Tại sao pin lại có nhiều kích cỡ và hình dạng như vậy?

[Thoại Viết Hoàng]

Nếu gần đây nhìn vào ngăn kéo bàn làm việc của mình, bạn có thể nhận thấy nhiều hình dạng, kích cỡ và loại pin khác nhau cung cấp điện cho các thiết bị điện tử. Đầu tiên, đó là các ô nút hình tròn, không thể sạc lại dành cho đồng hồ và các vật dụng nhỏ. Ngoài ra còn có các loại pin tiểu AA và AAA phổ biến dành cho máy tính, đồng hồ và điều khiển từ xa. Còn có pin lithium-ion có thể sạc lại trong máy tính xách tay và điện thoại. Và đừng quên ắc quy axit chì trong ô tô / xe máy(nếu bạn xài xe điện).

Để hiểu lý do tại sao pin có nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau - đồng thời phục vụ nhiều mục đích - hãy cùng tìm hiểu xem pin có nguồn gốc như thế nào và chúng đã phát triển như thế nào qua nhiều năm.

Những viên pin đầu tiên được sản xuất vào những năm 1800 và chúng khá đơn giản. Một trong những cuộc trình diễn đầu tiên là một loạt đĩa kim loại ngâm trong nước muối mà nhà khoa học người Ý Alessandro Volta phát hiện đã tạo ra dòng điện. Pin axit chì đầu tiên được làm từ một vài miếng chì đựng trong bình axit sulfuric. Các phiên bản hiện đại không có gì khác biệt. Chúng chỉ dễ sản xuất hơn và chứa nhiều chất phụ gia khác nhau để cải thiện hiệu suất.

Trong mọi trường hợp, pin hoạt động theo cách giống nhau: chênh lệch điện áp giữa hai điện cực khác nhau tạo ra dòng điện, dòng điện này có thể phóng điện để cấp nguồn cho thiết bị. Pin sạc sau đó có thể đảo ngược dòng điện này để sạc dự phòng. Bên trong pin, dòng điện đi kèm với dòng ion xuyên qua chất lỏng, chất điện phân.

Sự di chuyển của mỗi electron trong dòng điện đi kèm với sự vận chuyển của một ion qua chất điện phân. Các điện cực có thể lưu trữ nhiều ion hơn sẽ dẫn đến pin có thể tích điện nhiều hơn và do đó hoạt động lâu hơn trong một lần sạc. Các điện cực được thiết kế để lưu trữ ion nhanh hơn sẽ giúp pin có thể phóng điện nhanh hơn, dành cho các ứng dụng năng lượng cao. Cuối cùng, việc có thể sạc và xả nhiều lần mà không bị xuống cấp dẫn đến pin có tuổi thọ cao.

Pin axit chì​

Pin axit chì là loại pin sạc đầu tiên được Gaston Plante phát minh vào năm 1859. Ông đã thử nghiệm các tấm chì trong dung dịch axit và phát hiện ra rằng dòng điện và lưu trữ dòng điện có thể bị đảo ngược.

Ắc quy axit chì phải đủ lớn để cung cấp đủ điện năng để khởi động ô tô. Nó cũng phải có thể sử dụng được ở vùng có khí hậu lạnh và tồn tại trong nhiều năm. Vì chất điện phân là một axit ăn mòn nên lớp vỏ bên ngoài phải cứng để bảo vệ con người và các bộ phận ô tô khỏi mọi tác hại có thể xảy ra. Biết tất cả những điều này, có thể hiểu rằng pin axit-chì hiện đại có hình khối và nặng.

Pin kiềm​

Mặt khác, các thiết bị gia dụng như máy tính và cân kỹ thuật số có thể sử dụng pin nhỏ hơn vì chúng không cần sạc nhiều. Đây chủ yếu là những loại pin kiềm không thể sạc lại đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ. Các kích thước ô được tiêu chuẩn hóa là AAAA, AAA, AA, C và D, cũng như các ô nút và đồng xu, v.v. Kích thước liên quan đến lượng điện tích mà chúng lưu trữ – pin càng lớn thì càng chứa được nhiều năng lượng – và kích thước của thiết bị mà chúng cung cấp năng lượng.

Đôi khi, bạn có thể thấy pin kiềm được bán dưới dạng hình chữ nhật, giống như pin 9 volt thông thường, nhưng mở vỏ bên ngoài ra bạn sẽ thấy chúng chỉ đơn giản là một vài ô hình trụ được nối với nhau bên trong. Pin hình trụ (pin tiểu) đã tồn tại từ rất lâu và được sử dụng rộng rãi đến mức việc các công ty sản xuất bất cứ thứ gì khác biệt là vô nghĩa - sẽ cần một khoản đầu tư để thay đổi cơ sở sản xuất của họ, điều mà họ không muốn làm.

Pin lithium ion​

Pin niken-cadmium là loại pin sạc đầu tiên được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện tử gia dụng và phổ biến cho đến cuối thế kỷ 20. Nhưng chúng có những cạm bẫy. Cadmium rất độc hại và pin bị “hiệu ứng bộ nhớ” làm giảm tuổi thọ của chúng.

Trong nhiều thập kỷ, lithium đã được nghiên cứu để sử dụng tiềm năng trong pin sạc vì đặc tính độc đáo của nó là kim loại nhẹ nhưng có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng. Sony lần đầu tiên thương mại hóa pin lithium-ion vào năm 1991.

Công ty sản xuất các tế bào hình trụ vì đây là loại dễ sản xuất nhất. Vào những năm 1990, Sony đã sản xuất rất nhiều máy quay và băng, do đó có rất nhiều thiết bị sản xuất dạng cuộn . Việc tái sử dụng thiết bị này để sản xuất các cuộn điện cực pin được chế tạo bằng cách đúc màng trên các tấm đồng hoặc nhôm rồi cuộn chúng thành một hình trụ “cuộn thạch” là điều đương nhiên.

Pin hình trụ được cấu tạo từ nhiều lớp mỏng cuộn lại như cuộn thạch.​

Lớp vỏ dày của các ô hình trụ này chắc chắn về mặt cơ học và để tăng thêm một lớp an toàn khác, chúng có van giảm áp. Rất nhanh chóng, những tế bào lithium-ion đời đầu này đã chiếm lĩnh thị trường điện tử cầm tay, đặc biệt là cho máy tính xách tay và điện thoại di động, vì chúng lưu trữ nhiều năng lượng hơn và có tuổi thọ lâu hơn pin sạc niken-cadmium.

Các yếu tố hình thành nên pin​

Pin được sản xuất theo kích thước và hình dạng nhất định vì lý do chi phí và khả năng sản xuất, nhưng trong các trường hợp khác là do quy trình sản xuất truyền thống. Nhu cầu thị trường cũng đóng một vai trò.

Ví dụ, xe điện chưa phát triển cho đến khi Tesla bắt đầu chế tạo ô tô sử dụng pin lithium-ion hình trụ thay vì túi hình chữ nhật hoặc pin hình lăng trụ mà các nhà sản xuất xe điện khác đã sử dụng. Các tế bào túi và hình lăng trụ có thể được xếp chặt chẽ với nhau, nhưng vì các tế bào hình trụ đã được sản xuất hàng loạt cho các thiết bị điện tử cầm tay nên Tesla đã có thể tạo ra những chiếc xe điện có chi phí thấp hơn vào những năm 2010.

Hình dạng và kích thước của pin trong tương lai không chỉ phụ thuộc vào lượng năng lượng chúng lưu trữ mà còn phụ thuộc vào kinh tế thị trường – việc tạo ra từng loại tế bào dễ dàng như thế nào, chi phí để tạo ra chúng là bao nhiêu và chúng được sử dụng như thế nào vì. Và những yếu tố đó là sự kết hợp giữa đổi mới và lịch sử.

Theo The Conversation
>> Pin xe điện có thể kéo dài tuổi thọ nhờ các nhà khoa học... nhầm lẫn