Pin điện thoại hoạt động như thế nào và tại sao có thể phát nổ?

Pin cung cấp nhiên liệu cho cuộc sống hiện đại, từ smartphone cho đến xe ô tô điện. Nhưng làm thế nào để pin lưu trữ được điện năng? Tại sao tuổi thọ của chúng không thể kéo dài? Cũng như tại sao chúng có thể phát nổ?

Theo The Guardian, tuổi thọ pin chính là nguyên nhân gây ra cháy nổ. Ở một cấp độ nào đó, Samsung đã tìm ra mấu chốt vấn đề khiến hãng phải khai tử Note 7 như hiện nay. Dù khi mới ra mắt, Samsung Galaxy Note 7 luôn được ca ngợi là một trong những smartphone sở hữu tuổi thọ pin tốt nhất thuộc phân khúc cao cấp, bỏ xa các đối iPhone 6s và 7 Plus. Tuy nhiên sau đó pin của Note 7 phát nổ, buộc Samsung phải ban hành lệnh thu hồi cùng chương trình đổi trả, nhưng các máy thay thế lần hai vẫn tiếp tục nổ, khiến hãng đã ngừng sản xuất Note 7 vĩnh viễn.

Sự việc này đánh dấu một bước cản mới trong công cuộc cải thiện pin cho các thiết bị điện tử. Nếu tốc độ xử lý tăng gấp đôi sau khoảng 18 tháng, thì dung lượng pin phải mất gần một thập kỷ mới được như vậy. Chính khoảng cách này bắt đầu gây ra những vấn đề, ngay cả khi Samsung đã phải trả giá cho việc đó, vẫn không có cách nào khắc phục được.

Thông thường pin của một chiếc smartphone có thể sử dụng được một ngày, với laptop là một vài giờ, và với một chiếc xe ô tô điện là khoảng 350 dặm. Vậy tại sao pin lại phức tạp đến vậy và liệu khi nào chúng ta có thể khắc phục được chúng?

Pin là gì?

Pin là một bình chứa nhỏ chứa năng lượng hóa học. Khi sạc điện thoại, dòng điện được sử dụng để thiết lập các phản ứng hóa học, vận chuyển các electron từ anode tích điện âm đi tới cathode tích điện dương nằm phía cuối viên pin.

Mỗi khi sạc, pin có thể tạo ra dòng điện bằng cách làm cho các electron chạy qua một mạch điện, trong trường hợp này là smartphone, chúng sẽ đi tới cực dương và cứ tiếp tục làm như vậy cho đến khi toàn bộ electron có trong pin đều dồn toàn bộ về phía cực dương hoặc về phía bộ tích hợp ngắt điện của pin.

Pin được làm bằng gì?

Trong mỗi viên pin đều có cực dương, cực âm và dung môi - một chất giúp ion dương có thể di chuyển bên trong viên pin.

Pin Li-ion là loại pin được dùng trong điện thoại và thiết bị điện tử đều có cực cathode (cực âm) làm bằng oxit kim loại chủ yếu là coban, niken, mangan hay sắt hỗn hợp cùng một điện cực anode (cực dương) chứa những lỗ nhỏ li ti, được cấu tạo từ than chì, bên trong có ion lithium và chất điện phân là muối lithium.

Các ion lithium tích điện dương được trao đổi bên trong dung môi đi từ cực dương đến cực âm để đưa các hạt electron chạy vào smartphone khi cần thiết rồi lại quay trở lại cực dương.

Tại sao pin Li-ion không kéo dài được lâu?

Nguyên lý cấu tạo của mỗi viên pin có thể đơn giản, nhưng các chất hóa học và công nghệ để chúng hoạt động được lại không đơn giản chút nào. Mật độ năng lượng (energy density) chính là yếu tố lớn nhất, gây hạn chế cho pin Li-ion hiện nay.

Để tạo ra điện năng, pin Li-ion sẽ dựa vào các thành phần hóa học tích tụ năng lượng nằm bên trong chúng. Vỏ, chip điều khiển, dây dẫn ngoài việc tăng khối lượng cho viên pin chúng không tạo thêm bất kỳ năng lượng nào.

Mật độ năng lượng thường được tính bằng Wh/kg và mỗi viên pin Li-ion bên trong smartphone đều chứa khoảng 150 Wh/kg. Đây là nỗ lực cải thiện lớn lao kể từ khi pin được giới thiệu vào đầu những năm 1990, dù vẫn sử dụng cùng một công thức và các đặc tính hóa học như trước đó.

Cách duy nhất để tăng tuổi thọ pin hiện nay chính là tăng cường hiệu quả năng lượng ở mỗi thiết bị điện tử và tăng kích thước viên pin lên. Nhưng, smartphone càng ngày càng mỏng đi dẫn tới pin cũng phải mỏng hơn và nhẹ hơn.

Tại sao pin hay bị chai?

Khi pin luôn được sạc và xả liên tục đồng nghĩa tuổi thọ pin sẽ giảm theo thời gian, không thể mãi mãi "bất tử" được.

Điều này là do các phản ứng hóa học sản sinh ra điện đã làm mỏng lớp lithium đặt trên mỗi điện cực, làm giảm số ion tạo ra điện đồng thời làm tăng điện trở bên trong mỗi viên pin lên.

Điện trở càng cao thì viên pin càng khó lòng duy trì mức điện áp nhất định, chính vì thế điện năng sẽ giảm dần đi sau mỗi lần sạc.

Nguyên nhân khiến một vài loại pin phát nổ?

Các viên pin thông thường sẽ có mật  độ năng lượng cao hơn các loại pin Li-ion nhưng chúng lại không an toàn để sử dụng cho các thiết bị điện tử cầm tay.

"Càng nhiều năng lượng được đặt trong một khối hộp, nguy hiểm sẽ càng gia tăng", tiến sĩ Billy Wu giảng viên tại trường Imperial College London cho biết. Sự an toàn là điều quan trọng nhất, đặc biệt vấn đề quản lý nhiệt cũng là điều phải lưu tâm. Nếu pin nóng lên 80 độ C, bạn buộc phải hạ nhiệt chúng xuống để các thành phần không bị phân hủy, tránh dẫn tới tình trạng phát nổ."

Điều gì xảy ra tiếp theo? 

Trước mắt, những tiến bộ về pin sẽ đưa công nghệ Li-ion đến gần hơn các lí thuyết giới hạn của nó nhằm tăng mật độ năng lượng cho pin.

Các pin Li-ion truyền thống đều sử dụng mangan oxit với công suất lý thuyết đạt được 280Wh/kg nhưng sản phẩm thực tế chỉ đạt 150Wh/kg nên chắc chắn sẽ có nhiều cải tiến trong thời gian tới.

"Cần phải tối ưu hóa cấu trúc bên trong mỗi viên pin", tiến sĩ Wu nói. "Nếu bạn nhìn vào bên trong viên pin bạn có thể thấy toàn bộ cấu trúc rỗng cho nguyên liệu hoạt động".

"Nếu công suất đầu ra cao hơn, bạn cần cấu trúc rỗng hơn để tăng diện tích bề mặt và cho phép các ion lithium đi từ chỗ này qua chỗ kia vào bất kỳ lúc nào, nhưng chính vì thế nó sẽ làm cho pin có nhiều lỗ hổng, khả năng giữ nguyên liệu hoạt động trở nên kém hơn, làm cho dung lượng pin càng ngày càng thấp đi".

Một số loại pin hóa học tiên tiến hơn như pin lithium-sulpur và lithium-silicon vẫn đang được các công ty tiếp tục phát triển. Hy vọng sớm có sản phẩm thương mại hóa vào những năm tới.

Tương lai của công nghệ pin là gì?

Pin thể rắn có thể được sử dụng trong tương lai khi những chất điện phân dạng lỏng được thay thế bằng thể rắn sẽ tạo sự an toàn đáng kể cho người dùng.

"Ưu điểm chính của pin thể rắn là bạn có thể sử dụng lithium như một dạng cực anode tạo ra năng suất cùng mật độ năng lượng tốt hơn, nhưng lại không an toàn với chất điện giải dạng lỏng", ông Wu giải thích.

Pin thể rắn sẽ loại bỏ các hạt carbon anode rỗng, để từ đó làm giảm trọng lượng cho viên pin nhằm tạo ra nhiều điện năng hơn.

Những loại pin không khí kim loại, sử dụng kẽm, lithium hay nhôm dù vẫn rất xa vời nhưng sẽ được thương mại hóa trong vòng 20 năm tới, tiến sĩ Wu lạc quan cho biết.

Làm gì để kéo dài tuổi thọ cho pin?

Một vài điều sau đây có thể giúp bạn kéo dài tuổi thọ pin hơn. Bởi các phản ứng hóa học bên trong mỗi viên pin sẽ được tối ưu hóa khi pin sạc trong khoảng dưới 20% và trên 80%.

Nếu bạn giữ pin Li-ion nằm trong khoảng này sẽ giúp pin sử dụng được lâu hơn. Một điểm nữa, đừng bao giờ cắm pin liên tục nhất là với laptop. Thỉnh thoảng bạn nên tháo pin ra và cắm sạc trực tiếp. Một tháng nên làm một lần.