Pin hoạt động thế nào: từ pin kẽm, pin kiềm đến pin lithium-ion trong điện thoại

Pin là thiết bị biến năng lượng của phản ứng oxi hoá – khử thành điện năng. Mẹo nằm ở chỗ tách phản ứng làm hai nửa ở hai điện cực: một bên nhường electron, một bên nhận electron, và electron buộc phải đi qua dây dẫn bên ngoài, chính là dòng điện chạy qua đèn pin hay điện thoại. Giữa hai điện cực là chất điện li cho ion đi lại để khép kín mạch.

Bài đi từ pin điện hoá kẽm – đồng trong sách Hoá học 12, qua pin khô và pin kiềm dùng cho điều khiển từ xa, tới pin lithium-ion trong điện thoại, xe máy điện. Bài cũng giải thích vì sao pin bị chảy nước, bị phồng, và những nguyên tắc an toàn suy ra từ chính cơ chế đó, cùng cách dùng AI để luyện phần pin điện hoá.

Nguyên lý chung: phản ứng oxi hoá – khử bị tách đôi

Thả một lá kẽm vào dung dịch đồng sunfat, bạn sẽ thấy đồng màu đỏ bám lên lá kẽm và dung dịch nhạt màu xanh dần. Phản ứng là Zn + CuSO4 → ZnSO4 + Cu, hay viết dạng ion thu gọn Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu. Kẽm nhường hai electron, ion đồng nhận hai electron. Nhưng khi hai chất chạm trực tiếp vào nhau, electron chuyển ngay tại chỗ và năng lượng thoát ra dưới dạng nhiệt, không dùng được.

Pin điện hoá kẽm – đồng tách hai nửa ra: lá kẽm nhúng trong dung dịch muối kẽm, lá đồng nhúng trong dung dịch muối đồng, hai cốc nối với nhau bằng cầu muối, hai lá kim loại nối bằng dây dẫn. Ở cực kẽm xảy ra quá trình oxi hoá Zn → Zn2+ + 2e. Electron chạy qua dây sang cực đồng, ở đó xảy ra quá trình khử Cu2+ + 2e → Cu. Cầu muối cho ion đi lại để hai dung dịch luôn trung hoà điện.

Ở điều kiện chuẩn, pin này cho suất điện động khoảng 1,10 vôn, bằng hiệu thế điện cực chuẩn của cặp đồng và cặp kẽm. Mọi loại pin, dù hình dáng thế nào, đều theo đúng khuôn này: một chất dễ nhường electron, một chất dễ nhận electron, chất điện li ở giữa và mạch ngoài. Khác nhau là chọn chất nào để pin nhỏ, nhẹ, bền và cho điện thế cao.

Các loại pin quen thuộc và hoá học bên trong

Bảng dưới gom những loại pin bạn gặp hằng ngày. Điện thế ghi là mức danh định phổ biến của một ngăn pin.

Pin kiềm chứa nhiều năng lượng hơn pin kẽm – cacbon cùng cỡ nên dùng lâu hơn trong thiết bị tốn điện. Hai loại có cùng điện thế danh định vì cùng dựa trên cặp kẽm và mangan đioxit, chỉ khác chất điện li và cấu tạo bên trong. Ắc quy chì có bài riêng ngay sau bài này.

Pin lithium-ion: ion đi lại giữa hai lớp vật liệu

Không có kim loại lithium tự do. Trong pin lithium-ion thông thường, lithium không tồn tại dưới dạng lá kim loại mà ở dạng ion, chen vào giữa các lớp than chì ở cực âm hoặc nằm trong mạng tinh thể oxit ở cực dương. Cách thiết kế này an toàn hơn nhiều so với dùng lithium kim loại vốn phản ứng mạnh với nước.

Khi dùng điện: ion sang cực dương. Lúc pin phóng điện, các nguyên tử lithium trong than chì nhường electron, trở thành ion Li+ đi qua chất điện li sang cực dương. Electron đi qua mạch ngoài, cung cấp điện cho máy, rồi cũng tới cực dương. Ở đó kim loại trong oxit nhận electron, tức là bị khử.

Khi sạc: đẩy ngược lại. Bộ sạc dùng điện từ ngoài đẩy ion Li+ quay về cực than chì. Vì cả hai chiều đều chỉ là ion chen vào và rút ra khỏi lớp vật liệu, cấu trúc điện cực được giữ khá nguyên vẹn, nên pin sạc được hàng trăm tới hàng nghìn lần.

Pin chai dần theo thời gian. Sau nhiều chu kỳ, một phần lithium bị "nhốt" trong lớp màng mỏng hình thành trên bề mặt điện cực, vật liệu điện cực cũng nứt vỡ dần. Số ion còn đi lại được ít đi nên dung lượng giảm. Nhiệt độ cao và để pin ở mức đầy hoặc cạn quá lâu làm quá trình này nhanh hơn.

Vì sao pin chảy nước, pin phồng

Pin kiềm để lâu trong thiết bị, nhất là pin đã cạn, có thể rò ra một lớp chất trắng như muối hoặc chất lỏng nhờn. Đó là chất điện li kiềm thoát ra cùng sản phẩm phản ứng với khí cacbonic trong không khí. Chất kiềm có thể làm ăn mòn tiếp điểm kim loại trong máy và gây kích ứng da, mắt. Cách xử lý an toàn: đeo găng, tháo pin, lau tiếp điểm bằng khăn khô, rửa tay kỹ; không liếm, không chạm vào mắt. Thói quen tốt là tháo pin khỏi thiết bị lâu ngày không dùng.

Pin lithium-ion phồng là chuyện nghiêm trọng hơn. Chất điện li là dung môi hữu cơ; khi pin bị sạc quá mức, quá nóng, bị va đập hoặc già đi, chất điện li có thể bị phân huỷ thành khí, làm vỏ pin phồng lên. Pin phồng cho thấy bên trong đã hư hại. Nếu tiếp tục sạc hoặc bị chọc thủng, pin có thể nóng lên rất nhanh và bốc cháy, vì dung môi hữu cơ cháy được.

Hiện tượng pin nóng tự tăng tốc này được gọi là thoát nhiệt: nhiệt làm phản ứng phụ nhanh hơn, phản ứng phụ lại toả thêm nhiệt. Với người học hoá, đây là ví dụ rõ nhất về ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng, cộng với phản ứng toả nhiệt, tạo thành vòng lặp nguy hiểm.

Pin sạc AA: vì sao chỉ 1,2 vôn mà vẫn dùng được

Pin sạc cỡ AA, AAA phổ biến hiện nay thường là loại niken – hiđrua kim loại. Cực dương chứa hợp chất niken, cực âm là một hợp kim có khả năng hấp thụ hiđro vào trong mạng tinh thể, chất điện li là dung dịch kiềm. Khi phóng điện, hiđro trong hợp kim bị oxi hoá, hợp chất niken bị khử; khi sạc thì ngược lại. Cặp chất này cho điện thế danh định khoảng 1,2 vôn mỗi ngăn, thấp hơn pin kiềm dùng một lần.

Nghe có vẻ yếu hơn, nhưng thực tế pin kiềm chỉ ở mức 1,5 vôn lúc mới, rồi điện thế giảm dần đều trong suốt quá trình dùng. Pin niken – hiđrua kim loại giữ được điện thế khá ổn định quanh 1,2 vôn đến gần lúc cạn. Phần lớn thiết bị dùng pin AA được thiết kế chạy được trong khoảng điện thế rộng, nên dùng pin sạc vẫn ổn. Một số thiết bị đo mức pin theo điện thế có thể báo "pin yếu" sớm hơn.

Điều quan trọng về an toàn: chỉ sạc pin được ghi là pin sạc, bằng bộ sạc đúng loại. Cố sạc pin kiềm hay pin kẽm – cacbon dùng một lần có thể làm pin sinh khí, rò rỉ hoặc vỡ, vì phản ứng trong các loại pin này không được thiết kế để chạy ngược ổn định. Đây là ví dụ rõ về chuyện không phải phản ứng oxi hoá – khử nào cũng đảo chiều được trong thực tế.

Nguyên tắc an toàn suy ra từ cơ chế

Những lời dặn về pin không phải mẹo dân gian; mỗi lời đều có lý do hoá học phía sau.

• Không sạc, không dùng pin đã phồng. Ngừng dùng thiết bị, để ở chỗ thoáng, xa vật dễ cháy, mang đến nơi sửa chữa hoặc thu gom. Không tự ấn xẹp hay chọc thủng.
• Không sạc qua đêm dưới gối, trên nệm, trên sofa. Nhiệt không thoát được và nếu có sự cố, vật liệu xung quanh dễ cháy.
• Dùng bộ sạc phù hợp, không dùng sạc trôi nổi không rõ thông số, vì sạc quá điện áp là một nguyên nhân phân huỷ chất điện li.
• Không để pin dưới nắng gắt như trên táp-lô xe, không ném pin vào lửa.
• Không bỏ pin vào thùng rác sinh hoạt. Pin chứa kim loại và chất điện li; pin lithium-ion bị nghiền trong xe rác có thể bốc cháy. Gom lại đưa đến điểm thu gom pin cũ.
• Không trộn pin cũ với pin mới, pin khác loại trong cùng thiết bị, vì pin yếu có thể bị pin mạnh "nạp ngược" và rò rỉ.

Với xe máy điện, xe đạp điện, nhà sản xuất thường có hướng dẫn riêng về chỗ sạc và thời gian sạc. Đọc và làm theo hướng dẫn đó; bài này chỉ giải thích lý do phía sau.

Thí nghiệm pin chanh an toàn và luyện bài với AI

Pin chanh là thí nghiệm điện hoá an toàn mức bếp, có người lớn hỗ trợ. Kết hợp với AI để biến nó thành bài học thật:

1. Chuẩn bị: vài quả chanh, đinh mạ kẽm, đoạn dây đồng trần hoặc đồng xu bằng đồng, dây nối có kẹp, một đèn LED nhỏ. Không dùng pin thật, không cắt pin ra để lấy vật liệu.
2. Cắm đinh kẽm và dây đồng vào mỗi quả chanh, cách nhau vài xăng-ti-mét. Nối nối tiếp ba bốn quả: đồng quả này nối với kẽm quả kia, hai đầu còn lại nối vào chân đèn LED.
3. Trước khi hỏi AI, viết dự đoán: cực nào là cực âm, electron đi theo chiều nào, vì sao một quả chanh không đủ sáng đèn.
4. Hỏi AI: "Học sinh lớp 12 làm pin chanh với đinh mạ kẽm và dây đồng. Đừng giải thích ngay, hãy hỏi ba câu để học sinh tự xác định cực âm, cực dương và vai trò của nước chanh."
5. Sau khi tự trả lời, nhờ AI soát: "Đây là lời giải thích, chỉ ra chỗ sai về chiều electron và chiều ion, không viết lại."
6. Đối chiếu với bài pin điện hoá trong sách Hoá học 12. Ăn chanh đã cắm kim loại là không nên; bỏ chanh đi sau thí nghiệm.

AI hay nhầm ở chiều dòng điện và chiều electron. Quy ước: dòng điện đi từ cực dương sang cực âm ở mạch ngoài, electron đi ngược lại. Khi thấy câu trả lời lẫn lộn, đó là cơ hội tốt để bạn tự sửa.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao pin AA thường có điện thế 1,5 vôn còn pin điện thoại khoảng 3,7 vôn?

Điện thế của một ngăn pin do cặp chất ở hai điện cực quyết định. Pin AA dùng cặp kẽm và mangan đioxit cho khoảng 1,5 vôn. Pin lithium-ion dùng lithium, một nguyên tố rất dễ nhường electron, nên cho điện thế cao hơn, khoảng 3,6 đến 3,7 vôn mỗi ngăn.

Pin phồng có nguy hiểm không và nên làm gì?

Có. Pin lithium-ion phồng cho thấy chất điện li đã phân huỷ sinh khí và bên trong đã hư hại. Ngừng sạc, ngừng dùng thiết bị, để ở nơi thoáng, xa vật dễ cháy và mang đến nơi sửa chữa hoặc thu gom. Không ấn, không chọc thủng.

Pin kiềm bị chảy nước có độc không?

Chất rò ra từ pin kiềm có tính kiềm, có thể gây kích ứng da và mắt và làm ăn mòn tiếp điểm. Đeo găng khi tháo pin, lau tiếp điểm, rửa tay kỹ. Nếu dính vào mắt, rửa bằng nhiều nước sạch và đi khám. Trẻ nhỏ nuốt pin là tình huống cấp cứu.

Có nên sạc điện thoại qua đêm không?

Điện thoại hiện nay có mạch quản lý sạc tự ngắt khi đầy, nên sạc qua đêm thường không làm quá tải. Tuy vậy nên đặt máy trên mặt phẳng cứng, thoáng, không dưới gối hay trên nệm, dùng bộ sạc phù hợp, và ngừng sạc nếu máy nóng bất thường.

Pin điện hoá kẽm – đồng trong sách giáo khoa liên quan gì đến pin thật?

Pin kẽm – đồng là mô hình đơn giản nhất của mọi loại pin: hai điện cực, chất điện li và mạch ngoài, với phản ứng oxi hoá ở cực âm và khử ở cực dương. Pin thật dùng chất khác để nhỏ gọn, nhẹ và cho điện thế cao hơn, nhưng nguyên lý giữ nguyên.

Vứt pin cũ vào thùng rác có sao không?

Không nên. Pin chứa kim loại và hoá chất có thể gây ô nhiễm khi bị chôn lấp hoặc đốt. Pin lithium-ion bị nghiền nát trong xe rác có thể bốc cháy. Gom pin cũ lại và đưa đến điểm thu gom pin, nhiều siêu thị và trường học có hộp thu gom riêng.