Pin, tại sao lại chết?

Pin luôn là một vấn đề nhức nhối cho bất cứ một thiết bị điện tử nào, có thể bạn hạnh phúc với chiếc máy của mình, nó tốt, nó đẹp, nó thời trang nhưng rồi thiết bị đó cũng sẽ ngừng hoạt động vào một ngày nào đó. Lý do ư, nếu máy không hỏng thì pin cũng sẽ hỏng (chai) và bạn gần như không thể tìm được một viên pin có dung lượng, cấu trúc, giao tiếp tương đương để thay thế. Vậy tại sao pin lại hỏng? Để tìm hiểu về vấn đề này, trước hết chúng ta cần biết nguyên tắc hoạt động của nó.

Nguyên tắc hoạt động:
Chúng ta sẽ chỉ nhắc đến pin sạc ở đây thôi, đặc biệt là loại pin Lithium Ion được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các thiết bị điện tử. Loại pin này là sự kết hợp của cực âm (cathode, làm từ lithium) và điện cực dương (anode làm từ carbon). Khi bạn sạc pin, nguồn điện sẽ đẩy lùi ion từ cathode sang anode và lưu trữ tại đây. Quá trình sử dụng đi theo chiều ngược lại, ion sẽ đi từ anode quay trở lại cathode để tạo ra năng lượng. Tất nhiên, đây là cách nói hình tượng cho dễ hiểu còn trong thực tế, việc tái tạo năng lượng là hàng loạt các phản ứng hóa học khác nhau diễn ra đồng thời.

Vậy tại sao Lithium lại được sử dụng? Đó là vì đây là một trong những nguyên liệu phù hợp nhất cho việc chế tạo pin, nó nhẹ, gọn, lưu trữ được nhiều năng lượng trong một lần sạc và có thể tái sử dụng hàng trăm lần trước khi hỏng. Pin Lithium có thời gian sử dụng lâu nhưng con số này cũng có giới hạn của nó.

Tại sao pin hỏng?
Pin đã bắt đầu quá trình hỏng của mình ngay từ giây phút đầu tiên nó rời khỏi nhà máy. Đây là một chân lý mà bạn phải hiểu và không thể làm cách nào để khắc phục điều đó. Xin hãy lưu ý rằng ngay cả khi bạn ít sử dụng, chỉ sạc vài lần trong năm thì cũng không có cách nào cứu được những viên pin Lithium Ion này đâu. Nếu bạn sử dụng pin thường xuyên (dùng không cẩn thận, sạc ẩu) thì có thể những viên pin này không sống được đến 2 năm tuổi (pin mất từ 1/3 dung lượng trở lên sẽ được coi là pin chai). Không một phản ứng hóa học nào là hoàn hảo, nó sẽ gây ra hiện tượng mất năng lượng, từ đó dẫn đến các hệ quả không mong muốn. Nguyên lý hoạt động của pin vốn dựa trên các phản ứng hóa học tất nhiên cũng không là ngoại lệ.

Ông Isidor Buchman, chủ tịch công ty chuyên về chuẩn đoán và phân tích pin là Cadex cho biết: "Các phản ứng hóa học khi sạc và xả pin sẽ làm phát sinh tạp chất và chính lượng tạp chất này là tác nhân làm cản trợ sự di chuyển của luồng ion di chuyển, qua đó làm cho pin bị chai và thậm chí là không thể sử dụng". Ông này cũng nói thêm là các tạp chất này xuất hiện rất nhiều trên bề mặt của các điện cực.

Để cho dễ hiểu hơn thì chúng ta sẽ đi sâu hơn một chút. Những gì mà Buchman nói có nghĩa là các sự cho và nhận ion liên tục của vật liệu lithium sẽ làm cho cấu trúc của chúng bị biến đổi, khó lòng tiếp nhận các đợt trao đổi ion tiếp theo. Hệ quả là các cathode vốn được làm từ lithium sẽ bị thoái hóa từ từ bởi những phản ứng hóa học không thể tránh được. Nó cũng gần tương tự như việc bạn liên tục nhúng một miếng vải xuống nước rồi vắt trong khoảng 100 lần hay hơn thế, tất nhiên là miếng vải đó sẽ bị xơ cứng và không còn dùng được.

Không chỉ có vậy, sự lặp đi lặp lại của các phản ứng hóa học bên trong viên pin sẽ tạo ra những mảng kim loại hòa tan không mong muốn ở cathode và một phần nào đó ở cả adode nữa. Các chất điện phân trong pin thường có xu hướng phân hủy sau một thời gian dài. Các hợp chất này sẽ bị oxy hóa ở cathode và tạo ra những mảng gỉ nhằm chặn đường di chuyển của ion, một hiện tượng mà bạn sẽ quen thuộc hơn với cái tên "sự ăn mòn". Hệ quả xảy ra cho viên pin thật đáng sợ, hàng loạt các điện cực già cỗi, chất điện phân bị phân hủy và một bề mặt bị ăn mòn.

Theo Buchman, sự phân hủy trên là một phần của tất yếu của công nghệ chế tạo pin trong thời điểm hiện tại. Nhưng có lẽ mọi việc cũng chưa đến mức tệ quá mức. "Người dùng không muốn bỏ ra quá nhiều tiền, do vậy mà pin phải rẻ đủ để ai cũng có thể tiếp cận. Những viên pin này cũng phải có khả năng hoạt động trong một thời gian dài vì không ai có thể sử dụng một máy tính xách tay hay điện thoại với thời lượng pin chỉ 1 tiếng. Nhưng một mức giá rẻ không cho phép các nhà sản xuất chế tạo ra những sản phẩm với nhiều cải tiến, người dùng không muốn mang theo một viên pin lớn hơn và những viên pin hiện tại chính là câu trả lời cho việc đó. Có thể coi đây là một sự đánh đổi của chúng ta vậy.

Hơn thế nữa, vòng đời của những thiết bị điện tử đã bị rút ngắn đi khá nhiều. Hầu hết chúng ta đều đổi điện thoại sau 2 năm, khi mà hợp đồng hết hạn và dễ dàng có được một chiếc điện thoại mới (ở Mỹ). Và đối với rất nhiều người tiêu dùng, một chiếc máy tính xách tay cũng nhanh chóng trở nên lỗi thời trong khoảng thời gian đó. Hãy nghĩ thế này và bạn sẽ cảm thấy thoải mái hơn với những nhà sản xuất pin: chiếc máy nghe nhạc của bạn vẫn làm việc tốt sau 2 năm hoạt động nhưng bạn vẫn muốn mua một chiếc máy mới đúng không? Chiếc máy tính MacBook 13 inch đời đầu vẫn chạy tốt nhưng tại sao ta lại không bán nó đi để mua một chiếc MacBook Air mới thời trang hơn nhỉ? Đó chính là những lý do vì sao chúng ta không nhắc nhiều về tuổi thọ của pin cho dù nó khá là tệ lậu và nghiêm trọng.

Một tương lai tươi sáng hơn:
Theo Buchman, giới hạn về số lần sạc của một viên pin lithium ion đã gần đi đến mức giới hạn của nó nhưng chúng ta vẫn còn cả một chân trời mới để khám phá về những công nghệ khác. Hầu hết các nghiên cứu gần đây đều tập trung vào cathode bởi vì vật liêu sử dụng chế tạo adode gần như không đổi, vẫn là các-bon như từ trước đến nay. Dù vậy thì một số nhà khoa học vẫn đã bổ sung thêm silicon và adode nhằm đạt được mật độ lưu trữ năng lượng cao hơn hiện tại.

Hơn nữa, sự phát triển của xe điện/xe lai (hybrid) cũng tạo tiền đề cho việc nghiên cứu pin. Không giống với các nhà sản xuất máy tính, những công ty ô tô không thể bán cho khách hàng một chiếc xe sẽ hỏng chỉ trong vài năm ngắn ngủi, chính vì vậy mà càng ngày càng có nhiều tiền được đưa vào quá trình nghiên cứu để pin trở nên mạnh mẽ hơn, dung lượng lớn hơn và đặc biệt là có thời gian sử dụng lâu hơn.

Và ngay cả thói quen của người dùng tiêu cũng có thể thay đổi (phần này dành cho thị trường Mỹ). Khi mà các hợp đồng điện thoại trở nên dài hơn, biến mất hay cuộc đua về cấu hình chậm lại, có thể khách hàng sẽ không phải "khổ sở" tìm kiếm thiết bị mới nữa và họ sẽ cần một sản phẩm có vòng đời lâu hơn. Và như các nhà sản xuất xe hơi đang phải vật lộn với công nghệ pin, các nhà sản xuất thiết bị điện tử cũng sẽ phải thế thôi.

Trong khi chờ đợi các nhà sản xuất cải thiện thì chúng ta vẫn phải sống chung với lũ, chính vì vậy mà sẽ có một bài viết khác hướng dẫn bạn sử dụng pin làm sao cho hợp lý, tối ưu hóa thời gian sử dụng cũng như vòng đời của nó. Bạn hãy chờ nhé!