Từ chiếc điện thoại thông minh mà chúng ta kiểm tra ngay khi mở mắt mỗi sáng, những chiếc ô tô điện lặng lẽ chạy trên đường, cho đến máy tính xách tay và pin sạc dự phòng, cuộc sống hằng ngày của con người hiện đại khó có thể duy trì dù chỉ trong một khoảnh khắc nếu thiếu pin (Battery). Chúng ta rất nhạy cảm với tỷ lệ phần trăm (%) pin còn lại hiển thị ở góc trên bên phải màn hình điện thoại, nhưng lại thường ít suy nghĩ sâu về những gì đang diễn ra bên trong chiếc hộp chữ nhật nhỏ bé ấy.
Pin không đơn thuần là một “không gian lưu trữ điện”. Nói chính xác, đó là một “thiết bị phản ứng hóa học chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện”. Pin không trực tiếp tích trữ điện mà hoạt động theo nguyên lý sử dụng sự thay đổi trạng thái hóa học của vật chất để làm electron di chuyển khi cần.
Trong tài liệu này, chúng ta sẽ tập trung vào pin lithium-ion, đại diện tiêu biểu của các loại pin sạc hiện đại, để tìm hiểu sâu dưới góc nhìn hóa học về 4 thành phần cốt lõi cấu tạo nên pin, cơ chế hóa học của quá trình sạc và xả, hiện tượng suy thoái cũng như công nghệ pin thế hệ tiếp theo.
4 thành phần cốt lõi cấu tạo nên pin và vai trò của chúng
Để hiểu nguyên lý hoạt động bên trong pin, trước hết cần hiểu 4 thành phần cốt lõi tạo nên pin: vật liệu điện cực dương, vật liệu điện cực âm, chất điện phân và màng ngăn. 4 thành phần này đóng vai trò là những “tòa nhà” và “con đường” nơi các vị khách mang tên ion lithium lưu trú và di chuyển.
(1) Vật liệu điện cực dương (Positive Electrode / Cathode)
Vật liệu điện cực dương là thành phần quan trọng nhất quyết định “dung lượng” và “công suất” của pin. Vật liệu này chủ yếu có dạng lithium kết hợp với các oxit (niken, coban, mangan, sắt, v.v.), chẳng hạn như LCO, NCM, LFP. Để dễ hình dung, có thể xem đây là “ngôi nhà chính (căn hộ)” nơi các ion lithium ở yên bình khi pin được sạc đầy.
(2) Vật liệu điện cực âm (Negative Electrode / Anode)
Vật liệu điện cực âm có vai trò tiếp nhận và lưu trữ các ion lithium từ điện cực dương trong quá trình sạc. Vật liệu thường được sử dụng là than chì (Graphite) hoặc các vật liệu gốc silicon. Than chì có cấu trúc phân lớp (nhiều tấm xếp chồng lên nhau), rất thích hợp để giữ an toàn các ion lithium trong những khoảng trống giữa các lớp. Vật liệu điện cực âm tương ứng với “chỗ ở tạm thời” nơi các ion lithium lưu trú khi được sạc vào.
(3) Chất điện phân (Electrolyte)
Chất điện phân là môi trường giúp các ion lithium di chuyển thuận lợi giữa điện cực dương và điện cực âm. Chất này chủ yếu tồn tại ở dạng lỏng, được tạo ra bằng cách hòa tan muối lithium trong dung môi hữu cơ. Nó được thiết kế để cho ion đi qua nhưng không cho electron đi qua. Chất điện phân đóng vai trò như “đường cao tốc và dòng sông” vận chuyển các ion.
(4) Màng ngăn (Separator)
Màng ngăn là một màng có các lỗ cực nhỏ (màng xốp), ngăn cách về mặt vật lý để điện cực dương và điện cực âm không tiếp xúc trực tiếp. Nếu hai điện cực chạm trực tiếp vào nhau, hiện tượng chập mạch (đoản mạch) sẽ xảy ra, gây tỏa nhiệt đột ngột và phát nổ. Màng ngăn đóng vai trò như một “người gác cửa an toàn”, chặn electron và chỉ cho các ion lithium rất nhỏ đi qua các lỗ.
Cơ chế hóa học của quá trình sạc và xả (hành trình của ion lithium)
Khi pin hoạt động, bên trong diễn ra phản ứng oxi hóa – khử (Redox Reaction). Phản ứng mất electron là oxi hóa, còn phản ứng nhận electron là khử. Điểm cốt lõi của pin lithium-ion là do không thể truyền electron trực tiếp, các ion di chuyển bên trong qua chất điện phân, còn electron đi vòng qua mạch điện bên ngoài.
[Quá trình sạc (cấp nguồn điện bên ngoài)]
Điện cực dương (nhà chính) ---> (ion lithium di chuyển: chất điện phân) ---> Điện cực âm (chỗ ở tạm thời) ---> (electron di chuyển: dây dẫn bên ngoài) --->
[Quá trình xả (sử dụng thiết bị điện tử)]
Điện cực âm (chỗ ở tạm thời) ---> (ion lithium di chuyển: chất điện phân) ---> Điện cực dương (nhà chính) ---> (electron di chuyển: dây dẫn bên ngoài: vận hành thiết bị) --->
(1) Xả (Discharge): Quá trình sử dụng điện
Đây là phản ứng xảy ra khi chúng ta sử dụng điện thoại thông minh.
- Phản ứng tại điện cực âm: Lithium (Li) được lưu trữ trong điện cực âm (than chì) mất electron (e⁻), bị oxi hóa và trở thành ion lithium (Li⁺).
- Di chuyển: Các ion lithium (Li⁺) được tạo ra đi theo chất điện phân, xuyên qua màng ngăn và di chuyển đến điện cực dương. Lúc này, do các electron (e⁻) đã tách ra không thể đi qua chất điện phân, chúng chạy theo dây dẫn nối bên ngoài pin (mạch điện của điện thoại thông minh) đến điện cực dương.
- Vận hành: Chính dòng electron chạy qua dây dẫn bên ngoài này là “dòng điện (điện)” mà chúng ta sử dụng.
- Phản ứng tại điện cực dương: Các ion lithium và electron quay về điện cực dương sẽ tái kết hợp với vật liệu điện cực dương (khử), trở lại trạng thái ổn định.
(2) Sạc (Charge): Quá trình nạp lại năng lượng
Phản ứng ngược với quá trình xả diễn ra. Khi cắm bộ sạc, một điện áp được cưỡng bức đặt vào từ bên ngoài.
- Các ion lithium vốn liên kết tại điện cực dương lại mất electron, thoát ra và di chuyển qua chất điện phân đến điện cực âm.
- Electron đi đến điện cực âm qua mạch của bộ sạc bên ngoài.
- Các ion lithium và electron lại lần lượt được lưu trữ giữa các lớp than chì của điện cực âm.
Vì sao pin hết tuổi thọ? (Nguyên nhân hóa học của hiện tượng suy thoái)
Sau thời gian dài sử dụng pin, bạn có thể nhận thấy thời gian sử dụng giảm rõ rệt so với lúc mới mua. Hiện tượng này được gọi là “suy thoái pin (Degradation)”, với các nguyên nhân chính nằm ở những biến đổi hóa học sau đây.
(1) Sự phát triển của lớp màng SEI (Solid Electrolyte Interphase)
Khi pin được sạc lần đầu, chất điện phân phân hủy trên bề mặt điện cực âm, hình thành một lớp màng bảo vệ mỏng (màng SEI). Ở mức độ vừa phải, lớp màng này bảo vệ pin, nhưng càng lặp lại quá trình sạc và xả, màng càng dày lên. Trong quá trình này, các ion lithium bị giữ lại và cố định trong màng, làm giảm “lượng ion lithium hữu dụng” có thể tham gia phản ứng.
(2) Sự phá hủy cấu trúc tinh thể của điện cực dương và điện cực âm
Khi các ion lithium liên tục đi vào và đi ra giữa các lớp than chì hoặc vật liệu điện cực dương (hiện tượng xen cài), chúng gây ra những ứng suất cơ học nhỏ trong vật liệu. Theo thời gian, cấu trúc vật liệu bị sụp đổ ở quy mô nhỏ hoặc xuất hiện các vết nứt vi mô (Micro-crack), khiến chính không gian mà ion lithium có thể đi vào bị thu hẹp.
(3) Ảnh hưởng của nhiệt độ và điện áp
Trong môi trường nhiệt độ cao, các phản ứng phụ của chất điện phân tăng mạnh, đẩy nhanh sự hình thành lớp màng; còn khi pin ở trạng thái xả quá mức (duy trì ở 0%) hoặc sạc quá mức (liên tục ở 100%), sự mất cân bằng cấu trúc của vật liệu điện cực trở nên nghiêm trọng hơn, khiến tuổi thọ giảm nhanh chóng.
Công nghệ pin thế hệ tiếp theo và những thách thức đối với ngành hóa học
Pin lithium-ion có mật độ năng lượng vượt trội, nhưng vẫn đối mặt với nguy cơ cháy do sử dụng chất điện phân lỏng và giới hạn vật lý về mật độ năng lượng. Để khắc phục những vấn đề này, ngành hóa học đang tích cực nghiên cứu các loại pin thế hệ tiếp theo.
(1) Pin toàn thể rắn (All-Solid-State Battery)
Đây là công nghệ thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn.
- Ưu điểm: Nguy cơ cháy nổ do sinh khí và rò rỉ chất lỏng, vốn là đặc trưng của chất điện phân lỏng, giảm đáng kể. Ngoài ra, chất điện phân rắn có thể kiêm vai trò của màng ngăn, giúp giảm thể tích pin và tối đa hóa mật độ năng lượng.
(2) Pin natri-ion (Sodium-ion Battery)
Đây là loại pin sử dụng natri, nguyên tố có trữ lượng dồi dào và giá thành thấp (thành phần chính của muối), thay cho lithium là kim loại hiếm.
- Ưu điểm: Khả năng giảm chi phí rất tốt và hiệu suất ít suy giảm trong môi trường nhiệt độ thấp. Do mật độ năng lượng thấp hơn đôi chút so với pin lithium, loại pin này đang thu hút nhiều sự chú ý trong lĩnh vực hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) và ô tô điện giá rẻ.
Sức mạnh của hóa học dẫn dắt tương lai bền vững
Pin không đơn thuần là một sản phẩm kỹ thuật, mà là một hệ thống hóa học hoàn chỉnh, chuyển đổi các phản ứng hóa học trong thế giới vi mô thành năng lượng của thế giới vĩ mô. Những chuyển động nhỏ bé của các ion lithium liên tục qua lại giữa điện cực dương và điện cực âm hợp lại để vận hành ô tô điện và giúp cuộc sống số của nhân loại trở thành hiện thực.
Hiện nay, các nhà hóa học đang tiếp tục đổi mới nhằm nâng cao độ an toàn, hiệu quả kinh tế và tính thân thiện với môi trường của pin, thông qua thương mại hóa pin toàn thể rắn, phát triển vật liệu điện cực dương có mật độ cao và nghiên cứu các quy trình tái chế pin thải thân thiện với môi trường.
Trong thời đại chuyển đổi năng lượng hiện nay, hiểu biết về công nghệ hóa học của pin sẽ vượt ra ngoài kiến thức đơn thuần, trở thành chìa khóa quan trọng để nắm bắt xu hướng của công nghiệp và công nghệ tương lai.
