Tại sao đến giờ vẫn dùng những cục pin của thập niên 90?

Những thiết bị điện tử mà chúng ta sử dụng liên tục được cải tiến: mạnh mẽ hơn, nhỏ gọn hơn. Vậy tại sao ngành công nghiệp sản xuất pin lại không có những bước phát triển như vậy?

Khi Apple thiết kế lại chiếc MacBook Pro vào năm 2009, hãng này đã hé lộ thông tin về một loại pin mới có dung lượng lớn hơn khoảng 40% so với loại pin hiện hành khi đó. Chiếc laptop của Apple đã chạy được thêm bảy tiếng đồng hồ, gần như đủ thời gian để xem xong ba phần phim Chúa tể những chiếc nhẫn. Phil Schiller, Giám đốc marketing của Apple đã gọi đó là “cuộc cách mạng về pin”. Nhưng liệu mọi chuyện có đúng như vậy?

Công nghệ đã và đang phát triển nhanh một cách đáng ngạc nhiên trong hai thập kỷ qua. Máy tính đã thay đổi từ một chiếc hộp tiện dụng cồng kềnh thành một mảnh kim loại hình chữ nhật mỏng nhẹ như một cuốn sổ để dễ dàng mang theo. Những thiết bị ngày nay cũng đã mạnh mẽ hơn rất nhiều. Một chiếc đồng hồ thông minh đời mới giờ đã có khả năng tính toán mạnh hơn cả máy tính trên con tàu Apollo đã đổ bộ lên Mặt Trăng. Nhưng sự phát triển của pin lại là một câu chuyện hoàn toàn khác.

Mặc dù các hãng sản xuất thiết bị điện tử tiêu dùng, từ Apple cho tới Samsung, đã đổ hàng triệu USD vào các dự án nghiên cứu nhằm tăng dung lượng pin, nhưng món đồ công nghệ này vẫn không có vẻ gì là sẽ có được bước đột phá trong một vài năm tới.

“Tại sao công nghệ pin lại bị trì trệ đến vậy” vẫn đang là một câu hỏi được tranh luận nhiều trong giới khoa học. Rất nhiều người cho rằng, chúng ta đã đạt đến mức giới hạn của thiết bị dự trữ năng lượng. Nhưng bất kể lý do có là gì đi nữa, thì chúng ta vẫn sẽ cần tìm ra cách để tích tụ được nhiều điện năng hơn nữa cho cục pin ngày càng nhỏ bé trong thiết bị của mình.

Hai con đường phát triển

Để hiểu được chuyện gì đang diễn ra, hãy xét đến những loại pin trong quá khứ và hiện tại, cùng với những thách thức mà chúng đã phải đối mặt.

Theo chuyên gia Michael Sinkula của Envia Systems, một công ty khởi nghiệp chuyên về công nghệ pin ở California, dung lượng của pin sau hơn một thập kỷ, từ 1995 đến 2007, mới tăng lên gấp đôi. Kể từ đó, thời lượng pin vẫn chưa tăng quá 30%. Và ông tin rằng hầu hết các loại pin sẽ không được tăng gấp đôi dung lượng cho tới năm 2021. Nhưng một chiếc laptop giờ đã có thể chạy được khoảng 10 tiếng liên tục, so với 4 tiếng của thế hệ máy từ thời Tổng thống Obama đắc cử lần đầu tiên. Sao lại như vậy?

Những tiến bộ về công nghệ thường xuất phát từ hai nguồn: hoặc là tìm mọi cách để thu gọn kích cỡ của thiết bị, hoặc là phát triển phần mềm để tăng hiệu suất của máy. Bộ não của mỗi một chiếc máy tính chính là bộ vi xử lý của nó, một con chip thực hiện tất cả những thuật toán phức tạp cần thiết để hiển thị hình ảnh hay cập nhật thông tin trên Facebook. Sau nhiều thập kỷ, kích thước của bộ vi xử lý này đã được thu gọn đi đáng kể. Và khi nó càng nhỏ, nó càng tiêu thụ ít năng lượng, nhờ vậy thời lượng pin cũng được kéo dài hơn, chứ không phải do viên pin lưu trữ dung lượng lớn hơn (xét cùng một kích thước).

Nhưng pin thì lại khác. Về cơ bản, thiết bị dự trữ năng lượng này là một sự kết hợp giữa kim loại và các chất hóa học. Khi những vật liệu này được kết nối với nhau, dòng điện sẽ xuất hiện. Nhưng vấn đề với các loại hóa chất là việc thu gọn chúng không đồng nghĩa với việc làm cho chúng hoạt động tốt hơn. Hãy tưởng tượng: nếu chúng ta giảm bớt lượng bia đổ vào cốc, chúng ta chỉ đơn giản là có ít bia hơn mà thôi.

Cho tới giờ, những tiến bộ đáng kể về pin chủ yếu tới từ việc sử dụng những vật liệu mới. Pin của các thiết bị điện tử ngày càng có thời lượng lớn hơn nhờ việc chuyển từ niken sang lithium. John Goodenough, một nhà khoa học có vai trò chủ chốt trong sự phát triển của các loại pin hiện đại, đã nói rằng những nghiên cứu ngày nay chỉ chú trọng vào việc cải tiến pin lithium. “Bảng tuần hoàn hóa học là có giới hạn” – ông nói, vì vậy những tiến bộ đang ngày càng khó vượt qua giới hạn hơn.

Mặc dù đang ngày càng có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này, nhưng họ có vẻ đang thiếu đi những công cụ cần thiết để làm việc. Một chiếc smartphone có thể chạy được cả tuần – thay vì một ngày – sẽ đòi hỏi một công nghệ hoàn toàn mới chưa từng có từ trước đến nay.

Mọi ngả đường đều dẫn tới lithium

Trở lại thế kỷ 18, khi các nhà khoa học tình cờ phát hiện ra một cách mới để thu được điện năng. Năm 1800, Alessandro Volta, một nhà vật lý người Ý, đã chế tạo ra cục pin đầu tiền, làm từ một tấm kẽm và một tấm đồng nhúng trong axit sunfuric, có thể sản sinh ra dòng điện liên tục và ổn định.

Các loại pin ngày nay cũng không khác Pin Volta thời đó là mấy. Khi mổ xẻ một cục pin, và bạn sẽ thấy một bên là tấm vật liệu bằng kim loại, chẳng hạn như liti, và bên kia là một tấm vật liệu khác, thường là cacbon. Ở giữa là một vật tương tự như mảnh vải Volta đã dùng 200 năm trước: Một miếng nhựa được bao phủ bởi gel hoặc chất lỏng được thiết kế để giữ cho hai tấm vật liệu không phản ứng với nhau, nhưng vẫn cho phép các hạt nguyên tử di chuyển qua lại. Khi một liên kết, hay mạch điện, được tạo ra bằng cách nối một sợi dây từ bên này sang bên kia của cục pin, dòng điện sẽ xuất hiện và bóng đèn sẽ sáng.

Nói một cách khác, trong những năm qua về cơ bản cơ chế pin không có quá nhiều thay đổi và lithium vẫn là đích đến của các dự án cải thiện thời lượng pin trong thời gian tới.

Một sự bùng nổ trên thị trường

Pin chính là nguồn sống của công nghệ. Vào năm 1990, khi pin lithium-ion mới sẵn sàng để đưa ra thị trường, nhu cầu pin trên toàn cầu đã đạt đến gần 200.000 MWh, theo một tính toán của công ty tư vấn Avicenne Energy. Con số đó tương đương với 44,4 tỷ viên pin AA Energizer Ultimate Lithium, đủ để xếp quanh Trái Đất 57 vòng! Tới năm 2013, chỉ hai thập kỷ sau, nhu cầu trên đã tăng lên gần gấp đôi con số đó.

Công ty Lux Research dự đoán rằng, chỉ riêng chi phí dành cho pin của các thiết bị điện tử cũng có thể đạt đến 26,6 tỷ USD vào năm 2020, tăng 30% so với năm 2014. Hầu hết nhu cầu về pin sẽ tới từ điện thoại di động và máy tính bảng, dự kiến sẽ tăng 45% trong vòng 6 năm tới. Pin dành cho phương tiện giao thông như ô tô cũng sẽ tăng gấp đôi lên mức 20,9 tỷ USD. Với những con số hấp dẫn đó, rất nhiều nhà nghiên cứu đang tìm cách để cải tiến các cục pin. Mặc dù vậy, chỉ có một số ít đột phá đáng ghi nhận được tạo ra.

Ví dụ như gã khổng lồ IBM. Hãng này có hẳn một đội ngũ các nhà khoa học tại cơ sở ở California để nghiên cứu về công nghệ pin. Năm 2009, IBM đã tiến hành dự án Battery 500, với mục đích tạo ra một loại pin có thể cho xe ô tô chạy được 500 dặm (khoảng 800 km). Ngần đó năng lượng là đủ để đi từ San Francisco tới Los Angeles chỉ với một lần sạc, và vẫn còn một ít điện năng để đi một vòng quanh bờ biển.

Nhân tố chìa khóa của IBM là một loại pin mới có tên lithium-air. Thay vì phụ thuộc vào cacbon hay các loại vật liệu khác như ở trong pin lithium-ion, IBM và các đối tác tin tưởng rằng họ có thể tạo ra một lớp vỏ chứa đầy không khí có thể phản ứng với một mảnh lithium để tạo ra điện năng. Nếu họ đúng, công nghệ này có nhiều tiềm năng giảm đi đáng kể trọng lượng của các cục pin hiện giờ.

Nhưng có một vấn đề: để giữ cho năng lượng ổn định và có thể sạc lại, chúng ta cần phải có không khí tinh khiết, trong khi bầu không khí mà chúng ta đang hít thở hàng ngày lại chứa đầy tạp chất và hơi nước. “Bạn sẽ cần phải có máy làm sạch không khí” – theo Winfried Wilcke, một nhà nghiên cứu của IBM.

Những người khác, như các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts và Đại học Texas, lại đang xem xét các vật liệu khác như silic, lưu huỳnh hay natri. Nhưng hầu hết mọi nỗ lực lại đang hướng đến các loại pin dành cho ô tô. Vì vậy có lẽ sẽ mất một khoảng thời gian để những công nghệ này tới tay những người dùng thiết bị di động.

Trở lại với những nỗ lực nhằm cải tiến pin lithium-ion. Các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã nói rằng, họ đã tạo ra một loại pin với lithium nguyên chất có thể lưu trữ được nhiều năng lượng hơn. Nhưng loại pin này vẫn còn cần nhiều thời gian để hoàn thiện.

Đối mặt với thực tại

Có một tin tốt là các hãng công nghệ vẫn đang tìm cách để tăng thời lượng pin, trong khi chờ đợi sự ra đời của một công nghệ pin mới.

Tại Apple, rất nhiều tiến bộ đã đạt được nhờ cải tiến phần mềm. Hệ điều hành OS X Mavericks của họ, được công bố năm ngoái, có thể tự nhận thấy những thời điểm khi mà đang có một vài chương trình hoạt động mà không được người dùng để mắt đến (nói chung là khi ở trạng thái nhàn rỗi – idle). Máy tính khi đó sẽ tự động đưa chương trình đó về chế độ chạy ngầm. Chẳng hạn như khi một cửa sổ bạn mới mở nằm đè lên ứng dụng Youtube đang trình chiếu phim, thì khi đó âm thanh vẫn sẽ phát ra, nhưng hình ảnh sẽ được tạm dừng vì bạn đang làm việc với cửa sổ mới đó và tạm ngừng xem phim.

Các hãng công nghệ khác cũng đang tiến những bước tương tự với các thiết bị di động của mình. Samsung đã tạo ra một “chế độ siêu tiết kiệm pin” cho phép pin của chiếc Galaxy S5 “sống” được trong thời gian lên tới 12,5 ngày (theo điều kiện lý tưởng mà họ công bố). Chế độ này sẽ chuyển màn hình từ nhiều màu sang hai màu đen trắng, đồng thời chỉ cho phép chạy các ứng dụng cuộc gọi, tin nhắn và các trình duyệt web cơ bản.

Một vài công ty, trong đó có Samsung SDI, đang cố gắng tạo ra những loại pin an toàn hơn và mạnh mẽ hơn. Samsung cũng đang nghiên cứu giải pháp thay thế những loại gel và chất lỏng bằng vật liệu rắn. Họ hy vọng sẽ làm cho pin trở nên an toàn hơn và ít có khả năng phát nổ. Theo đó, Samsung dự định sẽ đưa loại pin mới này ra thị trường vào năm tới.

Trong khi đó, Apple cũng đang tập trung vào việc thu nhỏ kích cỡ của các cục pin. Năm 2009, khi Schiller công bố đột phá về dung lượng pin cho chiếc MacBook, ông đã nói về cách mà thiết kế cục pin hình chữ nhật có thể được thay thế bởi một thiết kế bao gồm các mảnh ghép có thể vừa vào bất cứ khoảng trống nào. Kết quả thu được một loại pin mới mà giám đốc Schiller có thể coi là một cuộc cách mạng, có lẽ là cuộc cách mạng tốt nhất mà chúng ta có thể có ở thời điểm này.

Tuy nhiên, tính đến giờ thì cả Apple, Samsung cũng như các công ty công nghệ khác vẫn đang bế tắc trong việc tạo ra một đột phá thực sự để tăng thời lượng pin và giảm kích thước pin cho các thiết bị điện tử, các công nghệ này (nếu có) vẫn chỉ đang ở dạng tiềm năng chứ chưa được đưa vào sản xuất đại trà. Tương lai của những viên pin vẫn còn bỏ ngỏ và không dễ để nắm bắt như các tiến bộ công nghệ khác.

Theo Anh Minh/VnReview