Phần 1. Tiến triển từ thuở sơ khai đến nay
Trần-Đăng Hồng, PhD
Trong tiếng Anh, battery là từ chung của 1 đơn vị như cục pin 1,5 V (AA, AAA, D), 9 V (PP3) cho tới bình-trữ-điện lớn cho xe hơi (bình ắc quy) hay lớn hơn nữa. Bình trữ-điện (pin, battery) có tiềm năng biến đổi cách xử dụng năng lượng, như chạy xe hơi điện, xử dụng hữu hiệu nguồn năng lượng tái tạo thường bị gián đoạn, xử dụng điện trong hệ thống mạng điện quốc gia hay khu vực. Tuy nhiên, bình trữ điện ngày nay còn nhiều hạn chế, các nhà khoa học đang đi tìm nguồn hóa chất và thiết kế mới để tạo bình trữ điện hữu hiệu hơn. Bình-trữ-điện cần phải nhỏ hơn, chứa điện tích nhiều hơn, áp dụng vào các thiết bị điện tử di động nhỏ, và giúp con người không tùy thuộc nhiều về mạng lưới điện.
NGUYÊN TẮC TẠO ĐIỆN VÀ TRỮ ĐIỆN
Ở thời trung học, trong giờ học Vật Lý về điện, chúng ta được thầy cô trình diễn một dụng cụ thô sơ tạo điện một chiều. Dùng hai cây kim nhỏ bằng kim loại khác nhau như đồng và kẽm, cắm trong lọ chứa nước muối đậm đặc, hay cắm trên trái chanh, trái táo, v.v. nối với một volt-kế thì thấy kim của volt-kế xê dịch, chứng tỏ có một dòng điện được sinh ra. Đó là một cục pin đồ chơi tạo điện đơn giản.
Alessandro Volta (người Ý) là người sáng chế cục pin trữ-điện đầu tiên năm 1800. Đó là một chồng tiền đồng và tiền kẽm xen kẽ bởi một mảnh giấy dày thấm ướt với nước muối thật đậm đặc, và cho điện trong một thời gian dài. Tuy nhiên, cục pin này không được thực dụng.
Hình 1. Cục trữ-điện đầu tiên (1800) phát minh bởi Alessandro Volta
Mải tới năm 1836, hóa học gia người Anh John Frederic Daniell phát minh ra “Pin Daniell” và được xử dụng lần đầu trong công nghiệp. Pin này gồm một chậu bằng đồng chứa dung dịch sulphat đồng, bên trong chứa một chậu đất nung không tráng men chứa acit sulfuric và một điện cực bằng kẽm.
Hình 2. Pin Daniell nguyên thủy năm 1836
Hình 3. Nguyên tắc tạo điện của pin Daniell gồm 2 phòng
Pin (battery) tạo ra điện bằng cách biến năng lượng hóa học (chemical energy) thành điện năng (electrical energy). Để hiểu rỏ nguyên tắc làm sao pin sản xuất điện, Hình 3 là sơ đồ của một đơn vị tạo điện gồm 2 chậu.
Một chậu chứa sulfate kẽm với một thanh điện cực (electrode) bằng kẽm tạo thành âm-điện- cực (Anode). Ở chậu này, kẽm (Zn) bị oxit-hóa, cho một điện thế (âm) -0,7618 V (Volt).
Zn(s) → Zn2+(aq) + 2e− . . (điện thế -0.7618 V )
Chậu kia chứa dung dịch sulfate đồng và cắm một điện cực bằng đồng tạo thành dương-điện-cực (Cathode). Ở đây, đồng bị khử cho một điện thế (dương) +0,340 Volt
Cu2+(aq) + 2e− → Cu(s) . . (điện thế +0.340 V )
Phản ứng tổng hợp khi có một cầu nối hai chậu, phản ứng xảy ra và cho một điện thế 1,1018 V
Zn(s) + Cu2+(aq) → Zn2+(aq) + Cu(s) . . ( điện thế 1.1018 V )
Một dây kim loại dẫn điện và một bóng đèn nối với 2 điện cực. Điện tử (electrons) di chuyển từ anode kẽm qua dây điện tạo dòng điện làm bóng đèn sáng lên. Trong chậu dung dịch kẽm, âm-điện-tử (anions) tích tụ quanh điện cực âm. Trong chậu chứa dung dịch đồng, tại điện-cực-dương dương-điện tử phóng thích ra điện. Hậu quả chất đồng được bồi đấp, còn kẽm ở điện cực âm bị oxit hóa hao mòn cho dung dịch kẽm.
Một cục pin lý tưởng nếu có sức cản điện (điện trở) tối thiểu, nghĩa là duy trì điện thế không thay đổi cho đến lúc pin hết điện. Một pin lý tưởng sẽ duy trì điện thế 1,5 V (volt) suốt đời và chứa một điện tích 1 coulomb và cho một công xuất 1,5 joules khi hoạt động. Trong thực tế, điện trở gia tăng theo thời gian xài điện, nên điện thế giảm dần.
Đây là những pin xử dụng chất điện giải ở dạng dung dịch lỏng, dễ bị rò rỉ và tung tóe, nên không thích hợp cho máy móc di động. Mải tới cuối thế kỷ 19, pin chứa chất điện giải khô thay thế nên thích hợp cho máy móc nhỏ di động như đèn pin, radio, phone di động.
Nếu nhiều đơn vị này ghép nối tiếp (+với -) hay ghép song song (+ với +, - với -), hay vừa nối tiếp vừa song song để tăng điện thế, chẳng hạn điện thế 4,5 V (như pin 3R12), hay 12 V của bình ac-quy xe hơi.
Hình 4. Từ trái sang phải: pin 4,5 V (3R12), pin D, pin C, pin AA, pin AAA, pin AAAA, pin A23, Pin PP3 9V, và pin dạng nút áo CR2032 (trên) và LR44 (dưới).
Pin có 2 loại, loại xử dụng một lần hết điện thì bỏ, như pin đèn pin. Một loại tái xử dụng nhiều lần bằng cách sạt điện (recharge) như bình sạt điện xe hơi, pin trong điện thoại di động.
Pin xử dụng một lần
Phổ thông nhất là pin zinc-carbon (kẽm- than) và pin alkaline.
Pin kẽm-than (zinc-carbon battery) cho một điện thế 1,5V. Đúng ra phải gọi là pin “zinc-manganese”, vì kẽm là anode, còn cathode là chất nhảo gồm manganese dioxide trộn với bột than, và thanh cốt lỏi than làm cốt cực dương. Với loại pin xử dụng thông thường, chất điện giải có thể là ammonium chloride hay zinc chloride.
Pin alkaline (Alkaline battery). So với pin kẽm-than hay pin chloride kẽm, pin alkaline có tỉ trọng năng lượng cao hơn, tuổi thọ cao hơn, và có cùng điện thế 1,5V. Sở dỉ mang tên alkaline vì chất điện giải kiềm tính là hydroxide potassium thay vì tính acid như ammonium chloride hay zinc chloride. Pin hình nút áo cấu tạo bởi oxit-bạc (silver oxide) có tỉ trọng năng lượng rất cao, điện tích cao nhưng đắc tiền.
Hình 5. Cấu trúc cục Pin
PIN SẠT ĐIỆN
Để duy trì điện tích, pin được sạt điện với máy sạy điện (chargers), làm tiến trình hóa học đi ngược lại lúc xử dụng. Hình thức cổ điển nhất của pin sạt điện là pin chì –acit (lead-acid battery) như bình ac-quy xe hơi (ngày xưa). Đó là một hộp có lổ hở (để thoát khí Hydrogen) chứa chất điện giải, có điện tích tối thiểu 10 Ah (Ampere giờ), và có thể cho dòng điện 450 amperes. Chất điện giải thông thường là acid sulfuric.
Hình 6. Bình ắc-quy xe hơi
Cho các máy điện tử di động như labtop, mobile phone thì dùng pin sạt điện khô (dry cell) thường dùng là nickel-cadmium (NiCd), nickel-Zinc (NiZn), nickel metal hydride (NiMH) và lithium-ion (Li-ion) dưới dạng bột nhảo vừa đủ ẩm để dòng điện chạy qua được.
Năm 1991, pin lithium-ion ra đời và đã làm một cách mạng lớn, vì nhờ nó đã phát triển công nghiệp làm máy tính lưu động (labtops), tablets, mobile phone, v.v.
Đọc tiếp phần 2 kỳ tới
Reading, 11/2015
.png)
