Bạn đã bao giờ tự hỏi điều gì thực sự cung cấp năng lượng cho chiếc điện thoại thông minh của bạn chưa? Bạn cắm sạc, rút ra, và tiếp tục nhắn tin, lướt mạng, chơi game, gọi điện mà ít khi nghĩ tới những gì đang diễn ra bên trong viên pin mỏng ấy.
Nhưng nguồn năng lượng của điện thoại không chỉ là một hộp nhỏ—nó là một phòng thí nghiệm hóa học tí hon hoạt động không ngừng.
Trong bài viết này, hãy cùng khám phá cách hóa học nuôi dưỡng các viên pin trong điện thoại hiện đại và cách đổi mới khoa học không ngừng đẩy công nghệ pin tiến lên.
Bên trong pin điện thoại có gì?
Hầu hết điện thoại hiện nay dùng pin lithium-ion, một loại pin mạnh và có thể sạc lại. Ở cốt lõi, những pin này dựa vào phản ứng hóa học để tạo ra và lưu trữ năng lượng. Một pin lithium-ion điển hình gồm ba thành phần chính:
• Anode:
Thường làm từ graphite, nơi lưu trữ các ion lithium khi sạc.
• Cathode:
Thường là oxide kim loại lithium như lithium cobalt oxide (LiCoO₂).
• Chất điện ly (Electrolyte):
Một chất lỏng hoặc gel cho phép các ion di chuyển giữa anode và cathode.
Những thành phần này vận hành cùng nhau trong một điệu nhảy hóa học được cân bằng cẩn thận để sinh ra điện năng mà điện thoại của bạn cần.
Cách sạc hoạt động
Khi bạn cắm sạc điện thoại, năng lượng điện từ bộ sạc đẩy các ion lithium từ cathode về anode qua chất điện ly. Cùng lúc đó, electron di chuyển qua mạch ngoài (mạch của điện thoại) để duy trì cân bằng điện. Trong quá trình này:
• Các ion lithium chèn vào anode.
• Electron tích tụ ở anode.
Pin lưu trữ năng lượng này cho đến khi bạn chuẩn bị dùng điện thoại.
Khi bạn dùng điện thoại thì sao?
Khi bạn rút sạc và bắt đầu sử dụng, quá trình đảo chiều. Lúc này các ion lithium rời anode và di chuyển trở lại cathode. Electron cũng chảy từ anode qua các mạch của điện thoại — cung cấp năng lượng cho màn hình, bộ xử lý và ứng dụng — trước khi tái hợp với các ion lithium tại cathode. Dòng electron này là thứ cung cấp năng lượng cho thiết bị của bạn. Pin tiếp tục hoạt động như vậy cho đến khi hầu hết ion lithium trở lại cathode, và lúc đó điện thoại cần được sạc lại.
Vai trò của hóa học
Vậy hóa học đã làm điều đó như thế nào? Tất cả quy về các phản ứng redox—viết tắt của phản ứng khử và oxy hóa.
• Oxy hóa xảy ra ở anode, nơi các nguyên tử lithium nhường electron và trở thành ion lithium.
• Khử diễn ra ở cathode, nơi các ion lithium lấy lại electron và trở về trạng thái ổn định hơn.
Những phản ứng redox được kiểm soát này cho phép năng lượng được giải phóng từ từ và có thể dự đoán, đó là lý do vì sao điện thoại của bạn có thể dùng được hàng giờ thay vì cạn sạch đột ngột.
Tại sao là lithium?
Lithium là kim loại nhẹ nhất và là một trong những nguyên tố phản ứng mạnh nhất trong bảng tuần hoàn. Điều đó khiến nó hoàn hảo cho pin. Nó mang lại:
• Mật độ năng lượng cao, nghĩa là có thể lưu trữ nhiều năng lượng trong không gian nhỏ.
• Khả năng sạc lại hàng trăm lần với mất mát hiệu năng tối thiểu.
• Thiết kế nhẹ, quan trọng để giữ điện thoại mỏng và dễ mang theo.
Không có gì ngạc nhiên khi hóa học lithium-ion trở thành tiêu chuẩn vàng cho thiết bị điện tử cá nhân!
An toàn pin và hóa học
An toàn pin là hệ quả trực tiếp của cách quản lý hóa học bên trong. Nếu quá nhiều ion lithium bị ép vào anode quá nhanh, hoặc nếu có lỗi cấu trúc, các hậu quả nguy hiểm như quá nhiệt có thể xảy ra. Để ngăn chặn điều này, nhà sản xuất sử dụng:
• Mạch bảo vệ để tránh sạc quá mức hoặc quá nhiệt.
• Màng ngăn (separator) để ngăn tiếp xúc trực tiếp giữa anode và cathode.
• Cảm biến nhiệt độ để tắt pin khi quá nóng.
Tất cả công nghệ an toàn này xây dựng trên nền tảng kỹ thuật hóa học tinh tế.
Còn sạc nhanh thì sao?
Sạc nhanh không chỉ là bơm thêm điện. Nó dựa trên thành phần chất điện ly tiên tiến và kiểm soát chính xác dòng ion để đẩy nhanh quá trình sạc mà không làm hại pin. Những viên pin thế hệ mới được thiết kế để:
• Chịu được dòng điện cao hơn mà không bị suy giảm.
• Xử lý sự di chuyển nhanh hơn của ion mà không gây bất ổn hóa học.
Hóa học chính là then chốt để làm cho sạc nhanh vừa an toàn vừa hiệu quả.
Lão hóa pin và mất dung lượng
Theo thời gian, bạn có thể nhận thấy điện thoại không giữ pin tốt như ban đầu. Đó là kết quả của hao mòn hóa học bên trong pin: các cặn nhỏ tích tụ, và sự di chuyển của ion lithium trở nên kém hiệu quả hơn. Những nguyên nhân khác gây lão hóa pin bao gồm:
• Chu kỳ sạc lặp lại.
• Tiếp xúc với nhiệt độ cao.
• Trao đổi ion không hoàn chỉnh do sạc nhanh hoặc sử dụng nặng.
Các nhà nghiên cứu pin đang tìm kiếm giải pháp như pin thể rắn và vật liệu điện cực mới để giảm thiểu những tác động lão hóa này.
Đổi mới pin trong tương lai
Các nhà khoa học đang khám phá nhiều hướng để cải thiện hiệu năng pin:
• Pin thể rắn:
Thay chất điện ly lỏng bằng vật liệu rắn, giúp pin an toàn hơn và có mật độ năng lượng cao hơn.
• Cực dương (anode) dựa trên silicon:
Có khả năng chứa nhiều lithium hơn than chì, tăng dung lượng.
• Đổi mới tái chế:
Các nhà hóa học phát triển phương pháp trích xuất an toàn lithium và cobalt từ pin đã qua sử dụng, giảm chất thải.
Mỗi đổi mới đều dựa trên những đột phá trong hóa học để trở thành hiện thực.
Từ hóa học đến kết nối
Dù bạn đang gọi video với bạn bè, nghe nhạc trực tuyến, hay định hướng tới một thành phố mới, tất cả đều nhờ vào hóa học lặng lẽ trong túi bạn. Mỗi tin nhắn, thông báo và cú chạm vào ứng dụng đều được vận hành bởi những phản ứng hóa học được kiểm soát mà hàng thập kỷ nghiên cứu đã phát triển. Vậy lần tới khi điện thoại rung lên, hãy lặng lẽ gửi lời cảm ơn đến các nhà hóa học, kỹ sư và nhà khoa học đã biến lithium thành năng lượng bạn cầm trên tay.
