Nhìn lại lịch sử phát triển pin Lithium-ion mới thấy, việc phát minh ra viên pin mang tính cách mạng này không hề dễ chút nào

Vào ngày 9/10 vừa qua, ba nhà khoa học John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham và Akira Yoshino đã được vinh danh với giải Nobel Hóa học 2019 vì những công trình nghiên cứu phát triển pin lithium-ion, phần linh kiện không thể thay thế trên những thiết bị điện tử hiện tại. 

Chân dung 3 nhà khoa học đại giải Nobel hóa học 2019

Với nghiên cứu đột phá của ba nhà khoa học đoạt giải Nobel Hóa học 2019, nhân loại đã bước vào một kỷ nguyên mới, thay đổi hoàn toàn cuộc sống của con người hiện đại.

Với khả năng sạc đi sạc lại hàng trăm lần, viên pin lithium-ion đang đóng vai trò cung cấp năng lượng cho mọi thiết bị điện tử của chúng ta hiện nay, từ điện thoại di động, laptop, máy tính bảng, máy chơi game…cho đến những chiếc xe chạy bằng điện.

Tuy nhiên, để có thể tạo ra một viên pin có khả năng hoạt động như hiện tại, việc phát triển pin lithium-ion đã kéo dài trong suốt hàng chục năm, bắt đầu từ thời điểm cách đây hơn 40 năm.

Mất hàng chục năm để pin lithium-ion từ con số 0 trở thành sản phẩm thương mại hóa

Theo đó, việc phát minh pin lithium-ion bắt đầu từ những năm thập niên 70, khi thế giới diễn ra cuộc khủng hoảng dầu mỏ. Vào thời điểm đó, nhà khoa học M Stanley Whittingham đang nghiên cứu về công nghệ năng lượng mới không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá. Trong quá trình nghiên cứu, ông đã phát hiện ra loại vật liệu có tên titanium sulphide, kết hợp với kim loại liti thuần được dùng để chế tạo cực âm, cực dương sử dụng trong pin lithium. 

Nhà khoa học M Stanley Whittingham là người khởi xướng việc phát triển pin lithium-ion

Mặc dù vậy, do Liti là một kim loại hoạt động mạnh nên khi tiếp xúc với không khí dễ dàng xảy ra các phản ứng hóa học gây nguy hiểm. Chính vì vậy, mô hình pin dùng liti thuần làm cực dương đã không được chấp nhận. Cùng thời gian này, J. O. Besenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa than chì và cathode bằng oxit kim loại.

Ở tuổi 97, ông Goodenough cũng là người cao tuổi nhất từ trước đến nay nhận giải Nobel

Dựa trên những phát hiện trước đó của ông Whittingham, nhà khoa học John B Goodenough tiếp tục có thêm những bước tiến trong việc phát triển công nghệ pin.

Vào năm 1979, cùng với cộng sự Koichi Mizushima, ông Goodenough đã chế tạo một loại pin sạc tạo ra dòng khoảng 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 ổn định cao nên có thể cung cấp các ion liti nhằm tạo ra dòng điện. Khả năng này đã mở ra triển vọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho các thế hệ pin hoàn toàn mới có thể sạc lại một cách dễ dàng.

Tuy nhiên, sự phát triển của viên pin Lithium-ion vẫn chưa dừng lại. Những thành quả thu được của Whittingham và Goodenough tiếp tục được nhà khoa học Nhật Bản Akira Yoshino kế thừa.

Dựa trên thành quả trước đó, nhà khoa học Nhật Bản Akira Yoshino đã giúp viên pin lithium-ion trở nên phổ biến

Vào năm 1985, Yoshino đã tạo ra một nguyên mẫu đầu tiên có khả năng thương mại hóa. Ông đã thay thế cực dương chưa kim loại lithium dễ cháy của Whittingham bằng các ion lithium từ "than cốc dầu mỏ", một sản phẩm phụ giống như than của quá trình lọc dầu. hính vì lý do này, thế hệ pin Li-ion đã được hoàn thiện và an toàn hơn rất nhiều so với trước đây. Yoshino say đí đã xin cấp bằng sáng chế vào cùng năm.

Pin lithium-ion trên Galaxy Note 4

Pin Lithium-ion đã được thương mại hóa vào năm 1991 bởi Sony. Ngay từ khi được mở bán, nó đã tạo ra thành công ngoài sức tưởng tượng: Sony đã bán được 3 triệu viên pin vào năm 1993, và tới 15 triệu viên pin chỉ một năm sau đó. Cũng từ đó, chúng đã mở ra một thời đại công nghệ mới, cung cấp năng lượng mạnh mẽ cho các thiết bị điện tử phổ biến ngày nay như máy tính xách tay hay điện thoại di động.

Tuy nhiên, hiện công nghệ này đã đến mức giới hạn, đòi hỏi con người phải tìm kiếm, sáng chế ra loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng mới, mạnh hơn, nhẹ hơn và an toàn hơn.

Đáng chú ý, vào năm 2017, nhà khoa học John Goodenough mặc dù khi đó đã 95 tuổi, vẫn tiếp tục nghiên cứu và phát triển một loại pin mới có chất lượng tốt gấp nhiều lần so với viên pin lithium-ion. Cùng cộng sự của mình, bà Helena Braga, ông Goodenough đã phát triển một loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều gấp 3 lần so với các loại pin hiện nay và thời gian sạc chỉ tính bằng phút. Chưa hết, độ bền của pin còn tỉ lệ thuận với số lần sạc/xả sạc.