Gaston Planté - Cha đẻ của pin sạc

Năm 1800, nhà khoa học người Ý Alessandro Volta chế tạo thành công loại pin đầu tiên có khả năng tạo ra dòng điện một chiều ổn định, gọi là “pin Volta”. Ông đã xếp chồng những tấm nhỏ hình tròn làm bằng bạc và kẽm lại với nhau thành từng cặp. Giữa chúng được ngăn cách nhau bằng lớp vải ngâm nước muối. Khi dây kim loại kết nối với cả hai đầu của thiết bị, một dòng điện ổn định sẽ chạy trong dây dẫn.

Volta nhận thấy các cặp loại kim loại khác nhau tạo ra lượng điện nhiều hay ít, và ông có thể tăng cường độ dòng điện bằng cách lắp thêm các tấm kim loại bạc, kẽm.

Năm 1801, tại Paris (Pháp), Volta trình bày thí nghiệm tạo ra pin Volta trước sự chứng kiến của Napoleon Bonaparte, người đã phong danh hiệu bá tước cho Volta ngay sau đó.

Sự phát triển của xe điện trong thế kỷ 19 gắn liền với sự phát triển của công nghệ pin. Năm 1832, nhà phát minh người Scotland Robert Anderson chế tạo thành công một chiếc xe chạy bằng động cơ điện, không cần dùng đến ngựa kéo. Tuy nhiên, xe điện của Anderson thiếu tính thực tế, bởi vì pin của nó chỉ dùng được một lần và sau đó cần phải thay thế. Do công nghệ sản xuất pin còn khá thô sơ nên chiếc xe không thể di chuyển trên quãng đường dài và đi khá chậm.

“Nếu không có khả năng sạc lại thì pin sẽ không có tuổi thọ đủ lâu để dùng cho xe điện”, Kevin A. Wilson, tác giả cuốn sách Cuộc cách mạng xe điện: Quá khứ, hiện tại và tương lai của xe điện được xuất bản vào năm 2023, nhận định.

Mọi chuyện đã thay đổi vào năm 1859, khi nhà khoa học người Pháp Gaston Planté sáng chế ra loại pin axit chì có thể sạc lại vô số lần. Mặc dù ông không được phong bá tước giống như Volta vì thành tích này, nhưng ông đã để lại một di sản lâu dài trong lịch sử hình thành và phát triển của pin.

Planté sinh ra tại Orthez, Pháp vào ngày 22/4/1834. Ông bắt đầu làm trợ giảng môn vật lý tại Nhạc viện Nghệ thuật và Thủ công mỹ nghệ ở Paris vào năm 1854. Sau đó sáu năm, ông thăng tiến lên chức giáo sư vật lý tại Hiệp hội Bách khoa về Phát triển Giáo dục phổ thông.

Năm 1859, Planté bắt đầu tiến hành các thí nghiệm nhằm tạo ra một loại pin mới có thể lưu trữ lượng điện năng lớn hơn. Pin Daniell – loại pin tốt nhất vào thời điểm đó – có độ bền cao hơn pin Volta nhưng tạo ra điện áp tương đối nhỏ (khoảng 1,1V) và bị giới hạn bởi phản ứng hóa học không thể đảo ngược. Sau nhiều lần cải tiến, Planté đã chế tạo thành công loại pin sạc đầu tiên, được đặt theo tên của ông.

Thiết kế của Planté bao gồm hai điện cực, một anot (điện cực âm) bằng chì và một catot (điện cực dương) bằng chì dioxide, ngăn cách nhau bằng một dải cao su. Các electron mất đi từ anot do quá trình oxy hóa được dẫn đến catot thông qua dung dịch điện phân axit sulfuric (H2SO4). Từ đó, các electron và điện tích của chúng có thể truyền ra bên ngoài, đến một thiết bị tiêu thụ điện như bóng đèn. Điện áp tạo ra ở mức 2V, gần gấp đôi so với pin Daniell, và việc kết hợp các viên pin nhỏ (cell) thành một cụm pin có thể làm tăng mức điện áp tổng thể.

Năm 1860, Planté đã trình diễn một khối pin lớn gồm 9 cell mắc nối tiếp trước các học giả tại Viện Hàn lâm Khoa học Pháp. Ngày nay, loại pin axit chì phổ biến nhất chứa tổng cộng 6 cell, tạo ra mức điện áp tổng cộng là 12V.

Cấu tạo pin Planté đơn giản hơn nhiều so với pin Daniell do chỉ sử dụng một chất điện phân duy nhất cho cả hai điện cực, thay vì hai chất điện phân. Sự khác biệt lớn nhất của pin Planté là phản ứng hóa học của nó có thể đảo ngược. Nghĩa là, bằng cách đảo ngược dòng electron thông thường từ cực âm sang cực dương thông qua việc sử dụng một nguồn điện bên ngoài, pin có thể được sạc lại.

Mặc dù pin Planté có khả năng cung cấp dòng điện lớn, nhưng nó không thể hoạt động trong thời gian quá dài. Điện cực dương làm bằng chì dioxide đã hạn chế tuổi thọ của pin do nó không thể duy trì phản ứng hóa học diễn ra liên tục và kéo dài.

Tuy nhiên, pin Planté vẫn có nhiều ưu điểm vượt trội. Nó hoạt động khá tốt ở những thiết bị chỉ yêu cầu dòng điện mạnh trong thời gian ngắn, chẳng hạn như cung cấp năng lượng cho đèn của các toa tàu khi chúng dừng lại. Các công ty điện lực cung cấp điện một chiều [khi đó điện xoay chiều chưa ra đời], trong trường hợp xảy ra sự cố với máy phát điện, thậm chí còn sử dụng pin Planté làm nguồn điện dự phòng.

Có lẽ sản phẩm pin Planté quen thuộc nhất với chúng ta ngày nay là ắc quy ô tô với mức điện áp 12V. Năm 1881, kỹ sư người Pháp Camille Faure đã có những cải tiến quan trọng về thiết kế điện cực, giúp làm tăng thời gian sử dụng của loại ắc quy này.

Để khắc phục nhược điểm của pin axit chì là phản ứng hóa học xảy ra yếu ở cực dương, Faure đã chế tạo điện cực mới bằng cách phủ một lớp chì mỏng trên lưới kim loại, tạo thành những tấm xốp. Chất điện phân dạng lỏng dễ dàng đi qua các lỗ nhỏ trên tấm xốp, làm tăng đáng kể diện tích bề mặt của các điện cực tham gia phản ứng, nhờ đó kéo dài thời gian hoạt động của pin trước khi cần sạc lại.

Kết quả là ắc quy hoạt động hiệu quả hơn, có tuổi thọ cao hơn, có thể cung cấp các xung điện mạnh và cũng có khả năng sạc lại. Nhờ những ưu điểm này, ắc quy 12V rất hữu ích trong việc khởi động động cơ ô tô.

Pin Planté ngày nay thường được chia thành hai loại dựa trên cường độ và thời gian phát điện của chúng. Loại thứ nhất, chỉ có khả năng cung cấp dòng điện mạnh trong thời gian ngắn, đóng vai trò là pin khởi động (ví dụ như ắc quy của ô tô).

Chúng có các tấm điện cực mỏng để tối đa hóa diện tích bề mặt phản ứng, nhưng không thể chịu được sự phóng điện kéo dài mà không bị hư hỏng. Loại còn lại gọi là pin chu kỳ sâu, có các tấm điện cực khá dày. Mặc dù pin cung cấp dòng điện yếu hơn nhưng có thể xả điện trong thời gian dài hơn loại pin thứ nhất. Loại pin này có thể cung cấp năng lượng cho động cơ điện gắn ở đuôi thuyền hoặc đèn chiếu sáng cho xe RV (xedã ngoại hoặc xecắm trại).

Nói tóm lại, pin axit chì Planté được sử dụng một cách rộng rãi trong đời sống hằng ngày. Chi phí vật liệu sản xuất thấp khiến chúng trở nên khá phổ biến tại các nước đang phát triển. Phản ứng hóa học thuận nghịch là yếu tố giúp pin axit chì trở thành loại pin lý tưởng để lưu trữ dòng điện được tạo ra từ những nguồn khác, chẳng hạn như các tấm pin năng lượng Mặt trời hoặc turbine gió.

Khi pin và ắc quy không còn khả năng sạc lại, chì từ các điện cực và nhựa từ vỏ bình sẽ được mang đi tái chế, dung dịch axit sunfuric dùng làm chất điện phân cũng được trung hòa, giúp giảm thiểu lo ngại về độc tính của các vật liệu trong pin.

Theo National Maglab