• Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển đổi nó thành năng lượng điện.
• Các phản ứng hóa học trong pin liên quan đến dòng chuyển động của các electron từ vật liệu này (điện cực) sang vật liệu khác, thông qua một mạch bên ngoài.
• Sự dịch chuyển electron cung cấp một dòng điện có thể được sử dụng để thực hiện công việc.
• Để cân bằng dòng electron, các ion mang điện cũng chạy qua dung dịch điện phân tiếp xúc với cả hai điện cực.
• Các điện cực và chất điện phân khác nhau tạo ra các phản ứng hóa học khác nhau ảnh hưởng đến cách hoạt động của pin, lượng năng lượng nó có thể lưu trữ và điện áp của nó.

Hãy tưởng tượng một thế giới không có pin. Tất cả các thiết bị di động mà chúng sử dụng hàng ngày sẽ rất hạn chế! Chúng ta chỉ có thể đưa điện thoại và máy tính xách tay của mình đi xa tầm với của dây nguồn của chúng, khiến các app mà bạn vừa tải xuống điện thoại của mình trở nên khá vô dụng.

May mắn thay, chúng ta có pin. Trở lại năm 150 trước Công nguyên ở Mesopotamia, nền văn hóa Parthia đã sử dụng một thiết bị gọi là pin Baghdad, được làm bằng các điện cực đồng và sắt với giấm hoặc axit xitric. Các nhà khảo cổ tin rằng đây thực sự không phải là pin mà được sử dụng chủ yếu cho các nghi lễ tôn giáo.

Việc phát minh ra pin như chúng ta đã biết được ghi công cho nhà khoa học người Ý Alessandro Volta, người đã cùng nhau chế tạo ra viên pin đầu tiên để chứng minh một quan điểm đối với một nhà khoa học người Ý khác, Luigi Galvani. Vào năm 1780, Galvani đã chỉ ra rằng chân của những con ếch treo trên móc sắt hoặc đồng thau sẽ co giật khi chạm vào một đầu dò của một số loại kim loại khác. Ông tin rằng điều này được tạo ra bởi điện từ bên trong các mô của ếch và gọi nó là “điện động vật”.

Volta ban đầu ấn tượng với phát hiện của Galvani, đã tin rằng dòng điện đến từ hai loại kim loại khác nhau (móc treo con ếch và kim loại khác nhau của đầu dò) và chỉ được truyền qua, không phải từ, mô của ếch. Ông đã thử nghiệm với các chồng lớp bạc và kẽm xen kẽ với các lớp vải hoặc giấy ngâm trong nước mặn, và nhận thấy rằng trên thực tế, một dòng điện đã chạy qua một dây dẫn được đặt ở cả hai đầu của cọc.

Pin Alessandro Volta: một đống kẽm và bạc xen kẽ với vải hoặc giấy ngâm nước mặn. Hãy tưởng tượng sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho điện thoại của bạn. Nguồn ảnh: Luigi Chiesa / Wikimedia Commons.

Hóa chất của pin

Pin là một thiết bị lưu trữ năng lượng hóa học và chuyển đổi nó thành điện năng. Đây được gọi là điện hóa học và hệ thống làm nền tảng cho pin được gọi là cell điện hóa. Pin có thể được tạo thành từ một hoặc một số cell điện hóa (giống như trong Pin Alessandro Volta). Mỗi cell điện hóa gồm hai điện cực ngăn cách nhau bằng bình điện phân.

Vậy cell điện hóa lấy điện từ đâu? Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần biết điện năng là gì. Đơn giản nhất, điện là một dạng năng lượng được tạo ra bởi dòng chuyển động của các electron. Trong một cell điện hóa, các electron được tạo ra bởi một phản ứng hóa học xảy ra ở một điện cực (nói thêm về điện cực ở bên dưới!) Và sau đó chúng chảy sang điện cực khác, nơi chúng đã được sử dụng hết. Để hiểu đúng điều này, chúng ta cần xem xét kỹ hơn các thành phần của cell và cách chúng được kết hợp với nhau.

Điện cực

Để tạo ra một dòng electron, bạn cần phải có một nơi nào đó để các electron chuyển động từ đó và một nơi nào đó để các electron chuyển động tới. Đây là các điện cực của cell. Các electron di chuyển từ điện cực này được gọi là cực dương (hoặc điện cực âm) sang điện cực khác được gọi là cực âm (điện cực dương). Đây thường là các loại kim loại khác nhau hoặc các hợp chất hóa học khác.

Trong cọc của Volta, cực dương là kẽm, từ đó các điện tử chạy qua dây dẫn (khi được kết nối) với bạc, đó là cực âm của pin. Ông xếp chồng nhiều ô này lại với nhau để tạo thành đống tổng và tăng điện áp.

Cực dương nhận tất cả các electron này từ đâu? Tất cả đều phụ thuộc vào quá trình hóa học đang diễn ra bên trong cell.

Có một số phản ứng hóa học xảy ra mà chúng ta cần hiểu. Ở cực dương, điện cực phản ứng với chất điện phân trong phản ứng tạo ra các electron. Các điện tử này tích tụ ở cực dương. Trong khi đó, ở cực âm một phản ứng hóa học khác xảy ra đồng thời làm cho điện cực đó nhận electron.

Thuật ngữ hóa học kỹ thuật cho một phản ứng bao gồm sự trao đổi các electron là một phản ứng khử-oxy hóa, thường được gọi là phản ứng oxy hóa khử. Toàn bộ phản ứng có thể được chia thành hai nửa phản ứng, và trong trường hợp pin điện hóa, một nửa phản ứng xảy ra ở cực dương, nửa phản ứng xảy ra ở cực âm. Sự khử là sự thu được của các electron, và là những gì xảy ra ở cực âm; ta nói rằng catot bị khử trong quá trình phản ứng. Quá trình oxy hóa là sự mất electron, vì vậy chúng ta nói rằng cực dương bị oxy hóa.

Để tăng điện áp của pin, chúng ta có hai tùy chọn. Chúng ta có thể chọn các vật liệu khác nhau cho các điện cực của mình, những vật liệu sẽ cung cấp cho tế bào một tiềm năng điện hóa lớn hơn. Hoặc, chúng ta có thể xếp chồng nhiều tấm với nhau. Khi các tế bào được kết hợp theo một cách cụ thể (nối tiếp), nó có tác động phụ lên điện áp của pin. Về cơ bản, lực mà các electron di chuyển qua pin có thể được coi là tổng lực khi nó di chuyển từ cực dương của ô đầu tiên qua bất kỳ số lượng ô nào mà pin chứa đến cực âm của ô cuối cùng.

Khi các cell được kết hợp theo cách khác (song song), nó sẽ làm tăng dòng điện có thể có của pin, có thể được coi là tổng số electron chạy qua các tế bào, nhưng không phải điện áp của nó.

Chất điện giải

Các điện cực chỉ là một phần của pin. Bạn có nhớ những mẩu giấy bị ngâm trong nước mặn của Volta không? Nước mặn là chất điện phân. Chất điện phân có thể là chất lỏng, gel hoặc chất rắn, nhưng nó phải có khả năng cho phép chuyển động của các ion tích điện.

Các electron có điện tích âm và khi chúng ta truyền dòng electron âm xung quanh mạch của mình, chúng ta cần một cách để cân bằng chuyển động của điện tích đó. Chất điện phân cung cấp một môi trường mà qua đó các ion dương cân bằng điện tích có thể đi qua.

Bây giờ, nếu tất cả các ion được giải phóng vào chất điện phân được phép di chuyển hoàn toàn tự do qua chất điện phân, thì cuối cùng chúng sẽ phủ lên bề mặt của các điện cực và làm tắc nghẽn toàn bộ hệ thống. Vì vậy, tế bào thường có một số loại rào cản để ngăn điều này xảy ra.

Điện áp, dòng điện, công suất, công suất… khác nhau như thế nào?

Điện áp = lực mà tại đó phản ứng tạo ra pin đẩy các electron qua tế bào. Đây còn được gọi là thế điện, và phụ thuộc vào sự khác biệt về điện thế giữa các phản ứng xảy ra ở mỗi điện cực, tức là cực âm sẽ kéo các electron (qua mạch) ra khỏi cực dương mạnh như thế nào. Điện áp càng cao thì số electron giống nhau càng nhiều.

Dòng điện = số electron đi qua bất kỳ điểm nào của mạch tại một thời điểm nhất định. Dòng điện càng cao thì nó càng có thể làm được nhiều việc hơn ở cùng một điện áp. Trong tế bào, bạn cũng có thể coi dòng điện là số lượng các ion di chuyển qua chất điện phân, nhân với điện tích của các ion đó.

Công suất = điện áp x dòng điện. Công suất càng cao, tốc độ pin có thể hoạt động càng nhanh — mối quan hệ này cho thấy cả điện áp và dòng điện đều quan trọng như thế nào để tìm ra loại pin phù hợp.

Dung lượng = công suất của pin như một hàm của thời gian, được sử dụng để mô tả khoảng thời gian pin có thể cung cấp năng lượng cho một thiết bị. Pin dung lượng cao sẽ có thể hoạt động trong thời gian dài hơn trước khi hết pin/ hết dòng điện. Một số loại pin có một điểm bất thường nhỏ – nếu bạn cố gắng và rút quá nhiều từ chúng quá nhanh, các phản ứng hóa học liên quan sẽ không thể theo kịp và dung lượng sẽ ít hơn! Vì vậy, chúng ta luôn phải cẩn thận khi nói về dung lượng pin và nhớ pin sẽ được sử dụng để làm gì.

Một thuật ngữ phổ biến khác là ‘mật độ năng lượng‘. Đây là lượng năng lượng mà một thiết bị có thể chứa trên một đơn vị âm lượng, hay nói cách khác, bạn nhận được bao nhiêu năng lượng cho đồng tiền của mình về mặt công suất so với kích thước. Với pin, nói chung mật độ năng lượng càng cao càng tốt, vì điều đó có nghĩa là pin có thể nhỏ hơn và gọn hơn, đây luôn là một điểm cộng khi bạn cần nó để cung cấp năng lượng cho thứ bạn muốn giữ trong túi. Nó thậm chí còn là một điểm cộng cho ô tô điện — bằng cách nào đó, pin phải vừa với ô tô!

Đối với một số ứng dụng, chẳng hạn như lưu trữ điện tại một nhà máy năng lượng tái tạo như trạm năng lượng mặt trời hoặc gió, mật độ năng lượng cao không phải là vấn đề quá lớn, vì chúng rất có thể sẽ có không gian rộng rãi để lưu trữ pin. Mục tiêu chính của việc sử dụng này sẽ đơn giản là lưu trữ càng nhiều điện càng tốt, an toàn và rẻ nhất có thể.