Pin hoạt động như thế nào?

Dù là smartwatch, laptop hay smartphone, tất cả đều hoạt động được nhờ một thứ, đó là pin. Hay nói chính xác hơn, đó là phản ứng của các chất hoá học cũng như các hiện tượng vật lý.

Có nhiều loại pin khác nhau, nhưng tất cả chúng đều có chức năng giống nhau. “Pin là thiết bị có thể lưu trữ năng lượng điện dưới dạng năng lượng hoá học, và chuyển đổi năng lượng đó thành điện năng”, Antoine Allanore, nhà khoa học tại Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu của Viện Khoa học Công nghệ Massachusetts (MIT), nói. “Bạn không thể nắm, bắt và giữ điện, nhưng bạn có thể lưu năng lượng điện vào các chất hoá học trong pin”.

Pin có 3 thành phần cơ bản: hai phần ở đầu và cuối được làm bằng các chất hoá học khác nhau (thường là kim loại), hay được gọi là cực dương và cực âm; và chất điện phân tách hai thành phần này. Chất điện phân là một dung môi hoá học, cho phép dòng điện chảy giữa cực dương và cực âm. Khi một thiết bị được kết nối với pin – một bóng đèn hoặc một mạch điện – các phản ứng hoá học sẽ xảy ra trên các cực điện và tạo ra dòng chảy năng lượng điện đến thiết bị.

Cụ thể hơn, trong quá trình xả điện, chất hoá học trên cực dương giải phóng các electron sang cực âm và ion trong chất điện phân qua cái gọi là phản ứng oxy hoá. Trong khi đó, tại đầu dương cực, âm cực nhận các electron, hoàn thành dòng mạch cho dòng electron. Chất điện phân sẽ đưa các chất hoá học khác nhau của cực âm và cực dương tiếp xúc với nhau, theo cách mà điện thế hoá học có thể cân bằng hai cực của pin, chuyển đổi năng lượng hoá học được lưu trữ thành năng lượng điện có ích. “Hai phản ứng này xảy ra đồng thời”, Allanore nói. “Các ion chuyển dòng điện qua chất điện phân trong khi electron di chuyển trong mạch ngoài, và quá trình này tạo ra dòng điện”.

Nếu là loại pin dùng một lần, nó sẽ sản sinh điện cho đến khi nó cạn kiệt các chất phản ứng (điện thế hoá học tương tự trên cả hai cực điện). Loại pin này chỉ hoạt động một hướng, chuyển đổi năng lượng hoá học thành năng lượng điện. Nhưng ở những loại pin khác, phản ứng có thể đảo chiều. Các loại pin có thể sạc lại (như pin dùng trong ĐTDĐ hoặc trong xe hơi) được thiết kế để điện năng từ nguồn bên ngoài (bộ sạc mà bạn cắm vào ổ điện hoặc bình phát điện trong xe hơi) có thể được áp dụng với hệ thống hoá học, và đảo ngược hoạt động của nó, khôi phục điện tích của pin.

Hiện nay phòng thí nghiệm GroupSadoway của MIT cũng như nhiều phòng thí nghiệm khác đang nỗ lực nghiên cứu tạo ra nhiều loại pin có năng suất cao hơn để sử dụng cho nhiều mục đích. Để lưu trữ được nhiều năng lượng, nhóm đã nghiên cứu về loại pin kim loại lỏng, trong đó chất điện phân, cực âm và cực dương đều là chất lỏng.

Đối với các ứng dụng di động, các nhà nghiên cứu đang phát triển loại pin polymer phim mỏng có chất điện phân linh hoạt làm từ loại gel không bắt lửa. Ngoài ra, phòng thí nghiệm cũng tìm hiểu xây dựng loại pin sử dụng các chất liệu chưa từng được xem xét sử dụng trước đây, tập trung vào các vật chất dư thừa, rẻ và an toàn, nhưng có tiềm năng thương mại tương tự như các loại pin lithium phổ biến.

Theo MIT