Mỗi ngày, hàng tỷ người rút điện thoại khỏi túi, mở laptop, hay leo lên xe điện mà không hề nghĩ đến thứ đang nuôi sống tất cả những thiết bị ấy: một viên pin nhỏ chứa lithium. Pin lithium-ion là phát minh ít được nhắc tên nhất nhưng có lẽ ảnh hưởng đến sinh hoạt hằng ngày của chúng ta nhiều nhất trong nửa thế kỷ qua. Không có nó, điện thoại thông minh sẽ quay về thời "cục gạch" gắn liền với ổ cắm, và xe điện vẫn chỉ nằm trên bản vẽ. Điều thú vị là viên pin này không sinh ra từ một phòng thí nghiệm duy nhất, mà là kết quả chạy tiếp sức của ba nhà khoa học ở ba quốc gia, qua gần hai thập kỷ.

Ba nhà khoa học, ba mảnh ghép của một viên pin

Mảnh ghép đầu tiên đến từ M. Stanley Whittingham, nhà hóa học người Anh làm việc cho hãng dầu khí Exxon vào thập niên 1970. Giữa cơn khủng hoảng dầu mỏ, Exxon đổ tiền tìm nguồn năng lượng thay thế, và năm 1976 Whittingham chế tạo được viên pin lithium sạc lại đầu tiên: cực dương bằng titan disulfide có khả năng "nhốt" các ion lithium giữa các lớp của nó. Viên pin chạy được, nhưng cực âm bằng lithium kim loại nguyên chất lại dễ cháy nổ, khiến dự án dần bị gác lại.

Mảnh ghép thứ hai thuộc về John Goodenough tại Đại học Oxford. Năm 1980, nhóm của ông chứng minh rằng lithium cobalt oxide làm cực dương sẽ cho điện áp gấp đôi, khoảng 4 volt, đồng thời ổn định hơn nhiều. Mảnh ghép cuối cùng do Akira Yoshino ở hãng Asahi Kasei (Nhật Bản) hoàn thiện năm 1985: ông thay lithium kim loại nguy hiểm bằng vật liệu gốc carbon từ cốc dầu mỏ để giữ ion. Viên pin của Yoshino an toàn, nhẹ và sạc lại được nhiều lần. Năm 1991, Sony đưa nó ra thị trường, và kỷ nguyên pin lithium-ion chính thức bắt đầu. Năm 2019, cả ba nhà khoa học cùng nhận giải Nobel Hóa học cho hành trình tiếp sức này.

Nguyên lý "ghế bập bênh" của ion lithium

Pin lithium-ion hoạt động dựa trên một chuyển động qua lại rất đơn giản. Bên trong viên pin có hai điện cực ngăn cách bởi một chất điện phân. Khi bạn dùng máy, các ion lithium (Li+) rời cực âm bằng than chì, bơi qua chất điện phân sang cực dương, và dòng electron bị "ép" phải đi vòng qua mạch điện bên ngoài — chính dòng electron đó nuôi thiết bị của bạn. Khi cắm sạc, quá trình diễn ra ngược lại: ion lithium bị đẩy trở về cực âm, nằm chờ cho chu trình tiếp theo.

Vì ion chỉ "bập bênh" qua lại giữa hai cực mà không biến đổi thành kim loại nguyên chất, viên pin tránh được cơ chế gây cháy nổ của các thiết kế đời đầu. Lithium lại là kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, nên pin chứa nó có mật độ năng lượng cao: nhiều điện nhất trong mỗi gram trọng lượng. Đó là lý do điện thoại ngày nay mỏng như một cuốn sổ tay mà vẫn chạy được cả ngày.

Nguồn năng lượng đưa thế giới vào túi áo

Tác động đầu tiên của pin lithium-ion là giải phóng thiết bị điện tử khỏi sợi dây. Điện thoại di động, laptop, máy ảnh, tai nghe không dây, đồng hồ thông minh — toàn bộ hệ sinh thái "di động" đều đứng trên viên pin này. Trước nó, pin nickel-cadmium vừa nặng vừa yếu, khiến điện thoại cầm tay thập niên 1980 to như viên gạch và chỉ gọi được vài chục phút.

Tác động thứ hai còn lớn hơn: xe điện. Khi giá pin giảm mạnh qua ba thập kỷ sản xuất hàng loạt, ô tô điện từ ý tưởng xa xỉ trở thành sản phẩm đại trà, kéo theo cả ngành lưu trữ điện mặt trời và điện gió cho lưới điện. Một công nghệ sinh ra để nuôi chiếc máy quay phim cầm tay của Sony nay đang giúp nhân loại tính chuyện rời bỏ nhiên liệu hóa thạch.

Sự thật thú vị ít người biết

  • John Goodenough nhận giải Nobel ở tuổi 97, trở thành người đoạt giải Nobel cao tuổi nhất trong lịch sử — và ông vẫn đến phòng thí nghiệm làm việc sau đó.
  • Tên "lithium" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp "lithos", nghĩa là đá, vì kim loại này được tìm thấy trong quặng đá, khác với natri và kali thường tách ra từ thực vật.
  • Viên pin lithium-ion thương mại đầu tiên của Sony năm 1991 được làm cho máy quay phim cầm tay Handycam, không phải cho điện thoại.
  • Whittingham từng khiến phòng thí nghiệm của Exxon phải xử lý vài vụ cháy nhỏ vì lithium kim loại phản ứng dữ dội với không khí — một phần lý do dự án bị dừng.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Sony phát minh ra pin lithium-ion." Sony xứng đáng được nhớ đến vì đã đưa viên pin ra thị trường, nhưng nền khoa học đằng sau nó là công trình của Whittingham, Goodenough và Yoshino trong gần 20 năm, ở ba tổ chức khác nhau. Sony là người về đích cuối cùng trong cuộc chạy tiếp sức, không phải người duy nhất chạy.

Hiểu lầm: "Pin lithium-ion cũng bị hiệu ứng nhớ, phải dùng cạn mới nên sạc." Hiệu ứng nhớ là nhược điểm của pin nickel-cadmium đời cũ. Pin lithium-ion không có cơ chế đó: bạn sạc lúc pin còn 30% hay 70% đều được, thậm chí những lần sạc ngắn, nông còn nhẹ nhàng cho pin hơn là xả cạn kiệt rồi mới sạc đầy.

Nguồn tham khảo