Nhiều điện thoại di động ngày nay có dung lượng pin trên 4000mAh, nghĩa là chúng có thời lượng pin dài hơn (tất nhiên, chip mới của một số điện thoại di động cũng đã được cải thiện đáng kể về khả năng tiết kiệm điện), nhưng điện thoại càng nhẹ thì cảm giác cầm càng tốt. Các khái niệm thiết kế của mỗi thương hiệu đều có giá trị riêng.
Điện thoại di động, từ những chiếc điện thoại lớn đầu tiên cho đến điện thoại thông minh ngày nay, đều có bước nhảy vọt về dung lượng pin thay vì tăng lên. Tuy nhiên, nỗi lo lắng của chúng ta về pin vẫn chưa hề giảm bớt. Tại sao pin ngày càng tiên tiến của chúng ta không thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng về thời lượng pin của mọi người?
Lịch sử phát triển của điện thoại di động cũng là lịch sử của sự lo lắng về pin
Năm 1973, Martin Cooper, một kỹ sư người Mỹ của Motorola, đã phát minh ra chiếc điện thoại di động thực sự đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, sử dụng điện thoại này giống như tập tạ hơn là thực hiện cuộc gọi vì nó nặng tới 2 kg.
So với những chiếc "điện thoại di động" trước đó, trọng lượng của điện thoại di động Cooper nhẹ hơn nhiều. Bạn biết đấy, "điện thoại di động" do Công ty Ericsson của Thụy Điển sản xuất vào những năm 1950 nặng gần 40 kg chỉ tính riêng pin và không thể sử dụng bằng tay.
Mười năm sau, "Big Brother" mà chúng ta biết đã ra đời. Là chiếc điện thoại di động thương mại đầu tiên trong lịch sử loài người, nó không hề nhẹ, gần 0,9 kg.
Một nửa thân hình đồ sộ của "anh cả" là pin, nhưng dung lượng pin của nó chỉ là 500mAh, và phải mất 10 giờ để sạc đầy. Sau khi sạc đầy, máy chỉ có thể gọi điện trong 30 phút, thực sự đạt được mục tiêu "sạc 2 giờ, đàm thoại 5 phút".
Pin được sử dụng trong "người anh cả" là pin niken-cadmium, loại pin rất tiên tiến vào những năm 1980. Đúng như tên gọi, pin niken-cadmi có niken (điện cực dương, 2NiOOH) ở một đầu và cadmi (điện cực âm, Cd) ở đầu kia. Dung dịch pin là natri hiđroxit (NaOH). Khi pin xả, cadimi ở điện cực âm phản ứng với hai OH- để giải phóng hai electron, tạo thành hai OH- mới ở điện cực dương để đảm bảo nồng độ dung dịch pin không đổi.
▲ Nguyên lý hoạt động của pin niken-cadmium. Đồ họa/Zhang Yuchen
So với thế hệ pin axit chì sạc đầu tiên (chưa từng được sử dụng trong điện thoại di động), pin niken-cadmium có kích thước nhỏ hơn, dòng điện lớn hơn và có thể sạc và xả 500 lần mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Tất nhiên, chúng cũng có nhiều nhược điểm, chẳng hạn như pin dễ bị nóng lên, nguyên tố cadmium độc hại và khó tái chế, v.v., nhưng không có vấn đề nào trong số này nghiêm trọng bằng hiệu ứng bộ nhớ.
Cái gọi là hiệu ứng bộ nhớ có nghĩa là nếu pin được sạc trước khi pin cạn hoàn toàn, dung lượng của pin sẽ trở nên nhỏ hơn. Ví dụ, nếu bạn thường bắt đầu sạc khi còn 50% pin, theo thời gian, pin sẽ "nghĩ" rằng mức pin tối thiểu là 50%.
Đối với một chiếc điện thoại di động chỉ có thể hỗ trợ nửa giờ gọi điện, hiệu ứng bộ nhớ là cực kỳ nghiêm trọng, nghiêm trọng đến mức bạn có thể muốn vứt bỏ chiếc điện thoại trị giá hàng chục nghìn đô la này. Cái bóng của hiệu ứng ký ức thậm chí còn ảnh hưởng đến chúng ta ngày nay. Nhiều người khi sử dụng pin lithium hiện nay vẫn vô thức cho rằng nên xả hết pin trước khi sạc điện thoại (thực tế thì ngược lại).
Phải đến năm 1989, việc thương mại hóa thế hệ pin niken-hydro mới giúp giảm bớt tình trạng lãng phí điện năng do hiệu ứng bộ nhớ gây ra. Pin NiMH không độc hại, có hiệu ứng nhớ nhưng dễ phục hồi và có dung lượng lớn hơn: một chiếc điện thoại di động được trang bị pin NiMH ra mắt năm 1997 có dung lượng pin là 1300mAh.
Tuy nhiên, pin NiMH cũng có những vấn đề riêng. Chúng tỏa ra rất nhiều nhiệt và rò rỉ rất nhiều điện khi không sử dụng - ngay cả khi bạn tắt điện thoại, nó cũng không thể ngăn chặn tình trạng pin hết điện. Do đó, pin niken-kim loại hydride cũng đã được thay thế khi pin lithium, nguồn điện của điện thoại di động, dần trở nên phổ biến trên thị trường.
Ánh sáng của điện thoại di động——pin lithium
Vào năm 1991, pin lithium-ion, hay chúng ta thường gọi là pin lithium, lần đầu tiên được đưa vào sử dụng thương mại và điện thoại di động cuối cùng cũng đạt được thời lượng pin lâu dài và ổn định. Có thể nói rằng nếu không có sự hỗ trợ của pin lithium, sẽ không có những chiếc điện thoại di động mạnh mẽ và nhiều ứng dụng đa dạng như ngày nay.
Pin lithium khác với pin niken-cadmium và pin niken-kim loại hydride. Khi hai kim loại sau sạc và xả, các electron và OH- chạy qua lại, trong khi niken và các kim loại khác đứng yên. Trong pin lithium, các ion lithium và electron chạy qua lại.
Hãy lấy pin lithium mà chúng ta thường sử dụng hiện nay làm ví dụ. Điện cực âm của nó thường có cấu trúc là tấm than chì và các nguyên tử lithium được "kẹp" giữa các tấm này. Điện cực dương có thể là nhiều loại oxit kim loại khác nhau, có dạng lưới và các nguyên tử lithium cũng có thể được ẩn bên trong. Quá trình sạc và xả của pin có cấu trúc này thực chất là các ion lithium thoát ra khỏi "lồng" và đi qua màng ngăn ở giữa pin, còn các electron chạy qua lại qua các dây dẫn.
▲ Nguyên lý hoạt động của pin lithium. Cấu trúc mạng ở đây chỉ mang tính minh họa. Cấu trúc mạng tinh thể của các vật liệu khác nhau là khác nhau. Đồ họa/Zhang Yuchen
So với hai loại pin kia, pin lithium có dung lượng lớn, không có hiệu ứng nhớ và tỏa ra ít nhiệt hơn. Ngoại trừ chi phí cao, chúng hầu như không có nhược điểm nào. Những chiếc máy tính bảng nhỏ có thời lượng pin siêu dài mà những người sinh vào thập niên 1980 vẫn nhớ đều được chế tạo bằng pin lithium.
Dung lượng của pin lithium ngày nay đã tăng lên gấp nhiều lần so với pin lithium trước đây, nhưng tốc độ tăng này vẫn không theo kịp tốc độ của thời đại.
Điện thoại thông minh ngày nay có hiệu suất tiên tiến và gần như là sự kết hợp giữa máy ảnh + máy tính. Nhiều phần mềm quy mô lớn và phần mềm nhắn tin tức thời tiêu thụ rất nhiều điện năng. Màn hình lớn và màn hình độ phân giải cao 120Hz cũng sẽ làm tăng mức tiêu thụ điện năng. Mặt khác, chúng ta đang dành ngày càng nhiều thời gian để sử dụng điện thoại di động.
Pin lithium không thể được phát triển thêm để mạnh hơn và bền hơn sao? Tôi e là việc này khó lắm!
Để cải thiện hiệu suất của pin lithium, tất cả những gì bạn phải làm là tăng tỷ lệ nguyên tử lithium. Hiện nay, tỷ lệ nguyên tử lithium trong pin lithium-ion là dưới 1%. Có vẻ như vẫn còn nhiều chỗ cần cải thiện, nhưng tính an toàn sau khi cải thiện thì không thể đảm bảo. Các ví dụ cụ thể sẽ không được trình bày ở đây.
Sạc quá mức và xả quá mức có thể dễ dàng dẫn đến phá hủy hệ thống lưới điện cực dương và âm của pin lithium, do đó gây ra hiện tượng phồng.
Vậy, sạc pin lithium như thế nào?
Pin lithium không có hiệu ứng nhớ nhưng lại sợ xả quá mức và sạc quá mức. Xả và sạc quá mức sẽ khiến một số nguyên tử lithium bị "ép" chặt vào điện cực dương và âm và không thể thoát ra, dẫn đến giảm dung lượng pin. Do đó, pin lithium thường có thể sạc khi còn 20% năng lượng và có thể dừng sạc khi pin còn 90%.
Tuy nhiên, pin lithium trong điện thoại di động hiện đại đều có mạch bảo vệ sẽ ngắt mạch khi sạc quá mức. Mặc dù vậy, hãy cố gắng tránh sạc qua đêm.
Ngoài ra, việc chơi game di động trong khi sạc pin cũng sẽ khiến nhiệt độ pin tăng cao và làm giảm tuổi thọ của pin.
Khi nào thì nỗi lo về pin sẽ được giải quyết?
Cách duy nhất để giải quyết triệt để nỗi lo về pin là cải thiện pin.
Cho đến nay, các nhà khoa học vẫn chưa từ bỏ pin lithium. Silic và kim loại liti đều được coi là vật liệu tiềm năng cho điện cực âm. Vài năm trước, các nhà khoa học từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore đã thử thay thế than chì bằng gel titan dioxide, nhưng cải tiến này chỉ giúp sạc nhanh hơn mà không làm tăng dung lượng.
Pin lithium-lưu huỳnh với lưu huỳnh làm cực dương là một trong những công nghệ có nhiều khả năng thành công nhất trong ngắn hạn. Tuy nhiên, vấn đề chất điện phân bị phân hủy nhanh sau khi sạc liên tục trong pin lithium-lưu huỳnh rất khó giải quyết.
Ngoài ra, người ta cũng đang thử nghiệm sử dụng chất rắn để thay thế chất điện phân trong pin lithium, do đó không có nguy cơ thủng và đoản mạch. Tuy nhiên, sự tiếp xúc giữa vật chất rắn và các điện cực dương và âm không thể gần như tiếp xúc với vật chất lỏng và độ dẫn điện khó có thể cải thiện.
Ngoài pin lithium, pin nhiên liệu còn mang đến khả năng mới cho tương lai của pin. Ví dụ, ô tô chạy bằng hydro hiện đã có mặt trên thị trường Nhật Bản, nhưng liệu loại pin này có thể sử dụng cho điện thoại di động hay không vẫn chưa được biết.
Khi công nghệ pin chưa có bước đột phá, chúng ta vẫn có thể sử dụng sạc nhanh để giải quyết một số nỗi lo lắng, chẳng hạn như khẩu hiệu quảng cáo: "Sạc 5 phút, nói chuyện 2 giờ". Vào thời điểm đó, công suất sạc nhanh của điện thoại di động chỉ là 20W, nhưng hiện nay bộ sạc điện thoại di động có thể đạt tới 100W.
Theo các điều kiện công nghệ bảo vệ pin hiện tại, thiệt hại do sạc nhanh đối với pin lithium về cơ bản có thể được bỏ qua. Trên thực tế, nhiều khi, trước khi pin điện thoại di động của bạn hết, bạn đã cân nhắc đến việc mua một mẫu điện thoại di động mới rồi!
Tất nhiên, cũng có một cách đơn giản và thân thiện với môi trường nhất để giải quyết nỗi lo về pin, đó là hãy đặt điện thoại xuống và cho mắt bạn được nghỉ ngơi thật tốt~
Nguồn: Viện Vật lý, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (ID: cas-iop), Sách National Geographic của Trung Quốc
Các hình ảnh có hình mờ "Phổ biến khoa học Trung Quốc" trong bài viết này đều thuộc thư viện bản quyền. Những hình ảnh này không được phép in lại.
