimon (antimony) lên đồng từ hơn 4.300 năm trước. Các bằng chứng khảo cổ học cho thấy người Babylon là những người đầu tiên phát hiện và ứng dụng kỹ thuật điện hóa (galvanic) trong việc chế tác trang sức bằng cách sử dụng chất điện phân có nguồn gốc từ nước nho để mạ vàng lên đồ đá. Người Parthia, những người cai trị Baghdad (khoảng năm 250 trước Công nguyên), có thể đã sử dụng pin để mạ bạc.

Một trong những phương pháp sớm nhất để tạo ra điện trong thời hiện đại là tạo ra điện tích tĩnh (tĩnh điện). Vào năm 1660, Otto von Guericke đã chế tạo một cỗ máy điện sử dụng một quả cầu lưu huỳnh lớn, khi được ma sát và xoay tròn, nó có khả năng hút các sợi lông và những mảnh giấy nhỏ. Guericke đã chứng minh được rằng các tia lửa được tạo ra có bản chất là điện.

Vào năm 1744, Ewald Georg von Kleist đã phát triển chai Leyden (Leyden jar), thiết bị có khả năng lưu trữ điện tích tĩnh trong một bình thủy tinh được lót bằng lá kim loại ở cả mặt trong và mặt ngoài. Nhiều nhà khoa học, bao gồm cả Peter van Musschenbroek, giáo sư tại Leiden, Hà Lan, đã nghĩ rằng điện giống như một loại chất lỏng có thể thu giữ được trong chai. Họ không biết rằng hai lớp lá kim loại đó đã tạo thành một tụ điện (capacitor). Khi được nạp điện áp cao, chai Leyden đã khiến các quý ông này phải chịu một cú giật mạnh không thể giải thích được khi họ chạm vào lớp lá kim loại.

Ứng dụng thực tế đầu tiên của tĩnh điện là “súng điện” (electric pistol) do Alessandro Volta (1745–1827) phát minh. Ông đã nghĩ đến việc cung cấp khả năng truyền thông đường dài, mặc dù chỉ là truyền một bit thông tin đơn giản (Boolean bit – tín hiệu Có/Không). Một sợi dây sắt được đỡ bởi các cột gỗ dự kiến sẽ được căng từ Como đến Milan, Ý. Tại đầu nhận tín hiệu, sợi dây sẽ kết thúc trong một bình chứa đầy khí mê-tan. Để báo hiệu một sự kiện đã được mã hóa, một tia lửa điện sẽ được gửi qua dây dẫn để kích nổ bình khí này. Tuy nhiên, tuyến liên lạc này chưa bao giờ được xây dựng. Hình 2 thể hiện một bức phác họa chân dung của Alessandro Volta.

Vào năm 1791, khi đang làm việc tại Đại học Bologna, Luigi Galvani đã phát hiện ra rằng cơ của một con ếch sẽ co giật khi chạm vào một vật thể bằng kim loại. Hiện tượng này được gọi là “điện động vật” (animal electricity). Được thôi thúc bởi các thí nghiệm này, Volta đã khởi xướng một loạt các thử nghiệm sử dụng kẽm, chì, thiếc và sắt làm các tấm cực dương (catốt); và đồng, bạc, vàng và than chì làm các tấm cực âm (anốt). Sự quan tâm đối với điện Galvanic (điện hóa) nhanh chóng trở nên phổ biến rộng rãi.

2. Những viên pin sơ khai (Early Batteries)

Vào năm 1800, Volta phát hiện ra rằng một số loại chất lỏng nhất định sẽ tạo ra dòng điện liên tục khi được sử dụng làm môi trường dẫn điện. Khám phá này đã dẫn đến sự ra đời của “tế bào Volta” (voltaic cell) đầu tiên, thường được biết đến nhiều hơn với tên gọi là pin (battery). Volta tìm hiểu thêm và biết rằng điện áp sẽ tăng lên khi các tế bào Volta được xếp chồng lên nhau. Hình dưới đây minh họa cho kiểu đấu nối tiếp này.

Các thí nghiệm của Volta với pin điện vào năm 1796. Các kim loại trong một viên pin có ái lực electron (electron affinity) khác nhau. Volta nhận thấy rằng hiệu điện thế của các kim loại khác nhau sẽ trở nên mạnh hơn khi các chỉ số ái lực của chúng càng cách xa nhau. Chỉ số đầu tiên trong danh sách các kim loại dưới đây thể hiện ái lực thu hút electron; chỉ số thứ hai là trạng thái oxy hóa.

• Kẽm (Zinc) = 1.6 / -0.76 V
• Chì (Lead) = 1.9 / -0.13 V
• Thiếc (Tin) = 1.8 / -1.07 V
• Sắt (Iron) = 1.8 / -0.04 V
• Đồng (Copper) = 1.9 / 0.159 V
• Bạc (Silver) = 1.9 / 1.98 V
• Vàng (Gold) = 2.4 / 1.83 V
• Carbon = 2.5 / 0.13 V

Các kim loại này quyết định điện áp của pin; chúng được ngăn cách bằng giấy ẩm ngâm trong nước muối.

Trong cùng năm đó, Volta đã công bố khám phá của mình về một nguồn điện liên tục cho Hiệp hội Hoàng gia Luân Đôn. Các thí nghiệm không còn bị giới hạn ở việc hiển thị ngắn ngủi các tia lửa kéo dài trong một phần nhỏ của giây nữa; một dòng điện vô tận lúc này dường như đã trở nên khả thi.

Pháp là một trong những quốc gia đầu tiên chính thức công nhận các khám phá của Volta. Đây là thời điểm mà nước Pháp đang tiến tới đỉnh cao của những tiến bộ khoa học. Những ý tưởng mới được chào đón nồng nhiệt vì chúng góp phần hỗ trợ cho các chương trình chính trị của đất nước. Trong một loạt các bài giảng, Volta đã thuyết trình trước Viện Pháp quốc. Napoléon Bonaparte đã tham gia vào các thí nghiệm, tự tay rút các tia lửa từ viên pin, làm nóng chảy một sợi dây thép, bắn một khẩu súng điện và phân hủy nước thành các nguyên tố của nó (xem Hình 4).

Vào năm 1800, Ngài Humphry Davy, nhà phát minh ra đèn an toàn cho thợ mỏ, đã bắt đầu thử nghiệm các tác động hóa học của điện năng và phát hiện ra rằng sự phân hủy sẽ xảy ra khi cho dòng điện đi qua các chất. Quy trình này sau đó được gọi là điện phân (electrolysis).

Ông đã thực hiện những khám phá mới bằng cách lắp đặt bộ pin điện lớn nhất và mạnh nhất thế giới thời bấy giờ trong các hầm của Viện Hoàng gia Luân Đôn. Việc kết nối bộ pin với các điện cực than gỗ đã tạo ra ánh sáng điện đầu tiên. Những người chứng kiến kể lại rằng đèn hồ quang Volta của ông đã tạo ra “cung sáng rực rỡ nhất từng được thấy”.

Vào năm 1802, William Cruickshank đã thiết kế bộ pin điện đầu tiên để sản xuất hàng loạt. Ông sắp xếp các tấm đồng hình vuông với các tấm kẽm có kích thước tương đương, đặt chúng vào một hộp gỗ dài hình chữ nhật và hàn chúng lại với nhau. Các rãnh trong hộp giữ cho các tấm kim loại cố định tại vị trí. Sau đó, chiếc hộp kín được đổ đầy chất điện phân là nước muối hoặc axit pha loãng. Thiết kế này tương tự như loại pin ngập dung dịch (flooded battery) vẫn còn tồn tại với chúng ta cho đến ngày nay. 

3. Sự ra đời của PIN sạc

Năm 1836, John F. Daniell phát triển loại pin tạo dòng điện ổn định hơn. Đến năm 1859, bước ngoặt lớn xảy ra khi Gaston Planté phát minh ra pin axit-chì – loại pin sạc đầu tiên trên thế giới và vẫn còn phổ biến đến nay. Trước đó, mọi loại pin đều là pin sơ cấp (dùng một lần).

Năm 1899, Waldemar Jungner sáng chế pin nickel-cadmium (NiCd). Do chi phí cao, Thomas Edison đã thử thay cadmium bằng sắt (pin NiFe) vào năm 1901 nhưng không thành công vì năng lượng thấp và tự xả nhanh. Sau nhiều cải tiến về tấm cực và công nghệ kín khí vào giữa thế kỷ 20, NiCd trở thành lựa chọn duy nhất cho thiết bị cầm tay trong thời gian dài.

Đến những năm 1990, do lo ngại về độc hại môi trường của NiCd, pin nickel-metal-hydride (NiMH) đã ra đời để thay thế. Tuy nhiên, cuộc cách mạng thực sự bắt đầu khi Sony thương mại hóa pin Lithium-ion vào năm 1991. Hiện nay, hệ thống dựa trên Lithium là tâm điểm nghiên cứu nhờ ưu điểm năng lượng riêng cao, dễ sạc, ít bảo trì và thân thiện với môi trường, phục vụ từ thiết bị điện tử đến xe điện và vệ tinh.

4. Các nhà phát minh và sự thương mại hóa

Các phát minh thường được ghi chép lại gắn liền với tên tuổi những nhà khoa học lỗi lạc. Benjamin Franklin là người đi đầu trong lịch sử Hoa Kỳ với các phát minh như bếp Franklin, kính hai tròng và cột thu lôi, cho đến khi Thomas Edison xuất hiện.

Edison là một doanh nhân tài ba nhưng đôi khi nhận công trạng từ những khám phá của người khác. Thực tế, ông không phát minh ra bóng đèn mà chỉ cải tiến một ý tưởng đã có từ 50 năm trước bằng cách sử dụng sợi đốt carbon trong môi trường chân không tốt hơn, giúp sản phẩm có thể thương mại hóa thành công.

Tương tự với máy hát (phonograph), Edison giới thiệu dạng ống trụ vào năm 1877 nhưng gặp khó khăn trong việc sản xuất hàng loạt. Chính Emile Berliner đã tạo ra bước ngoặt khi chuyển sang dạng đĩa (gramophone), cho phép dập nhiều bản sao từ một khuôn đúc kẽm. Những chiếc đĩa này sau đó trở thành mặt hàng tiêu dùng phổ biến, vượt xa hệ thống ống trụ của Edison.

Dù là nhà phát minh nổi tiếng nhất nước Mỹ, Edison đã thất bại trong ba cuộc đối đầu công nghệ lớn: dòng điện AC của Tesla thắng DC, đĩa hát của Berliner thắng ống trụ, và pin axit-chì thắng pin nickel-sắt trong ứng dụng xe điện. Tuy nhiên, nhờ tư duy kinh doanh, Edison vẫn rất giàu có và các công ty của ông đã hợp nhất thành General Electric (GE) hùng mạnh, trong khi Tesla luôn gặp khó khăn về tài chính.

Lịch sử phát triển công nghệ như ô tô, máy X-quang, điện thoại hay máy tính thường diễn ra song song tại nhiều quốc gia, khiến việc xác định duy nhất một nhà phát minh trở nên khó khăn. Đối với các hệ thống pin hiện đại cũng vậy, sự tôn trọng thường được dành cho cả đội ngũ nghiên cứu và các tổ chức thay vì chỉ một cá nhân đơn lẻ.

Bảng 1 dưới đây tóm tắt những tiến bộ của pin và danh sách các nhà phát minh liên quan.

5. Thách thức và tương lai của công nghệ pin

Pin hiện được thúc đẩy như một giải pháp năng lượng xanh để thay thế nhiên liệu hóa thạch, nhưng công nghệ này vẫn chưa thực sự chín muồi. So với định luật Moore trong vi điện tử, pin Lithium-ion tiến bộ khá chậm: chỉ tăng khoảng 5-8% dung lượng mỗi năm, bù lại chi phí đang giảm khoảng 8% hàng năm.

Nhiều công nghệ đầy hứa hẹn vẫn đang gặp rào cản:

• Lithium-air: Gặp vấn đề về độ ổn định và độ tinh khiết của không khí.
• Lithium-metal: Dễ bị đoản mạch và cháy nổ do hiện tượng mọc nhánh sừng (dendrites).
• Lithium-sulfur: Tuổi thọ chu kỳ sạc vẫn còn ngắn.
• Pin Redox-flow: Bị ăn mòn hệ thống.

Có những tia hy vọng mới như việc phủ Graphene lên cực âm để tăng gấp bốn lần năng lượng. Các tổ chức như JCESR (Mỹ) đang thực hiện kế hoạch “5-5-5”: tạo ra pin mạnh gấp 5 lần và rẻ hơn 5 lần trong 5 năm. Toyota cũng đang theo đuổi “pin Sakichi” với mục tiêu tạo ra nguồn năng lượng mạnh hơn cả xăng, bền bỉ và sạc nhanh, nhưng giải thưởng cho phát minh này vẫn chưa có chủ.

Pin đáp ứng tốt cho thiết bị di động nhưng xe điện (EV) mới là thử thách thực sự về chi phí và sức bền. Hiện tại, pin vẫn quá nặng để dùng cho tàu thủy hay máy bay lớn. So với nhiên liệu hóa thạch có nhiệt trị cao gấp 100 lần, pin thất thế về mật độ năng lượng nhưng lại vượt trội về độ sạch, sự yên tĩnh và khả năng khởi động tức thì.

Hy vọng với những chia sẻ trên của trung tâm VATC, bạn đã hiểu hơn về sự ra đời, thách thức và tương lai của pin. Hy vọng bài viết này sẽ bổ ích và hữu dụng với bạn!

Nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với trung tâm VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!

Trung Tâm Huấn Luyện Kỹ Thuật Ô Tô Việt Nam – VATC

• Địa chỉ: Số 4-6, Đường số 4, Phường Hiệp Bình Phước, Thành Phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh
• Điện thoại: 0945711717
• Email: info@oto.edu.vn

Xem thêm:

• Tổng hợp kiến thức ô tô hay nhất tại VATC
• Các khoá đào tạo nghề ô tô chất lượng nhất thị trường