Ắc quy ( Battery ) làm việc như thế nào ?

Ắc quy có trong mọi chỗ như : trong ô tô , trong máy tính để bàn , trong máy xách tay , thiết bị chơi nhạc MP3 , điện thoại di động ...

 

Về bản chất ắc quy có thể là đầy hoá chất mà sản sinh ra điện tử .

Phản ứng hoá học để tạo ra dòng điện gọi là phản ứng điện hoá . Trong bài này , chúng ta sẽ biết khái niệm cơ bản cách thức làm việc trên thực tế trên trong Ắc quy .

 Nếu nhìn vào bất kì Ắc quy nào , bạn sẽ chú ý thấy có hai điện cực . Một điện cực mang dấu cộng (+ , dương ) và một điện cực khác mang dấu trừ (- , âm ) . Trong những Pin kiểu AA , C hoặc D , những điểm đầu cuối của Pin chính là những điện cực . Trong những Ắc quy lớn như của xe ô tô , có hai thanh trì to và nặng làm điện cực .

Những điện tử tập trung ở cực âm của Ắc quy . Nếu bạn nối dây dẫn giữa cực dương và cực âm , những điện tử sẽ chuyển từ cực dương tới cực âm một cách nhanh chóng . Thông thường , chúng ta hay nối một số kiểu tải tới Ắc quy bằng dây dẫn . Thiết bị tải có thể là ánh sáng điện , Motor hoặc thiết bị điện khác như Radio .

Bên trong những Ắc quy , phản ứng hoá học tạo ra những điện tử . Tốc độ việc tạo ra những điện tử chính là tốc độ của phản ứng hoá học ( điện trở trong của Ắc quy ) điều khiển bao nhiêu điện tử có thể chuyển qua giữa những điện cực . Dòng điện từ Ắc quy chỉ có thể sinh ra khi nối giữa hai điện cực bằng dây dẫn . Đó là nguyên nhân tại sao mà có thể để Ắc quy trong túi hàng năm trời mà chỉ mất một chút điện năng . Ngay khi nối dây dẫn phản ứng bắt đầu xảy ra .

 Ắc quy đầu tiên do Alessandro Volta tạo ra vào năm 1800 . Để tạo ra Ắc quy này , ông xếp lớp xen kẽ giữa kẽm , giấy thấm ướt đẫm trong nước muối và bạc , như hình 3

 Sự sắp xếp như vậy gọi là Pin Volta. Những lớp trên cùng và dưới cùng của Pin phải là những kim loại khác nhau , như hình trên . Nếu gắn dây dẫn vào trên cùng và bên dưới cùng của Pin , bạn có thể đo được điện áp và dòng điện của Pin . Pin có thể xếp lớp bao nhiêu tuỳ ý , số lớp tăng lên sẽ cho phép tăng điện áp bằng cách cộng chúng lại với nhau .

 Trong những năm 1800 , trước khi sáng chế máy phát điện ( những năm 1870 mới sáng chế ra máy phát điện ) , Pin Daniel ( được biết dưới ba tên khác nhau : Pin Crowfoot bởi vì dùng điện cực bằng Kẽm , Pin trọng lực bởi vì trọng lực giữ hai thanh phần Sulfate riêng biệt , và Pin ướt ngược lại với Pin khô bởi vì nó dùng chất lỏng làm chất điện phân ) đã được ứng dụng rộng rãi cho hoạt động điện báo và chuông cửa . Pin Daniel là Pin ướt bao gồm những tấm Đồng và Kẽm và Sulfate Đồng và Sulfate Kẽm .

Để làm Pin Daniel , tấm Đồng được đặt bên dưới cốc thuỷ tinh . Sulfate đồng hoà được đổ đầy vào tấm đồng khoảng một nửa cốc . Sau đó tấm Kẽm được treo trong cốc như hình trên . Sulfate Kẽm hoà tan được đổ cẩn thận vào trong cốc . Sulfate đồng nặng hơn Sulfate Kẽm nên Sulfate Kẽm nổi lên trên Sulfate Đồng .

Ắc quy đơn giản nhất bạn có thể chế tạo được gọi là Ắc quy Kẽm/Carbon . Bạn có bình đứng Acid Sulfuric (H₂SO₄ ) . Cho thanh Kẽm những vào dung dịch này , ngay lập tức Acid sẽ ăn mòn Kẽm . Bạn sẽ thấy khi Hydrogen sủi bong bóng phía Kẽm , lúc này thanh Kẽm và Acid sẽ bắt đầu nóng lên . Dưới đây là những gì sẽ xảy ra :

·Phân tử Acid lúc này vỡ thành ba Ion : hai Ion H⁺ và một Ion SO₄^--

·Nguyên tử Kẽm trên bề mặt của thỏi Kẽm mất hai điện tử (2e^- ) trở thành những Ion Zn^++.

·Những Ion Zn⁺⁺ kết hợp với Ion SO₄^--  để tạo thành ZnSO₄ mà tan vào trong Acid.

·Những điện tử từ nguyên tử Kẽm kết hợp với những Ion Hydrogen trong Acid để tạo thành phân tử H₂ ( khí Hydrogen ) . Chúng ta sẽ nhìn thấy khí Hydrogen ở dạng bong bóng trên thanh Kẽm .

 Nếu bây giờ bạn cho thành Carbon vào dung dịch trên , Acid không tác động gì tới thanh Carbon này . Những nếu bạn nối dây dẫn giữa thanh Kẽm với Carbon , có hai sự thay đổi :

• Những điện tử đi qua dây dẫn và kết hợp với Hydrogen trên thanh Carbon , do đó khí Hydrogen bắt đầu hết sôi ở thanh Carbon .


• Nhiệt lượng toả ra ít . Bạn có thể cung cấp năng lượng điện cho đèn hoặc những tải tương tự như thế bằng dòng điện tử qua dây dẫn , và có thể đo được điện áp và cường độ dòng điện trong dây dẫn . Do đó nhiệt năng chuyển thành điện năng .

Những điện tử di chuyển tới thanh Carbon bởi vì chúng dễ dàng kết hợp với Hydrogen tại đó . Điện áp của Ắc quy này đó được 0.76V . Khi Kẽm tan hết trong Acid hoặc khi những Ion Hydrogen của Acid được sử dụng hết thì Ắc quy bị chết .

 Trong mọi Ắc quy , có cùng phản ứng điện hoá xảy ra do sự di chuyển của những điện tử từ một cực này sang cực khác . Trong thực tế những kim loại và những chất điện phân khác nhau sẽ cho điện áp ra khác nhau . Ví dụ dưới đây là một Pin của Ắc quy Chì-Acid trong ô tô :

• Trong một Pin có một tấm Chì ( Pb ) và một tấm khác làm bằng Dioxide Chì , chúng được nhúng ngập trong chất điện phân Acid Sulfuric .


• Chì kết hợp với SO₄ để tạo thành PbSO₄ cộng với một điện tử .


• Dioxide Chì , những Ion Hydrogen và những Ion SO₄ , cộng những điện tử từ tấm Chì , tạo thành PbSO₄ và nước trên tấm Dioxide Chì .


• Khi Ắc quy phóng điện thì cả hai tấm đều có PbSO₄ và nước bên trong Acid . Mỗi Pin có điện áp 2V , khi kết hợp 6 Pin để tạo thành Ắc quy có điện áp 12V .

Ắc quy Chì-Acid có tính năng tốt - có phản ứng theo chiều ngược lại . Nếu bạn cấp một dòng điện với điện áp hợp lí , Chì và Dioxide Chì lại được phục hồi lại ban đầu và có thể dùng đi dùng lại được .

 Những Ắc quy hoá chất hiện nay :

 Những Ắc quy hiện đại dùng những chất hoá học khác nhau để tạo ra mức năng lượng điện hoá khác nhau . Thông thường bao gồm là :

• Ắc quy Kẽm-Carbon : hay còn gọi là Ắc quy Carbon . Chất hoá học Kẽm-Carbon hay được dùng trong những Ắc quy kiểu AA , C và D . Những điện cực là Kẽm và Carbon có lớp Acid ở giữa chúng dùng làm chất hiện phân .


• Ắc quy kiềm : được dùng trong Ắc quy Duracell và Energizer . Những điện cực là Kẽm và Oxide Mangan và chất điện phân là kiềm .


• Ắc quy Lithium : Lithium , Lithium-Iodide (LiI ) và Chì-Iodide (PbI₂ ) , được dùng trong Camera có khả năng cung cấp công suất điện năng cao .


• Ắc quy Chì-Acid : dùng cho ô tô , những điện cực bằng Chì và Dioxide Chì và dùng chất điện phân là Acid mạnh . Ắc quy loại này có khả năng sạc lại được .


• Ắc quy Nickel-Cadmium ( Ni-Cd ) : những điện cực bằng Hydroxide Nickel và Cadmium , dùng chất điện phân là Hydroxide Kali ( KOH ) . Ắc quy loại này có khả năng sạc lại được.


• Ắc quy NiMH : Loại này không bị tác động của “Hiệu ứng nhớ” như loại NiCd và có thể sạc lại được .


• Ắc quy Lithium-Ion : rất nhẹ mà cung cấp điện năng cao thường được dùng cho máy tính xách tay , điện thoại di động ( Chúng tôi cũng đã giới thiệu chi tiết về loại này trước kia ) . Ắc quy loại này có thể sạc lại được .


• Ắc quy Kẽm-Khí : loại này nhẹ hơn và có thể sạc lại được .


• Ắc quy Kẽm-Oxide Thuỷ ngân : hay được dùng cho những thiết bị trợ thính .


• Ắc quy Bạc-Kẽm : được ứng dụng trong lĩnh vực hàng không bởi bì có trọng lượng nhẹ mà cung cấp công suất điện lớn .


• Ắc quy Chloride kim loại ( Nhôm , Gali ...) dùng cho những xe chạy điện .

 Sự sắp xếp bên trong và công suất của Ắc quy

 Hầu hết trong các thiết bị dùng Ắc quy không phải dùng một Pin (Cell ) một lầm . Thông thường những Cell được nhóm lại với nhau nối tiếp để cho điệp áp cao hơn và nối song song với nhau để cho cường độ dòng điện cao hơn .

 Nối theo vị trí đầu tiên gọi là nối Song Song với nhau . Mỗi Cell có điện áp 1.5V , khi nối song song 04 Cell lại với nhau thì dòng điện sẽ tăng lên 04 lần so với chỉ có một Cell .

 Nối theo vị trí dưới là Nối tiếp 04 Cell 1.5V lại với nhau cho điện áp đầu ra 6V . Bình thường chúng ta đi mua Ắc quy thì sản phẩm sẽ nói cho biết điện áp và dòng điện của Ắc quy . Ví dụ : Camera dùng Ắc quy Nickel-Cadmium có 04 Cell và mỗi Cell có chỉ số kỹ thuận 1.25V-500mA/giờ (mAh) . 500mAh có nghĩa là theo lí thuyết mỗi Cell có thể cung cấp một dòng điện 500mA trong vòng một giờ . Lúc đó bạn có thể tính theo 500mAh có nghĩa là 5mA trong 100 giờ hoặc 10mA trong 50 giờ  và thậm trí 1A trong thời gian 30 phút ( tính theo lí thuyết ) .

 Tuy nhiên cũng không thể tính toán một cách thuần tuý như vậy . Chỉ có một điều tất cả Ắc quy có dòng điện lớn nhất mà chúng có thể sản sinh được - 500mAh không có nghĩa là 30A trong vòng 01 giây , bởi vì không có cách nào để những phản ứng hoá học trong Ắc quy lại xảy ra nhanh như vậy . Và tại mức dòng điện cao nhất , Ắc quy có thể sinh ra nhiều nhiệt năng và như vậy sẽ tiêu phí năng lượng . Như vậy thời gian sử dụng Ắc quy hoá chất lâu hay chóng phụ thuộc vào cường độ dòng điện sử dụng . Như vậy giá trị Ah ( Ampe giờ ) cho bạn một cách đánh giá chung nhất về thời gian sử dụng Ắc quy ở một mức tải ( tức là 500mA trong vòng một giờ ) .

 Nếu nối tiếp 04 Cell , mỗi Cell là 1.25V-500mA cho phép điện áp ra 5V ( 1.25 x 4 ) và 500mAh . Nếu Nối tiếp chúng lại thì cho 1.25V - 2000mAh.

 Hình trên cho thấy Ắc quy 9V , bao gồm 06 Pin nhỏ , mỗi Pin cung cấp điện áp 1.5V và mắc nối tiếp với nhau .

 Tại sao nhiều Ắc quy hình như bị chết nếu để chúng nghỉ một thời gian sau đó quay lại thì lại sống :

 Để hiểu rõ nguyên nhân này , thì chúng ta cần hiểu cấu tạo bên trong và cách thức hoạt động của Ắc quy như đã nói bên trên . Lấy Ắc quy Kẽm-Carbon cho đơn giản làm ví dụ . Lấy thanh Kẽm và Carbon nhúng nhập trong dung dịch điện phân là Acid Sulfuric , lấy dây dẫn nối hai điện cực Kẽm và Carbon , Như vậy đã tạo ra một Ắc quy . Những điện tử sẽ di chuyển qua dây dẫn từ miếng Kẽm sang miếng Carbon . Khí Hydrogen tạo thành bọt khí nổi lên trên trên thanh Carbon và trong một thời gian ngắn sẽ phủ kín toàn bộ bề mặt của thanh Carbon . Lớp khí Hydrogen phủ đầy lên thanh điện cực ngăn không cho phản ứng hoá học xảy ra trong Cell và có vẻ như Ắc quy bị chết . Nếu bạn để Ắc quy nghỉ một thời gian , khí Hydrogen hoà tan vào trong dung dịch điện phân và Ắc quy lại sống lại .

 Trong mọi Ắc quy như : Ắc quy kiềm ( dùng đèn Flash ) hoặc Ắc quy chì ( trong ô tô ) đôi khi bị tình trạng như vậy . Sản phẩm của phản ứng hoá học bao trùm lên hai điện cực của Ắc quy làm cho tốc độ phản ứng hoá học chậm đi vì thế sinh ra cường độ dòng điện yếu . Để cho Ắc quy nghỉ một lúc , những chất của phản ứng hoá học tan vào trong chất điện phân lúc này Ắc quy sẽ hoạt động tốt trở lại .

 Nhiều Ắc quy dùng nhiều Cell để tạo ra điện áp cao . Nếu một Cell có vấn đề thì có vẻ như Ắc quy bị chết . Bạn có thể kiểm tra xem Cell nào bị hỏng và thay thế nó , lúc đó Ắc quy sẽ lại hoạt động tốt trở lại .