Pin là nguồn nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá thể, gia dụng cho đến những ứng dụng công nghiệp. Có nhiều chủng loại, size pin khác nhau tương ứng với rất nhiều thiết bị tiêu thụ điện từ đồng hồ đeo tay đeo tay, đồ chơi trẻ nhỏ, điện thoại di động, máy tính bảng đến pin cỡ lớn dùng cho xe điện, … Pin đã, đang và sẽ là một công cụ tàng trữ nguồn năng lượng được sử dụng phổ cập không riêng gì trong hiện tại mà còn nhiều năm nữa trong tương lai. Chuyên mục ” Mỗi tuần 1 phát minh ” lần này sẽ cùng những bạn khám phá những câu hỏi đặt ra xung quanh loại thiết bị quen thuộc và quan trọng nói trên : Pin được sản xuất lần tiên phong khi nào ? Ai đã phát minh ra pin ? Pin sạc có từ khi nào ? …
Tóm tắt các cột mốc quan trọng có liên quan mật thiết đến quá trình phát triển của pin
Pin được phát minh khi nào? 400 năm hay hơn 2000 năm trước?
Một trong những phát minh vĩ đại và đáng chú ý quan tâm nhất của con người trong 400 năm qua chính là điện. Những dòng điện tiên phong hoàn toàn có thể được tạo ra trước đó, nhưng mãi đến cuối những năm 1800 thì quả đât mới tận mắt chứng kiến được những ứng dụng đơn cử của điện. Đó là 250.000 bóng đèn dây tóc thắp sáng Triễn lãm tiêu dùng tại Chicago, Mỹ năm 1893 hay làm một cây cầu bắt qua sông Seine, Paris phát sáng tại Hội chợ quốc tế năm 1900 .
Tuy nhiên, những dòng điện tiên phong đã được con người tạo ra từ nhiều năm trước đó. Vào năm 1963, trong quy trình thiết kế xây dựng tuyến đường sắt gần Baghdad, những công nhân đã phát hiện ra những ” viên pin của người Parthian ” có niên đại lên tới 2000 năm nằm trong một hầm mộ cổ. Đây là những viên pin Open sớm nhất trong lịch sử vẻ vang loài người do bàn tay sản xuất của những người Parthian, một dân tộc bản địa miền Bắc Ba Tư .
Trong số những di tích lịch sử được tìm thấy trong lăng mộ, những nhà khảo cổ đã tìm thấy một cái vại hoặc bình bằng đất sét chứa đầy giấm với một thanh sắt cắm vào chính giữa sau đó niêm phong kính miệng bình. Xung quanh thanh sắt được bảo phủ bởi ống quấn bằng những tấm đồng. Mỗi bình có chiều cao khoảng chừng 15 cm, ống đồng có đường kính khoảng chừng 4 cm và dài 12 cm. Sau khi dựng lại và thử nghiệm với một phiên bản tương tự như, những nhà khoa học đã nhận thấy rằng ” bình pin ” có năng lực tạo ra dòng điện từ 1,5 đến 2 V giữa trụ sắt và tấm đồng .
Qua đó, những nhà khoa học đã Dự kiến rằng những người Parthian cổ đại đã sử dụng những công cụ tạo ra dòng điện để mạ vàng và bạc vào những đồ vật từ những năm 250 trước công nguyên. Nhiều nhà khoa học cho rằng người Parthian chỉ sử dụng những công cụ trên cho mục tiêu mạ chứ chưa nhìn nhận nó như một nguồn nguồn năng lượng. Nhiều vật chứng khảo cổ khác cho thấy những người Ai Cập cổ đại cũng đã biết mạ antimon lên những đồ vật bằng đồng từ hơn 4300 năm trước. Các di tích lịch sử khảo cổ khác cũng cho thấy những người Babylon cũng đã mày mò và sử dụng kỹ thuật dùng nước ép nho như một chất điện phân để mạ vàng lên đồ trang sức đẹp .
1786 – Cặp chân nhái đã chết nhưng biết cử động!
giáo sư Cơ thể học Luigi Galvani ( 1737 – 1798 ) với phát hiện đâm que sắt vào chân nhái đặt trên bàn sắt kẽm kim loại khiến chân nhái co giật
Năm 1786, trong khi thực thi một bài giảng, giáo sư Cơ thể học Luigi Galvani ( 1737 – 1798 ) tại trường Đại học Bologne, Italy, đã dùng một thanh sắt kẽm kim loại đâm vào một con nhái đã lột da. Do vô tình con nhái được đặt trên mặt bàn bằng sắt kẽm kim loại, chân con nhái có hiện tượng kỳ lạ co giật lại. Galvani đã rất kinh ngạc với hiện tượng kỳ lạ này và sau vài ngày tìm hiểu và khám phá, ông đã nhận ra rằng chân nhái co giật khi đầu thanh sắt kẽm kim loại đâm vào và chạm tới mặt bàn sắt kẽm kim loại bên dưới .
Một ngày khác, Galvani đã dùng một móc đồng phơi đôi chân nhái phía trên một thanh sắt ngoài ban công. Galvani đã nhận thấy rằng khi gió thổi khiến đôi chân nhái đung đưa chạm vào thanh sắt và ngay tức khắc, chân nhái sẽ bị co giật. Ông tâm lý để cố lý giải cho hiện tượng kỳ lạ kỳ lạ này và một ý tưởng sáng tạo đã lóe lên trong đầu ông : điện. Galvani Tóm lại rằng điện có trong khắp mọi vật và có trong cả đôi chân nhái. Ông đặt tên cho loại điện này là ” điện của sinh vật ” và công bố phát hiện của mình trên một bài báo khiến cho giới khoa học gia châu Âu rất là sửng sốt với loại điện mới này .
Ngày nay, tất cả chúng ta đều biết rằng Galvani đã nhầm lẫn khi cho rằng đó là điện của sinh vật và ông chỉ dừng lại ở hiện tượng kỳ lạ mà không khám phá nguyên do sinh ra điện. Tuy nhiên, phát hiện trên của Galvani đã tiến rất gần tới những nguyên tắc mở đường cho việc sản xuất pin sau này .
”Pin Volta” – Pin đầu tiên của nhân loại ra đời vào năm 1800
Alessandro Volta ( 1745 – 1827 ) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy, cha đẻ của pin
Alessandro Volta ( 1745 – 1827 ) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy. Trước đó, Volta đã có nhiều điều tra và nghiên cứu nhằm mục đích tăng cường tính điện của chai Laiden. Trước đó, ông đã đề xuất kiến nghị quy mô ” súng lục bắn điện ” nhằm mục đích thực thi liên lạc đường dài. ” Khẩu súng lục điện ” được nối với một sợi dây sắt và đặt trên những cọc gỗ lê dài từ Milan đến Como, Italy. Đầu cuối của dây sắt được nối với một chai chứa đầy khí mêtan. Khi muốn gởi một thông điệp được mã hóa, ” súng lục điện ” sẽ ” bắn ” một tia lửa điện và người nhận sẽ ” đọc ” được những thông điệp trên chai chứa mêtan. Dù vậy, quy mô của ông không hề được sản xuất thực sự .
Từ khi Galvani thông dụng những phát hiện của mình về ” điện của sinh vật ” vào năm 1791, tại nhiều phòng thí nghiệm lớn tại châu Âu, hàng loạt những nhà khoa học đã thực thi những thí nghiệm với đôi chân nhái của Galvani. Có người đã nối đôi chân nhái với chai Leiden ( hình thái tiên phong của tụ điện, một chai thủy tinh tích trữ tĩnh điện giữa 2 điện cực bên trong và bên ngoài chai ) và nhận thấy rằng đôi chân nhái có sự co giật kinh hoàng. Với thí nghiệm trên, những nhà khoa học khởi đầu hoài nghi về giả thuyết ” điện sinh vật ” của Galvani. Trong số những người phản đối giả thuyết có Alessandro Volta .
Đối với thí nghiệm chân nhái, Volta không chăm sóc đến hiện tượng kỳ lạ co giật đơn thuần, sâu xa hơn, ông cố gắng nỗ lực khám phá nguồn điện đã sinh ra từ đâu để làm chân nhái hoàn toàn có thể co giật. Volta nhận thấy rằng chân nhái chỉ co giật khi có sự tiếp xúc của 2 sắt kẽm kim loại khác nhau. Sau khi liên tục nghiên cứu và điều tra, Volta phát hiện thêm rằng điện sinh ra do phản ứng hóa học và hiện tượng kỳ lạ co giật của chân ếch chỉ xảy ra khi 2 sắt kẽm kim loại khác nhau tiếp xúc trong một dung dịch muối. Cụ thể, dung dịch muối sống sót bên trong cơ thịt của chân nhái .
Mô hình pin của Volta
Tiếp tục nghiên cứu và điều tra, năm 1800, Volta đã triển khai một loạt những thử nghiệm dùng kẽm, chì, thiếc và sắt làm tấm tích điện âm ( cathode ) ; và đồng, bạc, vàng, than chì như một tấm tích điện dương ( anode ). Sau đó, ông xếp những tấm trái cực xen kẽ với nhau, ngăn cách bởi miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn. Cuối cùng, ông nối điểm đầu với điểm cuối với một sợi dây dẫn và nhận thấy có 1 dòng điện chạy qua. Đây chính là viên pin tiên phong của quả đât được mang tên là ” pin Volta “. Sở dĩ danh từ pin hay đúng chuẩn hơn là pile được đặt cho thiết bị này chính là do đây là 1 chồng những miếng tròn bằng đồng và kẽm có hình dáng như một chiếc cọc .
Mô hình pin tiên phong của Volta còn được bảo tồn đến ngày này
Cũng trong năm 1800, Volta đã công bố phát hiện của ông về một nguồn cấp điện không thay đổi trước Hội đồng khoa học Hoàng Gia tại London trước sự tận mắt chứng kiến và thán phục của nhiều nhà khoa học từ khắp châu Âu. Với phát minh này đã giúp tên tuổi của Volta lừng lẫy khắp nơi và được ghi nhận là người có góp phần to lớn cho sự tăng trưởng của trái đất .
Hình ảnh Volta đang thực thi thí nghiệm với sự theo dõi trực tiếp của nhà vua nước Pháp Napoleon Bonaparte.
Tuy nhiên, Pháp mới là vương quốc tiên phong công nhận phát minh của Volta do trong quy trình tiến độ bấy giờ, nước Pháp đang nỗ lực tiếp cận với nhiều văn minh của khoa học kỹ thuật nên sẵn sàng chuẩn bị tiếp đón bất kỳ sáng tạo độc đáo mới nào được đề xuất kiến nghị. Không lâu sau đó, Volta được mời tới Pháp và giảng dạy tại Viện hàn lâm khoa học Pháp về những nghiên cứu và điều tra điện học của ông. Thậm chí trong nhiều bài giảng của ông có sự theo dõi của Napoleon Bonaparte .
Nhà vật lý và hóa học người Cornwall, vương quốc Anh, Humphry Davy ( 1778 – 1829 ) cùng quy mô pin.
Trong cùng năm 1800, nhà vật lý và hóa học người Cornwall, vương quốc Anh, Humphry Davy ( 1778 – 1829 ) đã khởi đầu thử nghiệm những tính năng hóa học của dòng điện và phát hiện ra rằng dòng điện có năng lực tách những chất trong dung dịch mà ngày này tất cả chúng ta biết đó là sự điện phân. Dựa trên quy mô của Volta, Davy đã sản xuất ra pin điện lớn nhất và mạnh nhất tính đến thời gian bấy giờ tại tầng hầm dưới đất của Viện khoa học Hoàng gia Anh. Những nhân chứng đã kể lại rằng quy mô pin của ông đã làm một chiếc đèn hồ quang điện chat sáng rực rỡ tỏa nắng chưa từng thấy. Ngoài ra, Davy cũng là người nổi tiếng với việc phát hiện ra khí gây cười N2O hay đèn mỏ bảo đảm an toàn .
Nhà hóa học người Anh, William Cruickshank với thiết kế mô hình pin đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mô công nghiệp
2 năm sau đó, vào năm 1802, nhà hóa học người Anh, William Cruickshank phong cách thiết kế quy mô pin tiên phong hoàn toàn có thể sản xuất dưới quy mô công nghiệp. Cruickshank đã đề xuất kiến nghị chiêu thức dùng những tấm kẽm và đồng có cùng kích cỡ, xếp xen kẽ với nhau, đặt vào một hộp gỗ dài hình chữ nhật và dán chặt lại. Bên trong hộp có những rãnh để giữ cố định và thắt chặt những tấm sắt kẽm kim loại và chứa nước đầy nước muối hoặc acid pha loãng để làm chất điện phân. Thiết kế này có ưu điểm so với quy mô khởi đầu của Volta là không bị khô và hoàn toàn có thể cung ứng được dòng điện mạnh hơn. Mô hình pin của Cruickshank giống như pin ướt mà tất cả chúng ta vẫn còn sử dụng cho đến thời nay .
Từ pin có thể sạc được, pin ướt cho đến pin khô
Pin ướt hoàn toàn có thể sạc được của nhà vật lý người Pháp Gaston Planté
Vào năm 1836, nhà hóa học người Anh, John F. Daniell đã tăng trưởng một phiên bản pin triển khai xong hơn với hiệu suất được cải tổ và tạo ra dòng điện không thay đổi hơn so với nguyên bản khởi đầu của Volta hay Cruickshank. Tuy nhiên, cho tới thời gian bấy giờ thì hàng loạt đều là pin sơ cấp, nghĩa là chỉ dùng được 1 lần và không hề sạc để tái sử dụng được. Đến năm 1859, nhà vật lý người Pháp Gaston Planté phát minh ra pin sạc tiên phong. Đó là một pin với những tấm chì ngăn cách nhau bởi tấm vải flannel và được đặt trong acid sunfuric loãng. Pin sẽ được sạc lại bằng cách châm thêm acid vào để tái sử dụng. Mô hình này vẫn còn được sử dụng cho đến ngày này dưới tên gọi pin ướt hoặc ắc quy ướt ( bình ướt ) hoặc pin carbon zinc
Kỹ sư người Pháp Georges Leclanché ( 1839 – 1882 ) và quy mô pin của ông.
Năm 1866 tại Pháp, kỹ sư Georges Leclanché ( 1839 – 1882 ) đã sản xuất pin ướt với những điện cực ngâm mình trong dung dịch điện phân. Tuy nhiên không lâu sau đó, ông đưa ra sáng tạo độc đáo cải tổ pin bằng cách dùng dung dịch hồ amoni chloride sau đó niêm phong pin lại. Sáng kiến này lưu lại sự sinh ra của thế hệ pin khô. Thế hệ pin mới được cho phép pin được sử dụng ở nhiều vị trí khác nhau, chịu được vận động và di chuyển xê dịch mạnh mà không sợ dung dịch điện phân bị tràn ra ngoài như pin ướt. Thêm vào đó, pin cũng được sản xuất thành dạng ống hoặc hình hộp bên trong chứa những bộ phận khác của pin như những cực dương làm bằng kẽm ( anode ) và cực âm gồm mangan dioxide và carbon theo tỷ suất 8 : 1 ( cathode ). Hồ điện cực còn hoàn toàn có thể chứa thêm kẽm chloride .
Năm 1881, Camille Faure sản xuất pin dùng những dải cọc chì oxit làm điện cực để sửa chữa thay thế cho những tấm chì trong pin ướt trước kia. Điều này được cho phép tạo ra dòng điện mạnh và không thay đổi hơn rất nhiều. Đây chính là cơ sở cho sự tăng trưởng của pin ướt sau này với nhiều loại điện cực khác nhau .
Pin NiCd
Đến năm 1899, nhà khoa học Waldemar Jungner đến từ Thụy Điển đã phát minh ra pin nickel-cadimi ( NiCd ). Đây là thế hệ pin dùng nickel làm cực âm ( cathode ) và cadimi làm cực dương ( anode ). Tuy nhiên, do ngân sách sản xuất khá cao nên pin NiCd không được vận dụng thoáng đãng cho nhiều người sử dụng. 2 năm sau đó, nhà phát minh nổi tiếng Thomas Edison đã tăng trưởng quy mô pin khác bằng cách dùng sắt để thay thế sửa chữa Cadimi làm anode giúp giảm giá tiền nguyên vật liệu sản xuất pin. Dù vậy, quy mô pin Nikel-Sắt của Edison đã gặp phải những điểm yếu kém nghiêm trọng : nguồn năng lượng yếu, hiệu suất kém ở nhiệt độ thấp và năng lực tự xả cao. Tất cả những điểm yếu kém trên khiến pin của Edison cũng không được đưa vào sản xuất và sử dụng thoáng rộng .
Mãi cho tới năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành công xuất sắc trong việc nâng cấp cải tiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao. Giải pháp nâng cấp cải tiến của 2 nhà phát minh là trang bị thêm những tấm vách ngăn những điện cực thành nhiều khoang. Năm 1947, George Neumann liên tục hoàn thành xong quy mô trên trải qua việc sản xuất thế hệ pin NiCd với nhiều vách ngăn bên trong được hàn kín lại .
Pin NiMH quen thuộc với toàn bộ tất cả chúng ta thời nay
Nhiều năm sau đó, pin NiCd liên tục là loại pin duy nhất hoàn toàn có thể sạc và chuyển dời được. Vào những năm 1990, yếu tố thiên nhiên và môi trường được chăm sóc số 1 tại châu Âu và những nhà khoa học mở màn chú ý quan tâm đến pin NiCd do năng lực giải quyết và xử lý những hóa chất ô nhiễm sau quy trình sử dụng. Các luật đạo được phát hành nhằm mục đích hạn chế việc sử dụng những nguyên tố này và chuyển sang sử dụng pin Nickel-Sắt Hydrid ( NiMH ) thân thiện với thiên nhiên và môi trường hơn. Dù vậy, tựa như như pin NiCd, pin NiMH vẫn chưa thật sự đạt được hiệu suất cao như mong đợi và những nhà nghiên cứu vẫn liên tục tăng trưởng nên một thế hệ pin ưu việt hơn. Đây chính là bàn đạp tạo tiền đề cho sự sinh ra của pin lithium-ion ( Li-ion ) .
Pin Li-ion ra đời và phát triển cho đến ngày nay
Nhà hóa học người Mỹ Michael Stanley Whittingham, người tiên phong đề xuất kiến nghị sáng tạo độc đáo pin Li-ion
Pin Li-ion tiên phong được đề xuất kiến nghị vào những năm 1970 bởi nhà hóa học người Mỹ Michael Stanley Whittingham ( 1941 ) đến từ Đại học Binghamton sử dụng titanium sunfide và sắt kẽm kim loại liti thuần làm những điện cực. Dù vậy, do Liti là một sắt kẽm kim loại hoạt động giải trí mạnh nên khi tiếp xúc với không khí thuận tiện xảy ra những phản ứng hóa học gây nguy khốn. Chính vì thế, quy mô pin dùng liti thuần làm cực dương đã không được đồng ý. Cùng thời hạn này, J. O. Besenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra đặc thù trao đổi ion thuận nghịch giữa than chì và cathode bằng oxit sắt kẽm kim loại .
Tiếp theo vào năm 1979 tại Đại học Oxford, John Goodenough và Koichi Mizushima đã sản xuất một loại pin sạc tạo ra dòng khoảng chừng 4 V sử dụng Liti Cobalt Oxit ( LiCoO2 ) làm cực dương và liti thuần làm cực âm. LiCoO2 là một chất dẫn điện tích điện dương với tính không thay đổi cao nên hoàn toàn có thể cung ứng những ion liti nhằm mục đích tạo ra dòng điện. Khả năng này đã mở ra triển vọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho những thế hệ pin trọn vẹn mới hoàn toàn có thể sạc lại một cách thuận tiện .
Năm 1977, Samar Basu đến từ ĐH Pennsylvania đã chứng tỏ tính khả thi của việc sản xuất và sử dụng pin điện hóa với những điện cực bằng liti và than chì. Không lâu sau đó, quy mô này đã chính thức được sản xuất bởi những kỹ sư tại phòng thí nghiệm Bell ( lúc bấy giờ là phòng thí nghiệm AT&T ) .
Rachid Yazami, người chứng tỏ tính điện hóa thuận nghịch của liti trong than chì
Vào năm 1980, Rachid Yazami liên tục chứng tỏ tính điện hóa thuận nghịch của liti trong than chì. Dù vậy, những chất hữu cơ dùng làm chất điện phân trong thế hệ pin mới này bị phân hủy trong quy trình sạc. Do đó, Yazami đã đề xuất kiến nghị hỗn hợp chất hữu cơ rắn bền vững và kiên cố trong quy trình sạc làm chất điện phân. Mô hình chất điện phân của Yazami vẫn còn sử dụng trong những thế hệ pin Li-ion cho đến lúc bấy giờ .
Đến năm 1983, Michael M. Thackeray, Goodnewa và những tập sự đã xác lập hoàn toàn có thể dùng khoáng chất Mangan Spinen để sản xuất cực dương cho pin Li-ion. Đây là loại khoáng chất có tính dẫn điện tốt, giá tiền rẻ và hoạt động giải trí không thay đổi. Tuy vẫn còn điểm yếu kém là bị tiêu tốn dần trong quy trình sạc nhưng vẫn hoàn toàn có thể khắc phục bằng những giải pháp chỉnh sửa hóa học. Cho đến năm 2013, Mangan Spinen vẫn liên tục được sử dụng cho những thế hệ pin Li-ion thương mại .
Sơ đồ nguyên tắc hoạt động giải trí của pin Li-ion
Vào năm 1985, Akira Yoshino lắp ráp quy mô pin tiên phong dựa trên toàn bộ những yếu tố thành công xuất sắc từ trước, sử dụng vậy liệu cacbonate giúp giữ những ion liti trong 1 điện cực giúp LiCoO2 bền vững và kiên cố trong không khí hơn. Chính vì nguyên do này, thế hệ pin Li-ion đã được triển khai xong và bảo đảm an toàn hơn rất nhiều so với trước kia .
Viên pin Li-ion này có quen thuộc với các bạn không?
Năm 1991, tập đoàn lớn điện tử Sony chính thức thương mại hóa pin Li-ion dưới quy mô sản xuất công nghiệp. Cho đến nay, hầu hết những hoạt động giải trí điều tra và nghiên cứu đều xoay quanh việc cải tổ hiệu suất của pin Li-on. Bên cạnh việc phân phối nguồn năng lượng cho điện thoại di động, máy tính xách tay, máy ảnh kỹ thuật số, dụng cụ điện và những thiết bị y tế, pin Li-ion lúc bấy giờ còn được sử dụng cho xe điện. Đây là thế hệ pin đáng chú ý quan tâm nhất tính đến thời gian hiện tại do có mức tàng trữ nguồn năng lượng đơn cử, phong cách thiết kế đơn thuần, hiệu suất cao, cho dòng không thay đổi, ngân sách bảo dưỡng thấp và khá thân thiện với môi trường tự nhiên .
Tiếp theo đó là sự kiện công ty Bellcore chính thức thương mại hóa pin Li-ion Polymer vào năm 1994 sau quy trình điều tra và nghiên cứu. Bước tiếp theo là pin sự Open của pin li-ion với cathode bằng mangan, pin li-phosphate được những nhà khoa học liên tục nâng cấp cải tiến và hoàn thành xong để chính thức kinh doanh thương mại hóa. Các nhà khoa học Dự kiến tiếp theo sẽ là sự sinh ra của những thế hệ pin tăng trưởng dựa trên tân tiến của công nghệ tiên tiến nano giúp tăng cường hiệu suất cũng như kích cỡ và tuổi thọ của pin .
Theo Tinhte
