Pin điện hóa: Khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại pin điện hóa

Pin là một thiết bị dùng để lưu trữ, cung cấp điện năng. Pin điện hóa chuyển hóa năng (năng lượng phản ứng hóa học) thành điện năng.

Pin điện hóa: Khái niệm, nguyên lý hoạt động và các loại pin điện hóa

I. Pin Điện Hóa Là Gì?

Pin điện hóa (còn được gọi là tế bào galvanic hoặc tế bào volta), là một hệ thống trong đó các phản ứng oxy hóa - khử (redox) tự phát xảy ra, giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng. Đây là thiết bị ngược lại với quá trình điện phân, nơi năng lượng điện được sử dụng để thúc đẩy một phản ứng hóa học không tự phát.

Bản chất của pin điện hóa là tạo ra một dòng chảy electron từ nơi có xu hướng nhường electron mạnh hơn (cực âm) đến nơi có xu hướng nhận electron mạnh hơn (cực dương) thông qua một mạch điện ngoài.

II. Cấu Tạo Chung Của Pin Điện Hóa

Một pin điện hóa cơ bản thường bao gồm các thành phần sau:

1. Hai Điện Cực (Electrodes):

Cực Âm (Anode): Là nơi xảy ra quá trình oxy hóa (chất hóa học nhường electron). Cực âm có thế điện cực thấp hơn và thường là vật liệu kim loại có tính khử mạnh (ví dụ: Zn, Li, Pb). Các electron sinh ra tại đây sẽ di chuyển ra mạch ngoài.
Cực Dương (Cathode): Là nơi xảy ra quá trình khử (chất hóa học nhận electron). Cực dương có thế điện cực cao hơn và thường là vật liệu có tính oxy hóa mạnh như oxit kim loại hoặc carbon (ví dụ: MnO2, LiCoO2). Electron từ mạch ngoài đi vào cực dương để hoàn tất phản ứng.

2. Chất Điện Ly (Electrolyte):

Là môi trường chứa các ion di chuyển giữa hai điện cực, giúp hoàn thành mạch điện bên trong của pin. Chất điện ly phải là chất dẫn ion, không dẫn electron. Nó có thể ở dạng lỏng (dung dịch axit, bazơ, muối), dạng gel hoặc dạng rắn (polymer, gốm).

3. Màng Chắn/Tách (Separator):

Một lớp vật liệu xốp, không dẫn điện, được đặt giữa cực âm và cực dương để ngăn chúng tiếp xúc trực tiếp gây đoản mạch, đồng thời vẫn cho phép ion di chuyển qua lại trong chất điện ly.

4. Cầu Muối (Salt Bridge - đối với pin phòng thí nghiệm) hoặc Vách Ngăn Xốp (đối với pin thương mại):

Trong các thí nghiệm pin Daniell, cầu muối chứa dung dịch muối trơ giúp duy trì tính trung hòa điện của các dung dịch ở hai nửa pin, ngăn chặn sự tích tụ điện tích và đảm bảo dòng ion liên tục.
Trong pin thương mại, vai trò này được thực hiện bởi vách ngăn xốp trong chất điện ly.

5. Mạch Ngoài:

Hệ thống dây dẫn và thiết bị điện được nối với hai điện cực, nơi các electron di chuyển từ cực âm sang cực dương, cung cấp điện năng cho thiết bị hoạt động.

III. Nguyên Lý Hoạt Động Của Pin Điện Hóa

Nguyên lý hoạt động của pin điện hóa dựa trên phản ứng oxy hóa - khử tự phát được tách ra thành hai nửa phản ứng tại hai điện cực riêng biệt.

1. Tại Cực Âm (Anode) - Nơi xảy ra quá trình Oxy hóa:

Chất khử (ví dụ: kim loại) bị oxy hóa, nhường electron.
M → M(n+) + ne(−)
Các electron này di chuyển qua dây dẫn bên ngoài đến cực dương.

2. Tại Cực Dương (Cathode) - Nơi xảy ra quá trình Khử:

Chất oxy hóa (ví dụ: ion kim loại trong dung dịch hoặc vật liệu cực dương) nhận electron từ mạch ngoài.
X(m+) + me(−) → X
Để duy trì tính trung hòa điện trong dung dịch và cho phép phản ứng tiếp tục, các ion trong chất điện ly (hoặc qua cầu muối/vách ngăn) di chuyển để cân bằng điện tích phát sinh.

3. Dòng Điện và Suất Điện Động:

Sự chênh lệch về thế điện cực giữa cực âm và cực dương tạo ra một hiệu điện thế, gọi là suất điện động của pin (Epin).
Epin = Ecathode − Eanode
Nếu Epin >0, phản ứng tổng thể là tự phát và pin có khả năng tạo ra dòng điện.

Thí nghiệm. Lắp ráp pin chanh và đo sức điện động của pin

Để tạo ra một viên pin điện hóa vô cùng đơn giản, với một quả chanh và hai miếng kim loại (một cực bằng đồng, cực còn lại bằng kẽm)

Bên trong quả chanh có một dung dịch acid sulfuric H2SO4 loãng (Axit sunfuric loãng H2SO4) có thể tác dụng lên các cực kim loại hình thành nên các hạt tải điện tự do. Thử với một đồng hồ vạn năng sẽ có một suất điện động giữa hai cực kim loại, nếu đấu ngược cực đồng hồ sẽ chỉ số âm. Khi đó bạn có một viên pin điện hóa.

Giải thích sự tạo thành dòng điện trong viên pin chanh (Lemon Battery) trên:

Do tác dụng hóa học các ion kẽm Zn2+
Khi nối hai cực của pin với mạch ngoài (máy đo) do chênh lệch điện thế giữa cực âm Zn và cực dương Cu sẽ có một dòng các electron tự do dịch chuyển từ cực âm Zn (thừa e) qua cực dương Cu (thiếu e) tạo ra dòng điện giữa hai cực của viên pin chanh.
Dưới tác dụng của phản ứng hóa học dung dịch axit loãng trong quả chanh sẽ bứt các ion Zn2+
Suất điện động của một viên pin điện hóa tùy thuộc vào chất hóa học ở bên trong viên pin điện hóa thông thường là 1,5V; 6V; 9V … có thể ghép nối tiếp nhiều viên pin để thu được nguồn điện có suất điện động phù hợp.

Dựa trên nguyên lý cơ bản trên, sau rất nhiều cải tiến chúng ta có được môn viên pin điện hóa có hình dạng cấu tạo như ngày nay.

IV. Một số loại pin điện hóa thông dụng đang được sử dụng hiện nay

1. Pin điện hóa Zinc carbon

Đây là loại Pin điện hóa đã có từ rất lâu. Pin carbon kẽm có giá rất rẻ. Đây là lựa chọn tốt cho các thiết bị tiêu thụ ít điện năng (điều khiển tivi, đồng hồ treo tường, đèn pin, đồ chơi…).

Điện trở trong của các loại pin điện hóa này lớn không nên sử dụng cho các thiết bị như máy ảnh. Nên kiểm tra và thay pin định kỳ, không nên để pin bị chảy nước có thể gây gỉ sét, chập mạch cho chính thiết bị dùng pin.

2. Pin điện hóa Alkaline (Pin kiềm)

Đây là loại pin dùng một lần thông dụng nhất hiện nay bởi giá thành thấp mà dụng lượng đủ cao. Pin kiềm có đủ loại hình dáng, từ loại thông dụng AA (ta quen gọi là pin tiểu) đến AAA (Pin đũa, pin mini) hoặc C (pin trung), D (pin đại).

Pin AA/AAA thường có dung lượng 2.700-3.000 mAh và có hiệu điện thế khoảng 1,5 V. Dung lượng từ 3.000 mAh trở lên thường thấy ở những pin cao cấp từ những hãng tên tuổi như Duracell , Panasonic hoặc Energizer với đủ những khẩu hiệu như “ultra power” hay “xtra power”. Tuy nhiên qua các kiểm tra về pin, về mặt dung lượng mà nói, kể cả những pin của các hãng đắt tiền lẫn những pin của các hãng rẻ tiền hơn đều cho công suất sử dụng nói chung không chênh lệch nhau nhiều. Sự khác nhau chỉ là hình thức, độ an toàn hoặc những tính năng thêm, chẳng hạn pin của Duracell có thể kiểm tra dung lượng, trong khi pin Con thỏ thì không. Vì thế bài toán kinh tế của người dùng pin kiềm là cứ tìm loại giá rẻ mà dùng. Nhưng không vì thế mà mừng bởi người dùng khi đi mua Pin thường nhầm lẫn Pin Alkaline (Pin kiềm) có giá 20k/vỉ 2 viên và Pin loại rất rẻ tiền là Pin Carbon chỉ có giá tầm 3k-5k/ vỉ 2 viên.

3. Pin điện hóa Niken Cadimi (Ni-Cd)

Pin điện hóa này có số lần sạc lại nhiều nhất, lên tới 1000 lần, tuy nhiên bạn phải cẩn thận khi sử dụng vì pin Ni-Cd rất độc. Một trong số các yếu điểm của pin Ni-Cd là điện thế giảm đột ngột ở cuối chu kỳ xả. Sự giảm đột ngột này không nhanh bằng pin Ni-MH nhưng thấy rõ so với pin Alkaline.

Để tránh “pin trai đột ngột” bạn nên có pin dự phòng khi đi xa hay làm những việc quan trọng. Một đặc điểm Ni-Cd là hiệu ứng nhớ (memory effect). Đây là hiện tượng suy giảm tuổi thọ nhanh chóng nếu không sử dụng pin đúng cách. Hiện tượng này được giải thích như sau: khi bạn sạc pin Ni-cd với dòng sạc nhỏ hoặc dùng pin không kiệt đã sạc lại thì một số hợp chất hoá học sẽ tích tụ ở cực âm của pin. Nếu bạn tiếp tục sạc kiểu này, các hợp chất tích tụ ngày càng nhiều thêm và làm giảm khả năng tích lũy năng lượng. Cách tốt nhất để tránh hiện tượng này là dùng pin cho đến hết hay xả trước khi sạc. Các bộ sạc pin Ni-Cd tốt thường có nút bấm để xả pin rồi tự động sạc khi điện áp tụt đến mức thấp nhất.

4. Pin điện hóa Ni-MH (Nickel Metal Hidride)

Pin Ni-MH dạng “AA” có thể dùng với hầu như tất cả các thiết bị đang dùng pin Alkaline và Ni-Cd. Pin Ni-MH có khả năng lưu trữ năng lượng tốt và nội trở nhỏ. Đây là lực chọn phổ biến vì pin Ni-MH có hiệu ứng nhớ ít hơn Ni-Cd và dung lượng pin cao hơn hai lần pin Ni-Cd.

Với pin điện hóa Ni-MH bạn có thể sạc bất cứ lúc nào mà không cần phải xả pin. Tuy nhiên nếu dùng liên tục trong tình trạng đó, pin vẫn bị chai. Ngoài ra nó có thể bị hỏng vì nhiệt nếu sạc quá lâu. Bạn nên sử sụng bộ sạc pin chất lượng cao. Có điều khiển tự động để tránh điều này. Một lưu ý nữa là không nên dùng sạc của pin Ni-Cd cho pin Ni-MH để tránh cháy, nổ pin nhất là khi dùng bộ sạc nhanh. Sau khi sạc hãy bỏ pin khỏi bộ sạc để tránh hao điện trong pin.

5. Pin điện hóa silver oxide (oxit bạc)

Pin silver có độc tính cao không thông dụng do giá rất đắt. Bạn có thể thấy loại pin này trong một số loại đồng hồ, máy trợ thính, và các máy ảnh tiêu thụ ít năng lượng. Ngoài ra, do Pin khi hết không chảy nước nên rất được ưa chuộng khi gắn trực tiếp lên bo mạch như Pin CMOS trong máy vi tính.

6. Pin điện hóa Lithium-lon (Li-lon)

Pin Lithium-Ion được đánh giá là loại pin tốt với nhiều tính năng ưu việt như mật độ năng lượng cao, thời gian sử dụng lâu, suy hao năng lượng thấp và đặc biệt loại bỏ hẳn tình trạng nhớ. Đây cũng là dòng pin thân thiện môi trường, không có các các yếu tố kim loại độc hại trong vấn đề xử lý thải.

Nguyên tắc hoạt động của pin điện hóa Lithium Ion

Ngày nay pin Lithium Ion được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các thiết bị điện tử. Loại pin này là sự kết hợp của cực âm (cathode, làm từ lithium) và điện cực dương (anode làm từ carbon). Khi bạn sạc pin, nguồn điện sẽ đẩy lùi ion từ cathode sang anode và lưu trữ tại đây. Quá trình sử dụng đi theo chiều ngược lại, ion sẽ đi từ anode quay trở lại cathode để tạo ra năng lượng. Tất nhiên, đây là cách nói hình tượng cho dễ hiểu còn trong thực tế, việc tái tạo năng lượng là hàng loạt các phản ứng hóa học khác nhau diễn ra đồng thời.

Tại sao pin điện hóa Lithium Ion lại bị hỏng? cách khắc phục?

Pin đã bắt đầu quá trình hỏng của mình ngay từ giây phút đầu tiên nó rời khỏi nhà máy. Đây là một chân lý mà bạn phải hiểu và không thể làm cách nào để khắc phục điều đó. Xin hãy lưu ý rằng ngay cả khi bạn ít sử dụng, chỉ sạc vài lần trong năm thì cũng không có cách nào cứu được những viên pin Lithium Ion này đâu. Nếu bạn sử dụng pin thường xuyên (dùng không cẩn thận, sạc ẩu) thì có thể những viên pin này không sống được đến 2 năm tuổi (pin mất từ 1/3 dung lượng trở lên sẽ được coi là pin chai). Không một phản ứng hóa học nào là hoàn hảo, nó sẽ gây ra hiện tượng mất năng lượng, từ đó dẫn đến các hệ quả không mong muốn. Nguyên lý hoạt động của pin vốn dựa trên các phản ứng hóa học tất nhiên cũng không là ngoại lệ.

7. Pin điện hóa Lithium-Polymer (Li-Po)

Pin Li-Po không sử dụng chất điện phân dạng lỏng mà thay vào đó nó sử dụng chất điện phân dạng polymer khô, tương tự như một miếng phim nhựa mỏng. Miếng phim này được kẹp (thực sự là ghép lá) giữa cực dương và cực âm của pin cho phép trao đổi ion – do đó có tên là lithium polymer.

Đây là thế hệ pin tốt nhất hiện nay đang được sử dụng nhiều trong các thiết bị smartphone, máy tính bảng … Do những ưu điểm sau đây:

Có thể chế tạo pin ở mọi kích thước khác nhau phù hợp cho các thiết bị điện tử dùng pin
Pin Li-Po có dòng xả cao, dung lượng lớn

pin điện hóa Li-Po an toàn khó có thể gây hiện tượng cháy nổ, nhưng một khi đã cháy thì cháy rất lớn thậm chí có thể phát nổ khi sạc không đúng cách hoặc sạc quá mức nên đây vừa coi là ưu điểm cũng là nhược điểm của pin Li-Po.

Kết Luận

Pin điện hóa không chỉ là một khái niệm khoa học mà còn là một trụ cột công nghệ của thế kỷ 21. Khả năng biến đổi năng lượng hóa học thành điện năng một cách hiệu quả và di động đã thúc đẩy sự phát triển của vô số ngành công nghiệp và định hình lối sống của chúng ta. Với những thách thức về biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, sự nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực pin điện hóa hứa hẹn sẽ mang lại những đột phá lớn hơn nữa, góp phần vào một tương lai bền vững và công nghệ tiên tiến.

Xem thêm chuyên đề về Pin điện và điện phân.

Lý thuyết Hóa 12 Bài 12: Thế điện cực và nguồn điện hoá học.

Lý thuyết Hóa 12 Bài 13: Điện phân (Điện phân nóng chảy và điện phân dung dịch).

Nguyên tắc điện phân dung dịch hóa học 12.

Ôn tập chương 5 pin điện và điện phân Hóa học 12 chân trời sáng tạo.

Ôn tập chương 5 pin điện và điện phân Hóa học 12 chân trời sáng tạo - (đề số 02).

Bài tập thế điện cực và nguồn điện hóa học P1 Hóa học 12 chân trời sáng tạo.

Bài tập thế điện cực và nguồn điện hóa học - hóa 12 chân trời sáng tạo phần 2.

Bài tập điện phân phần câu hỏi đếm - Hóa 12 chân trời sáng tạo.

Bài tập điện phân - bài tập tự luận điện phân - hóa 12 chân trời sáng tạo.

Bài tập điện phân - bài tập phát biểu đúng sai điện phân - Hóa 12 chân trời sáng tạo.

Dãy điện hóa của Kim Loại Hóa Học 12.