Lịch sử và quá trình phát triển của pin và ắc quy

TỐC ĐỘ

TỐC ĐỘ 1

www.pindienthoaikoracell.com

https://www.koracell.net

36/6 Dương Đức Hiền F.Tây Thạnh Q.Tân Phú

Miss Sương 0908084060

Lịch sử và quá trình phát triển của pin và ắc quy

Vào đầu những năm 70, nhà khảo cổ học người Đức Conic đã phát hiện ra một vài hộp sứ có kích cỡ khác nhau tại Thành cổ Patea ở phía Tây Iraq có niên đại khoảng năm 250 trước công nguyên. Nếu nhìn qua thì chúng rất giống những hộp sứ thông thường của thời hiện đại. Tuy nhiên, khi “khám phá” thì thấy trong mỗi hộp sứ lại có một thanh sắt nhỏ.

Nhà khảo cổ học này đã rất ngạc nhiên khi ông mở một hộp sứ và phát hiện thanh sắt nhỏ ấy lại được đặt trong một ống tròn làm bằng đồng, trên thanh sắt có dấu vết của gỉ giống như đã bị dung dịch axit ăn mòn.

Những chiếc bình ắc quy thời nay

Vậy câu hỏi đặt ra là, cách đây hơn 2.000 năm trước, người Patea đã làm như thế nào để có được những chiếc bình ắc quy như thế? Câu hỏi này vẫn khiến nhiều nhà khoa học đau đầu tìm lời giải và những tranh cãi, giả thuyết vẫn chưa được chấp nhận.

Những chiếc bình ắc quy hiện đại đầu tiên được phát minh vào thế kỷ 18 trong nỗ lực nghiên cứu của Luigi Galvani từ 1780 đến 1786. Qua quá trình thực nghiệm, Luigi Galvani đã phát hiện ra rằng, khi chạm hai thanh kim loại khác nhau vào đùi một con ếch (chiếc đùi này đã tách rời khỏi cái thân ếch đã chết), một dòng điện sẽ tạo ra và làm cho chiếc đùi đạp một cái. Ông ngẫm nghĩ về hiện tượng kỳ lạ này và cố gắng tìm lời giải đáp. Bỗng dưng, một ý tưởng hiện ra trong óc ông: điện! Galvani kết luận rằng có điện tại mọi vật, ngày cả trong đôi chân ếch. Thứ điện này được ông gọi là “điện của sinh vật”.

Galvani liền viết một bài báo nói về sự phát hiện của mình. Cả châu Âu phải sửng sốt về điều tìm thấy mới lạ này và điện của sinh vật trở nên đầu đề cho các câu chuyện khoa học thời bấy giờ. Ngày nay, chúng ta biết rằng Galvani đã nhầm lẫn ở chỗ gọi điện của sinh vật và ông ta không tìm ra điện ở đâu mà có. Tuy nhiên phat hiện của Galvani đã mở đường cho công việc chế tạo điện bằng kim loại và hóa chất sau này.

Alessandro Volta (1745-1827) là Giáo Sư Vật Lý tại trường Đại Học Pavie nước Ý. Ông đã khảo cứu nhiều về điện học và đã tìm cách tăng hiệu quả của chai tụ điện. Từ khi Galvani phổ biến các nhận xét về điện thì tại các phòng thí nghiệm của châu Âu, các nhà khoa học đã làm nhiều thí nghiệm về đôi chân ếch. Có người lại dùng dây dẫn điện nối chai Leyde với đôi chân ếch và đã thấy đôi chân con vật bị co giật mạnh gấp bội. Do thí nghiệm này, nhiều nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ lý thuyết điện của sinh vật. Volta thử lại thí nghiệm của Galvani và lúc đầu chấp nhận ý kiến của Galvani. Nhưng về sau, chính Volta đã chứng minh sự lầm lẫn của Galvani. Theo Volta thì cơ thể con vật chỉ là một chất dẫn điện thường. Điện sinh ra trong các kim loại dị chất đã kích thích các dây thần kinh, và làm hoạt động các cơ. Nói cách khác con vật không thể vừa là chủ động vừa là bị động. Con vật chỉ bị động do điện sinh ra từ bên ngoài nó. Mặt khác, Volta thấy rằng chỉ có sự co giật khi chân ếch được đặt lên mặt bàn bằng kim loại và được đâm bằng một thứ xiên kim loại. Còn trong trường hợp chân ếch treo trên thanh sắt bao lơn bằng một móc đồng, chân ếch chỉ co giật khi chạm vào thanh sắt. Như vậy cần phải có hai thứ kim loại khác nhau để có sự co giật đó. Và để chứng minh sự lầm lẫn của sự Galvani, Volta tạo ra điện với một thanh đồng và một thanh kẽm mà không cần có cơ thể con ếch.

Như trong bài của Volta mô tả, chiếc “máy phát điện nhân tạo” mà ông sáng chế thật ra cực kỳ đơn giản: “chỉ là tập hợp một số những chất dẫn điện có tính chất khác nhau, sắp xếp theo một cách nào đó”. Cụ thể, như Volta trình bày rất dễ hiểu, là khoảng 20 đơn vị chồng lên nhau. Mỗi đơn vị gồm một chiếc đĩa bằng đồng (hay tốt hơn, bằng bạc), và một chiếc đĩa thiếc (hay kẽm) xấp xỉ cùng bán kính, được chia cách bằng một tấm bìa (hay da) tẩm nước muối. Tấm da nhỏ hơn các đĩa kim loại. Đĩa bạc của đơn vị thứ hai sẽ chồng lên đĩa thiếc của cái thứ nhất, và cứ tiếp tục như thế cho đến cái cuối cùng. Ở cuối và đầu chồng đĩa là một chất dẫn điện (dây kim loại, hoặc một bộ phận của thân người!). Khi hai chất dẫn điện chập với nhau (hai tay người, mỗi tay áp sát vào một đầu của chồng đĩa), một dòng điện sẽ chạy qua. Volta đã không ngần ngại thử nghiệm dòng điện chạy qua thân mình với chiếc máy đầu tiên của ông!

“Máy phát điện nhân tạo” đầu tiên vừa ra đời, nhưng cái tên dài dòng đó không truyền lại hậu thế. Người đời giữ lại hình ảnh chiếc máy từ mô tả của ông, gọi nó là một chồng, tiếng Ý là pila, tiếng Pháp pile được phiên âm ra tiếng Việt: pin. Volta cũng không có trong tay lý thuyết về cấu tạo nguyên tử của hoá chất để giải thích các phản ứng lý – hoá tạo ra dòng điện trong chiếc “máy” của ông: ở hai cực của pin, trong dung dịch điện phân (nước muối) sẽ diễn ra hai “nửa-phản ứng”, oxy hoá (ở cực dương) và khử (cực âm), tạo ra một trao đổi electron (điện tử), và khi một sợi dây dẫn điện được nối với hai cực của pin, electron chạy vào dây tạo ra dòng điện.

Volta chính là người đã tạo ra nguồn điện một chiều đầu tiên.

Phát minh của Volta là một trong những nguyên nhân đầu tiên và quan trọng nhất của thay đổi này”

Nguyên tắc cơ bản này được cải tiến nhiều lần trong suốt thế kỷ 19. Năm 1836, nhà hoá học người Anh John Daniell chế ra loại pin (mang tên ông sau đó) dùng hai dung dịch điện phân khác nhau bao quanh hai cực (kẽm và đồng), nối với nhau bằng một “cầu điện phân”, còn gọi là “cầu muối” vì làm bằng clorua kali (KCl), nhằm giữ thế cân bằng các electron ở hai cực. Năm 1866, Georges Leclanché (Pháp) chế ra chiếc pin khô hình thỏi quen thuộc ngày nay, với một cực bằng kẽm và một bằng than chì (graphite) bao chung quanh bởi một lớp dioxiT mangan (MnO2). Loại pin này được cải tiến sau đó bằng việc sử dụng dung dịch hydroxit kali (KOH) làm chất điện phân, do đó được gọi là các pin kiềm (alkaline), có tuổi thọ lớn hơn nhiều so với các pin Leclanché loại cũ, nhưng vẫn giữ hình thỏi cùng cỡ với các pin này (hai cỡ phổ biến, theo ký hiệu quốc tế là AAA – nhỏ và AA – lớn hơn).

Việc sản xuất ắc quy/pin có bước tăng trưởng đột biến trong Thế chiến thứ nhất, chúng được sử dụng chủ yếu cho chiếu sáng và liên lạc vô tuyến. Trong thời gian này, ắc quy đã có được những cải tiến quan trọng giúp chúng có hiệu suất hoạt động cao hơn nhờ vào việc ứng dụng các vật liệu và phương pháp sản xuất mới.

Ngày nay, ắc quy đã trở thành một sản phẩm không thể thiếu. Chúng được sử dụng để vận hành hàng tỉ thiết bị điện dân dụng thương mại, y tế, công nghiệp và quân sự trên khắp thế giới. Nhu cầu sử dụng ắc quy ngày một gia tăng.

Có rất nhiều loại ắc quy khác nhau, tuy nhiên, chúng có điểm chung là lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng và năng lượng này được chuyển thành điện năng khi có phản ứng hóa học. Ắc quy/pin được phân thành hai kiểu chính:

11. Kiểu thứ nhất sử dụng các thành phần hóa học chứa trong nó để chuyển hóa thành điện năng, bao gồm cả pin nhiên liệu. Khi các thành phần hóa học này phản ứng hết, pin/ắc quy này phải được thay thế bằng các bộ mới, trừ pin nhiên liệu có khả năng tái sử dụng bằng cách bổ sung nhiên liệu.

12. Kiểu thứ hai có khả năng lưu trữ điện năng và có thể được nạp lại bằng dòng điện ngoài nhiều lần.

Thông dụng nhất trong kiểu thứ hai là ắc quy axit-chì. Các ắc quy axit-chì có giá thành rẻ, tuy nhiên chúng có tuổi đời nắng và có tỉ số năng lượng/khối lượng thua kém các loại khác.

Những năm gần đây, loại ắc quy "nickel-cadmium", hay NiCad đã dần trở nên phổ biến hơn, chúng có tỉ số năng lượng/khối lượng cao gấp đôi so với loại axit-chì. Tuy vậy, loại này vẫn thua loại ắc quy "nickel-metal-hydride", hay NiMH, về độ phổ biến do có tuổi thọ lớn hơn và giá thành sản xuất tương đương.

Các loại pin/ắc quy sử dụng vật liệu cao phân tử, ví dụ Lithium do công ty Worley International phát triển, có khả năng lưu trữ năng lượng rất cao. Tuy nhiên, do có giá thành đắt nên chúng thường chỉ được sử dụng cho các sản phẩm cao cấp như máy tính xách tay, máy ảnh KTS, máy quay phim hay xe ô tô lai. Thời gian gần đây, các sản phẩm này có giá thành hạ hơn và chúng sẽ trở nên phổ biến trong thời gian tới.

ẮC QUY AXIT-CHÌ

Các loại pin/ắc quy nói trên đều được sử dụng trên thực tế, nhưng loại phổ biến nhất vẫn là ắc quy axit-chì. Bất chấp đã được phát triển cách đây cả thế kỷ, loại ắc quy này vẫn có tỉ số năng lượng trên giá thành tốt nhất vào thời điểm hiện nay.

Cũng phải nhấn mạnh thêm rằng, hầu hết các loại ắc quy xả sâu (deep cycle) là ắc quy axit-chì.

Ắc quy axit-chì có nhiều loại khác nhau:

13. Ắc quy ướt truyền thống

14. Ắc quy khô

15. Ắc quy sử dụng tấm hút bằng sợi thủy tinh

Các loại ắc quy này sử dụng các thành phần hóa học và vật liệu giống nhau nhưng có quy trình sản xuất và cấu trúc khac nhau.

Tuổi thọ của ắc quy axit-chì

Tuổi thọ của ắc quy phụ thuộc vào cách chúng được sử dụng, nạp, bảo dưỡng, nhiệt độ và các yếu tố khác. Trong các trường hợp xấu nhất, nếu ắc quy bị nạp quá dòng/áp, tuổi thọ của chúng chỉ khoảng một năm.Trong trường hợp ngược lại, chúng có thể có tuổi thọ đến 25 năm. Trong phần lớn các trường hợp, ắc quy axit-chì có tuổi thọ từ 3~5 năm.

Thống kê về tuổi thọ các loại ắc quy:

Dùng khởi động động cơ: 3~12 tháng

Dùng cho tàu biển: 1-6 năm

Xe Golf: 2-6 năm

Ắc quy kín khí: 4-7 năm

Ắc quy khô: 2-5 năm

Cấu trúc và vật liệu sản cuất ắc quy

1.       Ắc quy kín (Sealed batteries)

Các ắc quy kín thường có lỗ thông hơi không tháo được, vì vậy chúng còn có tên khác là “Ắc quy không cần bảo dưỡng”. “Ắc quy kín” không hoàn toàn kín, chúng phải có lỗ thoát khí trong quá trình nạp. Sau một số lần nạp, loại ắc quy này bị cạn nước và bị hỏng.

Một số loại ắc quy đặc biệt có khả năng chuyển hóa ngược hydro và ô-xi thành nước làm giảm khả năng mất nước đến 95%. Loại ắc quy này có tuổi thọ cao hơn rất nhiều so với loại truyền thống.

2.       Ắc quy khô (Gelled electrolyte)

Ắc quy khô chứa axit dưới dạng keo đặc, giống như thạch. Ưu điểm của loại ắc quy này không làm thất thoát axit ra ngoài ngay cả khi bị vỡ. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm là dòng và áp nạp nhỏ. Nếu bị quá nạp, chúng sẽ bị giảm tuổi thọ rất nhiều.

3.       Ắc quy sử dụng tấm hút bằng sợi thủy tinh (AGM-Absorbed Glass Mat Batteries)

Loại ắc quy này có tất cả các ưu điểm của ắc quy khô cộng thêm một số ưu điểm khác.

1.        Có giá thành tương đương ắc quy khô

2.        Dòng và áp nạp cao hơn

3.        Độ tự phóng thấp

Tuy vậy ắc quy này vẫn đắt hơn loại ắc quy nước từ 2~3 lần.

Loại ắc quy này thường được chế tạo dưới dạng van điều áp kín khí và được gọi với cái tên AGM VRLA (Absorbed Glass Mat Valve Regulated Lead Acid Battery - Ắc quy axit-chì sử dụng tấm hút bằng sợi thủy tinh có van điều áp) hay cong gọi là ắc quy kín khí.

NẠP ĐIỆN CHO ẮC QUY AXIT-CHÌ

1.       Dung lượng ắc quy

Đồ thị sau vẽ quan hệ giữa dung lượng và điện áp của ắc quy 12V không tải tại 25oC (77oF).

Theo đồ thị này, ắc quy đầy khi điện áp của nó đạt 12,7V và hết điện hoàn toàn khi điện áp này còn 10,5V.

Đối cới các loại ắc quy khác như 6V, 24V, 48V …, ta nhân giá trị trên với ½, 2 hay 4.

Để đo dung lượng chính xác của ắc quy, chúng ta phải tách nó ra khỏi mạch nguồn và để ít nhất 3 tiếng ở nhiệt độ 25OC trước khi đo. Phép đo ở các điều kiện khác sẽ không cho kết quả chính xác.

Bảng sau cho ta quan hệ giữa dung lượng và điện áp của ắc quy 12V không tải tại 25oC (77oF).

Để ắc quy có tuổi thọ cao nhất, phải luôn duy trì dung lượng của ắc quy trong phần có màu xanh. Trường hợp dung lượng ắc quy duy trì một thời gian dài ở dải màu vàng và cam sẽ làm giảm dung lượng của nó.

Trong thực tế, việc đo dung lượng ắc quy theo thủ tục mô tả ở trên là khó khả thi, vì vậy chúng ta cần thực hiện việc đo thường xuyên và duy trì dung lượng ắc quy ở dải màu xanh.

1.       Nạp ắc quy

Với ắc quy axit-chì, cần thực hiện quá trình nạp theo ba bước:

1.      Nạp thúc:

Dòng nạp được giữ ổn định ở mức tối đa cho phép (theo quy định của nhà sản xuất) đến khi dung lượng ắc quy đạt 80~90%.

2.      Nạp bổ sung:

Điện áp nạp được giữ ổn định ở mức 14,2~15,5V đến khi dung lượng ắc quy đạt 100%.

3.      Nạp duy trì:

Điện áp nạp được giữ ổn định ở mức 12,8~13,2V. Một kỹ thuật khác là nạp duy trì bằng kỹ thuật xung, trong đó, mạch giám sát ắc quy sẽ gửi xung nạp đến ác quy khi dung lượng ắc quy hao hụt một phần nhỏ.

Với các ắc quy dự phòng, loại này thường ít khi hoạt động, ta cần duy trì áp nạp trong khoảng 13~13,2V.

2.       Bộ nạp:

Phần lớn các bộ nạp dân dụng chỉ có khả năng nạp thúc và không có bộ ổn áp. Các bộ nạp này có giá thành rẻ nhưng không đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy hoặc có khả năng gây hư hỏng. Một số bộ nạp cao cấp hơn có khả năng ổn áp. Loại này không gây hỏng ắc quy nhưng cũng không đảm bảo tuổi thọ.

Các bộ nạp dành cho công nghiệp hay các ứng dụng cao cấp có khả năng nạp theo nhiều bước như mô tả ở trên. Loại này có khả năng nạp ắc quy nhanh ở mức tối đa cho phép đồng thời duy trì được tuổi thọ của ắc quy. Tuy nhiên, loại này thường có giá thành khá cao.

3.       Các bộ nạp điều khiển dòng và áp:

Phần lớn các ắc quy ướt có dòng nạp thường xuyên không vượt quá C/8. C/8 là dung lượng của ắc quy duy trì cho tải trong 20 giờ chia 8. Ví dụ với ắc quy 220Ah, giá trị này tương đương 26A. Với ắc quy khô, dòng nạp không vượt quá C/20, hay 5% giá trị Ah của chúng, ví dụ với ắc quy khô dung lượng 100Ah, dòng nạp sẽ không được vượt quá 5A. Ắc quy kín khí có thể cho phép dòng nạp tối đa lên đến C/4.

Nạp ắc quy với điện áp 15,5V sẽ cho phép nạp tới 100% dung lượng của chúng. Khi ắc quy đã đầy, cần giảm áp nạp về mức 12,8~13,2V. Khi nhiệt đọ cao, áp nạp phải giảm xuống, ví dụ khi nhiệt độ là 30OC (hay 85OF), điện áp nạp phải giảm xuống mức 12,6V.

Với ắc quy ướt, tuổi thọ của ắc quy có thể được kéo dài thêm nếu nó được nạp với áp lớn hơn 10% so với điện áp nạp duy trì kéo dài 2~16 giờ sau mỗi 10 đến 40 ngày. Đối với ắc quy khô và kín khí, cần áp dụng cách nạp này 2~4 lần/năm

Tác giả: Phòng Nghiên cứu và Phát triển sưu tầm và cung cấp