Ai đã từng dùng thiết bị điện tử đều biết rằng sau một khoảng thời gian dài sử dụng, thường là 1 năm hoặc lâu hơn, pin của máy sẽ không còn giữ được “phong độ” như mức ban đầu, thậm chí bạn còn phải liên tục cắm sạc thì mới có thể sử dụng được. Vậy có bao giờ bạn tự hỏi vì sao lại như thế không? Để đưa ra lời đáp cho vấn đề này, chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu qua nhiều yếu tố khác nhau.
Pin hoạt động như thế nào? Điện năng thật sự là phát minh tạo tiền đề cho nền văn minh của nhân loại, nhưng kể từ khi thiết bị di động ra đời, nó trở thành thứ khiến chúng ta chán ngán bởi pin – nơi lưu trữ năng lượng ấy đến thời điểm này vẫn chưa thể làm hài lòng tất cả về thời gian sử dụng. Để hiểu vì sao thiết bị của bạn đang cần phải sạc nhiều hơn so với những ngày đầu khi bạn vừa “đập hộp” nó, bạn trước hết cần biết một chút về cách thức hoạt động của pin đã. Cũng giống như bất kỳ dạng năng lượng nào khác, điện không phải là thứ bạn có thể tạo ra. Những việc mà bạn nghĩ là mình đang làm để “tạo ra” dòng điện về bản chất chính là bạn đang cố chuyển một dạng năng lượng khác thành điện năng, và đối với pin, bạn sử dụng các phản ứng hóa học (năng lượng phản ứng) để tạo ra điện năng. Cũng một quá trình như vậy, nhưng các vật liệu khác nhau sẽ cho ra những hiệu quả khác nhau. Trong hầu hết smartphone ngày nay, nhà sản xuất trang bị cho chúng pin lithium bởi hiệu suất đầu ra tương đối tốt cùng với mức chi phí hợp lý. Bên trong viên pin dùng cho điện thoại, có 3 thành phần vô cùng quan trọng: điện cực âm (anode, thường làm bằng graphite), điện cực dương (cathode, thường làm bằng hỗn hợp lithium và các kim loại khác), và chất điện phân. Khi bạn cho một dòng điện chạy qua các điện cực (từ bộ sạc) hay hiểu nôm na là đưa electron vào, các ion lithium sẽ tích điện dương và bị hút bởi cực âm. Đến một thời điểm nhất định, toàn bộ ion lithium bị kéo về phía cực âm kết hợp với lượng electron đưa vào và lúc bấy giờ, pin đã được sạc đầy. Trong quá trình sử dụng thiết bị (xả pin), electron nằm ở cực âm dần di chuyển về cực dương, số lượng ion lithium mất điện tích tăng lên và quay ngược về cực dương. Kết thúc quá trình này, pin đã cạn và đến lúc sạc lại.
“Chu kỳ” là khái niệm quan trọng đối với tuổi thọ pin. Rất khó để có thể đưa ra thời gian cụ thể đối với tuổi thọ của một viên pin bởi bạn có thể dùng nó bình thường trong 2 năm nhưng đối với người khác, họ chỉ dùng được 6 tháng thì “chai” mất rồi. Chính vì lẽ đó, chu kỳ sẽ là thước đo tương đối chính xác để nói về tuổi thọ của pin. Thông thường, pin điện thoại cung cấp cho người dùng hiệu suất tốt nhất ở khoảng 500 – 600 chu kỳ, và 1 chu kỳ được hiểu là khi bạn sạc một viên pin từ khi cạn đến 100% sau đó xả hết một lần nữa. Nếu bạn sạc đầy pin khi nó còn 50% dung lượng và lại xài cho đến khi nó còn 50% thì quá trình này chỉ được tính như một phần của chu kỳ. Đó là lý do vì sao bạn thường được nghe là nên sạc máy trước khi pin còn quá ít bởi việc này có lẽ sẽ giúp cho cái ngày mà pin đạt đến ngưỡng 500 hay 600 chu kỳ nói trên lâu tới hơn. Tất nhiên, cách đó có vẻ không hiệu quả mấy bởi những gì diễn ra bên trong viên pin vẫn cứ như đã giải thích bên trên khi bạn dùng thiết bị chứ không tính theo chu kỳ như chúng ta tính. Hơn nữa, 500 chu kỳ đó cũng chỉ là ước lượng của các nhà sản xuất. Dù vậy, tuổi thọ của một viên pin vẫn có thể được đo bằng chu kỳ nhờ những gì xảy ra khi bạn sạc pin và cách nó ảnh hưởng đến các lần sạc khác trong tương lai.
Oxy hóa và hiệu suất – 2 kẻ thù không đội trời chung Xe điện – những chiếc xe chạy nhờ động cơ điện và pin đang ngày càng trở nên phổ biến bởi chúng được xem là giải pháp thay thế tối ưu nhất đối với xe dùng nhiên liệu hoá thạch. Chi phí dành cho một bộ pin trên xe điện không hề rẻ và đó chính là động lực thôi thúc các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu nhằm tìm hiểu xem điều gì đã khiến pin lithium ion ngày càng tệ hơn theo thời gian. Tất nhiên, điều mà giới chuyên gia đang tìm hiểu cũng là vấn đề đang xảy ra với pin trong điện thoại của chúng ta, và nguyên nhân có thể xuất phát từ các thay đổi về mặt hoá học bên trong viên pin khi chúng được sạc. Chúng ta đã biết rằng bản chất của việc sạc pin chính là gia tăng từ tính của các ion lithium và khiến nó bị hút bởi cực âm. Càng có nhiều ion bị hút về phía cực âm, khác biệt giữa hai điện cực ngày càng gia tăng. Và đó chính là cách mà bạn đo điện áp – sự chênh lệch về điện thế giữa hai cực. Khi đạt đến một ngưỡng nhất định, pin được coi là đã sạc đầy. Trong quá trình sử dụng thiết bị, pin được xả và chênh lệch điện thế giữa 2 điện cực giảm cho đến khi bằng 0 bởi khi đó, không có nhiều ion tích điện dương có mặt tại cực âm. “Không có nhiều” nghĩa là vẫn còn chứ không hoàn toàn sạch sẽ. Điện cực rõ ràng đối mặt với việc bị oxy hoá.
Tương tự như sắt có thể bị ăn mòn bởi nước và không khí, lithium, graphite hay dung dịch muối điện phân cũng làm cho các điện cực bị oxy hoá. Khi gần như tất cả các ion tích điện quay ngược trở lại cực dương – nơi nó vốn dĩ phải thuộc về, một lớp có kích thước vi mô của một loạt các hạt sẽ vẫn còn ở lại và hình thành các liên kết hoá học với cực âm graphite. Những hạt này được tạo thành từ các nguyên tử lithium oxide và các nguyên tử lithium carbonate. Lớp vỏ này bám lấy cực âm, cản trở quá trình nạp/xả pin của chu kỳ, ảnh hưởng đến số lượng ion tích điện, sự chênh lệch hiệu điện thế giữa 2 cực và những thay đổi này cuối cùng sẽ thể hiện đủ rõ ràng để bạn có thể nhận biết. Nếu vẫn tiếp tục sử dụng viên pin đó như bình thường, điện năng chắc chắn sẽ không đủ để cung cấp cho quá trình hoạt động của smartphone. Trong quá trình nghiên cứu để tìm ra giải pháp khác phục vấn đề đau đầu này, các nhà khoa học nhận thấy lithium ở các hợp chất khác nhau cũng như các loại muối dùng làm chất điện phân khác có ảnh hưởng đến lượng tinh thế bám lấy cực âm, nhưng những chất liệu được dùng nhằm giúp cho cực âm sạch sẽ hơn sau mỗi chu kỳ lại không hiệu quả trong việc cấp năng lượng đầu ra. Những gì mà chúng ta muốn đối với một viên pin chính là dung lượng thấp nhưng hiệu suất cao nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng. Trong khi đó, một chiếc xe điện hoàn toàn có thể được trang bị pin dung lượng cao và hiệu suất cao bởi chúng được bảo vệ bởi một bộ khung rắn chắc và không dễ bị phá hỏng. Ngoài ra, pin cũng cần đủ lớn để xe có thể chạy được một quãng đường dài sau mỗi lần sạc. Nhưng có một điều cũng nên biết rằng chi phí cho một bộ pin trên chiếc Tesla Model S lên đến 12.000 USD. Lý giải cho cái giá đắt đỏ này chính là các vật liệu không hề rẻ dùng để tạo ra viên pin lithium-nickel-cobalt-aluminum-oxide hoàn chỉnh.
Các vấn đề với điện áp
Một trong những khía cạnh then chốt quyết định xem pin lithium-ion có thể giữ vững “phong độ” qua bao nhiêu chu kỳ chính là điện áp. Bởi không phải chỉ có điện thọai và ô tô là những thứ được thiết kể để vận hành nhờ pin lithium có thể sạc lại, năm 2015, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã bỏ ra rất nhiều tiền và thời gian để tìm ra nguyên nhân chính xác đưa đến vấn đề, đồng thời đưa ra hướng giải quyết nhằm kìm hãm quá trình đó lại. Sau khi tinh chỉnh các thành phần bên trong viên pin để khắc phục tình hình, các chuyên gia lại phải đối mặt với một vấn đề lớn hơn có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ pin xuất phát từ điện áp dòng sạc cũng như điện áp không tải của pin. Các nhà khoa học phát hiện ra rằng nếu bạn sạc pin với mức điện áp cao hơn 3.9V hoặc để cho mức chênh lệch điện áp khi sạc và khi ngừng sạc vượt quá 3.9V, cực âm của pin lúc bấy giờ sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiều yếu tố bao gồm cả nhiệt, từ đó làm suy giảm tuổi thọ viên pin. Thông thường, nhà sản xuất sẽ trang bị cho viên pin các vi mạch đặc biệt nhằm tránh những vấn đề này xảy ra với các rủi ro thậm chí còn lớn hơn như cháy nổ vì quá nhiệt. Trong quá trình sạc pin của thiết bị, bạn có thể dễ dàng nhận thấy quãng thời gian sạc từ lúc cạn lên đến cỡ 50-70% pin thì rất nhanh nhưng sau đó lại chậm dần, điều đó chứng minh mạch quản lý làm việc tốt nhằm bảo vệ tuổi thọ pin. Cũng bởi vì lý do này, các nhà sản xuất luôn khuyến khích bạn không nên để pin xuống dưới 20% mới sạc bởi quá trình sạc sẽ diễn ra một cách tích cực, nhiệt sản sinh cũng nhiều hơn và ảnh hưởng đến tuổi thọ pin.
