Pin hoạt động như thế nào?
Pin (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp pile), là một hoặc nhiều pin điện hóa (electrochemical cell) biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện.Từ khi được sáng chế lần đầu ("pin Volta") bởi Alessandro Volta, pin đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều đồ dùng trong gia đình cũng như cho các ứng dụng trong công nghiệp. Theo ước lượng năm 2005, công nghiệp sản xuất pin mang lại doanh thu 48 tỷ US$ mỗi năm, với tốc độ tăng trưởng 6% trên năm.
Có hai loại pin: pin sơ cấp (pin dùng 1 lần), được thiết kế để sử dụng 1 lần sau đó vứt đi, và pin thứ cấp (pin sạc), được thiết kế để sạc lại được nhiều lần. Các pin cỡ nhỏ được sản xuất cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng như đồng hồ đeo tay; những pin lớn có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động như máy tính xách tay. Ngoài ra còn có pin khoai tây, pin chanh, pin cảm ứng từ điện cho dòng điện miễn phí với hiệu suất cực cao mà không cần phải sạc.
Những gì đã xảy ra trong thí nghiệm của Volta là thứ mà các nhà hóa học bây giờ gọi là phản ứng oxi hóa khử. Kẽm bị oxy hóa, có nghĩa là nó bị mất các electron. Còn tại bề mặt thanh đồng, quá trình khử sẽ xảy ra, nghĩa là nó sẽ nhận thêm các electron.
Khi kết nối 2 cực này lại thì sẽ có dòng di chuyển của electron tự do từ cực kẽm sang cực đồng. Điều này có nghĩa là có sự chênh lệch điện thế gây ra bởi khả năng oxi hoá khử khác nhau tại các cực. Và trên thực tế thì cực đồng có điện thế dương hơn cực kẽm, nên cực đồng có dấu dương, còn cực kẽm có dấu âm.
Để ghi nhớ khám phá quan trọng của Volta, người ta đã dùng tên của ông để đặt tên cho đơn vị điện thế là Volt.
Chu kỳ của phản ứng oxi hóa khử này tạo ra một dòng electron chảy liên tục giữa hai cực cho đến khi các phản ứng hoá học ngừng xảy ra. Vì vậy, nếu bạn nối một bóng đèn vào giữa hai cực, thì bóng đèn sẽ sáng.
Kể từ những năm 1800, các nhà khoa học đã cải tiến thiết kế của Volta. Họ đã thay thế dung dịch hóa học bằng các lớp hoá chất khô, nhưng nguyên lý hoạt động thì vẫn như cũ.
Thông thường, kim loại để tạo ra phản ứng oxy hóa, sẽ gửi các electron tự do đi để tạo ra dòng điện. Nhưng mỗi viên pin đều có 1 lượng kim loại giới hạn. Vì thế, một khi phần kim loại này bị oxy hóa gần hết là pin sẽ chết.
Khi đó, pin sạc sẽ cho chúng ta một giải pháp tạm thời để giải quyết vấn đề này bằng cách đảo ngược quá trình oxy hóa - khử. Nghĩa là các electron có thể chảy theo hướng ngược lại so với hướng ban đầu.
Khi pin được cắm sạc, nguồn điện dùng để sạc sẽ tạo ra phản ứng tái tạo kim loại, nhằm tạo ra nhiều electron hơn cho quá trình sử dụng pin kế tiếp.
Nhưng ngay cả pin sạc cũng không thể sử dụng mãi được.
...
Có hai loại pin: pin sơ cấp (pin dùng 1 lần), được thiết kế để sử dụng 1 lần sau đó vứt đi, và pin thứ cấp (pin sạc), được thiết kế để sạc lại được nhiều lần. Các pin cỡ nhỏ được sản xuất cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng như đồng hồ đeo tay; những pin lớn có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động như máy tính xách tay. Ngoài ra còn có pin khoai tây, pin chanh, pin cảm ứng từ điện cho dòng điện miễn phí với hiệu suất cực cao mà không cần phải sạc.
Những gì đã xảy ra trong thí nghiệm của Volta là thứ mà các nhà hóa học bây giờ gọi là phản ứng oxi hóa khử. Kẽm bị oxy hóa, có nghĩa là nó bị mất các electron. Còn tại bề mặt thanh đồng, quá trình khử sẽ xảy ra, nghĩa là nó sẽ nhận thêm các electron.
Khi kết nối 2 cực này lại thì sẽ có dòng di chuyển của electron tự do từ cực kẽm sang cực đồng. Điều này có nghĩa là có sự chênh lệch điện thế gây ra bởi khả năng oxi hoá khử khác nhau tại các cực. Và trên thực tế thì cực đồng có điện thế dương hơn cực kẽm, nên cực đồng có dấu dương, còn cực kẽm có dấu âm.
Để ghi nhớ khám phá quan trọng của Volta, người ta đã dùng tên của ông để đặt tên cho đơn vị điện thế là Volt.
Chu kỳ của phản ứng oxi hóa khử này tạo ra một dòng electron chảy liên tục giữa hai cực cho đến khi các phản ứng hoá học ngừng xảy ra. Vì vậy, nếu bạn nối một bóng đèn vào giữa hai cực, thì bóng đèn sẽ sáng.
Kể từ những năm 1800, các nhà khoa học đã cải tiến thiết kế của Volta. Họ đã thay thế dung dịch hóa học bằng các lớp hoá chất khô, nhưng nguyên lý hoạt động thì vẫn như cũ.
Thông thường, kim loại để tạo ra phản ứng oxy hóa, sẽ gửi các electron tự do đi để tạo ra dòng điện. Nhưng mỗi viên pin đều có 1 lượng kim loại giới hạn. Vì thế, một khi phần kim loại này bị oxy hóa gần hết là pin sẽ chết.
Khi đó, pin sạc sẽ cho chúng ta một giải pháp tạm thời để giải quyết vấn đề này bằng cách đảo ngược quá trình oxy hóa - khử. Nghĩa là các electron có thể chảy theo hướng ngược lại so với hướng ban đầu.
Khi pin được cắm sạc, nguồn điện dùng để sạc sẽ tạo ra phản ứng tái tạo kim loại, nhằm tạo ra nhiều electron hơn cho quá trình sử dụng pin kế tiếp.
Nhưng ngay cả pin sạc cũng không thể sử dụng mãi được.
...