- Chúng ta đang sống trong thời đại mà các thiết bị điện tử đóng vai trò chủ đạo giúp chúng ta từ giao tiếp, học tập, giả trí... Tuy nhiên, tất cả các thiết bị trở nên vô dụng nếu chúng không có pin bên trong. Vậy chúng ta hãy cùng tìm hiểu về những công nghệ mới nhất giúp cải tiến và tăng dung lượng của pin lithium-ion hay pin lithium-silicone.

Pin là gì?

Nói một cách đơn giản, pin là một thiết bị lưu trữ và cung cấp điện bằng cách sử dụng các phản ứng điện hóa. Có ba thành phần chính của pin:

Anode: Điện cực nơi quá trình oxy hóa (mất electron) diễn ra trong quá trình phóng điện. Vật liệu phổ biến để làm cực dương bao gồm than chì hoặc kim loại.

Cathode: Điện cực nơi xảy ra hiện tượng khử (thu electron) trong quá trình phóng điện. Vật liệu làm cực âm khác nhau và có thể bao gồm các kim loại như lithium, coban hoặc mangan, tùy thuộc vào loại pin.

Chất điện phân: Chất cho phép các ion di chuyển giữa cực dương và cực âm, tạo điều kiện cho dòng điện chạy qua. Chất điện phân thường là chất lỏng hoặc gel chứa ion.

Khi bạn kết nối một thiết bị bên ngoài cần nguồn điện vào mạch pin, các ion tích điện bắt đầu chảy từ cực dương đến cực âm thông qua chất điện phân. Điều này tạo ra sự khác biệt và sau đó các electron di chuyển từ pin sang thiết bị được kết nối và cung cấp năng lượng.

Pin lithium-ion

Nghiên cứu về pin lithium-ion bắt đầu từ những năm 1960 và phát triển thành sản phẩm thương mại hóa vào khoảng những năm 1990. Nguyên mẫu sớm nhất của pin lithium-ion được NASA phát triển vào năm 1965 và sản phẩm thương mại đầu tiên xuất hiện trên kệ vào năm 1991. Nó được sản xuất bởi Sony.

Loại pin này tuân theo cơ chế trên, sử dụng lithium làm nguyên tố hóa học chính. Tại sao lại là lithium? Mặc dù đã có nghiên cứu sâu rộng về vô số vật liệu có tiềm năng sử dụng trong pin lithium-ion nhưng  thành phần hóa học thực tế đã được tích hợp thành công vào các ứng dụng thương mại trong công nghệ này vẫn còn khá hạn chế. Nói một cách đơn giản, lithium hoạt động tốt nhất.

Trong pin lithium-ion, cực âm thường được cấu tạo từ oxit kim loại lithium, chẳng hạn như oxit lithium coban hoặc lithium sắt photphat. Cực dương được làm từ một số loại carbon, chẳng hạn như than chì, và chất điện phân là muối lithium. Vậy vấn đề với silicon là gì?

Pin lithium-silicon

Pin lithium-silicon sử dụng một chỉnh sửa nhỏ ở cực dương để cải thiện đáng kể công suất. Than chì có giới hạn trên về dung lượng là 372 mAh/g. Mặt khác, silicone tinh thể nguyên chất có công suất lý thuyết là 3600 mAh/g, gấp khoảng 10 lần so với than chì.

 

Vậy pin điện thoại thông minh 50 000 mAh của chúng ta ở đâu? Tinh thể silicon nguyên chất có một đặc tính khó chịu là thay đổi thể tích của chúng khi được sạc và xả, lên tới 300%. Điều này có nghĩa là pin sẽ bị phồng, vỡ và bắt lửa hoặc phát nổ.

Để ngăn chặn điều đó trong khi vẫn thu được một số lợi ích từ silicon, các nhà khoa học đã chế tạo được vật liệu composite silicon-carbon. Nó sử dụng các hạt nano silicon để tăng công suất của cực dương graphene (là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong). Hiện nay, pin silicon-carbon thương mại có dung lượng khoảng 550 mAh/g. Hãng Tesla sử dụng công nghệ này trong pin ô tô của mình và Honor cũng sử dụng nó trong Honor Magic 5 Pro, Magic V2 có thể gập lại và Magic 6 Pro sắp ra mắt.

Pin lithium-silicon không phải là pin thể rắn. Bạn có thể đã nghe rất nhiều về cái sau, với những hứa hẹn về khả năng tăng dung lượng và sạc siêu nhanh. Loại pin này quả thực tiềm năng của nó rất lớn nhưng cũng có những khó khăn cần phải vượt qua và kích thước của chúng cũng rất lớn.

Có tương lai nào cho pin lithium-silicon không? Mong là nhiều nhà sản xuất điện thoại thông minh hơn sẽ thử và tạo điều kiện thuận lợi cho công nghệ này. Yếu tố quan trọng nhất ở đây là vật liệu và quy trình được sử dụng để tạo ra những loại pin như vậy không khác biệt hoàn toàn so với pin lithium-ion thông thường. Và điều này có nghĩa là khả năng mở rộng và chi phí có thể chấp nhận được về mặt thương mại.

Ở trạng thái hiện tại, pin lithium silicon có công suất tăng khiêm tốn 20% nhưng những tiến bộ trong công nghệ này có thể tăng con số này lên gấp 10 lần. Vì vậy, những chiếc chiếc iPhone và Galaxy có pin 10.000mAh có thể không còn xa nữa.

 

Hoàng Thanh