Bài học

Pin điện hoá trong thực tế: pin khô, ắc quy và pin sạc

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được pin sơ cấp (dùng một lần) và pin thứ cấp (sạc lại được), mô tả được nguyên lí hoạt động cơ bản của pin khô Zn– $MnO_2$ và ắc quy chì–acid, và giải thích được vì sao ắc quy có thể nạp điện trở lại.

Sau bài này, em phân biệt được pin sơ cấp (dùng một lần) và pin thứ cấp (sạc lại được), mô tả được nguyên lí hoạt động cơ bản của pin khô Zn–$MnO_2$ và ắc quy chì–acid, và giải thích được vì sao ắc quy có thể nạp điện trở lại.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho em mô hình lý tưởng của pin điện hoá: hai điện cực, hai dung dịch, cầu muối. Các thiết bị thật ngoài đời không có cầu muối lỏng lẻo như vậy — chúng được đóng gói gọn thành pin khô hoặc bình kín, nhưng bản chất vẫn là một phản ứng oxi hoá – khử tách electron ra mạch ngoài.

Khởi động

Điện thoại dùng pin lithium-ion sạc đi sạc lại được hàng trăm, hàng nghìn lần; còn viên pin con thỏ trong chiếc điều khiển tivi dùng hết là phải bỏ, không sạc lại được. Hai loại pin này khác nhau ở điểm nào trong bản chất hoá học?

Kiến thức trọng tâm

Pin được chia thành hai nhóm theo khả năng tái sử dụng. Pin sơ cấp (pin một lần) có phản ứng điện hoá gần như chỉ xảy ra theo một chiều; khi chất phản ứng cạn, pin hết điện vĩnh viễn. Đại diện quen thuộc là pin khô Zn– $MnO_2$ (pin Leclanché, loại pin con thỏ): vỏ Zn vừa là điện cực vừa là vỏ bọc ngoài đóng vai trò anode (bị oxi hoá: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$ ), lõi than chì trộn bột $MnO_2$ ở giữa đóng vai trò cathode (khử: $2MnO_2 + 2NH_4^{+} + 2e^{-} \to Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O$ ), chất điện li là hồ $NH_4Cl$ ẩm. Suất điện động của pin khô khoảng 1,5 V.

Pin được chia thành hai nhóm theo khả năng tái sử dụng. **Pin sơ cấp** (pin một lần) có phản ứng điện hoá gần như chỉ xảy ra theo một chiều; khi chất phản ứng cạn, pin hết điện vĩnh viễn. Đại diện quen thuộc là **pin khô Zn–$MnO_2$** (pin Leclanché, loại pin con thỏ): vỏ Zn vừa là điện cực vừa là vỏ bọc ngoài đóng vai trò anode (bị oxi hoá: $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$), lõi than chì trộn bột $MnO_2$ ở giữa đóng vai trò cathode (khử: $2MnO_2 + 2NH_4^{+} + 2e^{-} \to Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O$), chất điện li là hồ $NH_4Cl$ ẩm. Suất điện động của pin khô khoảng 1,5 V.

Pin thứ cấp (pin sạc lại được) có phản ứng điện hoá thuận nghịch: khi phóng điện (dùng pin), phản ứng chạy theo chiều tạo dòng điện giống pin thường; khi nạp điện, ta cấp một dòng điện ngoài chạy ngược chiều — thực chất là điện phân — để đảo ngược phản ứng, phục hồi lại chất phản ứng ban đầu. Đại diện quen thuộc là ắc quy chì–acid (dùng trong xe máy, ô tô): điện cực Pb (anode khi phóng điện) và điện cực $PbO_2$ (cathode khi phóng điện), chất điện li là dung dịch $H_2SO_4$ . Phản ứng thuận nghịch tổng quát: $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$ — chiều thuận (sang phải) là lúc phóng điện sinh ra dòng điện dùng được, chiều nghịch (sang trái) là lúc nạp điện, dùng điện bên ngoài để phục hồi Pb và $PbO_2$ . Pin lithium-ion trong điện thoại, laptop cũng là pin thứ cấp, dựa trên nguyên lí ion $Li^{+}$ di chuyển thuận nghịch giữa hai điện cực.

**Pin thứ cấp** (pin sạc lại được) có phản ứng điện hoá thuận nghịch: khi phóng điện (dùng pin), phản ứng chạy theo chiều tạo dòng điện giống pin thường; khi **nạp điện**, ta cấp một dòng điện ngoài chạy ngược chiều — thực chất là **điện phân** — để đảo ngược phản ứng, phục hồi lại chất phản ứng ban đầu. Đại diện quen thuộc là **ắc quy chì–acid** (dùng trong xe máy, ô tô): điện cực Pb (anode khi phóng điện) và điện cực $PbO_2$ (cathode khi phóng điện), chất điện li là dung dịch $H_2SO_4$. Phản ứng thuận nghịch tổng quát: $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$ — chiều thuận (sang phải) là lúc phóng điện sinh ra dòng điện dùng được, chiều nghịch (sang trái) là lúc nạp điện, dùng điện bên ngoài để phục hồi Pb và $PbO_2$. Pin lithium-ion trong điện thoại, laptop cũng là pin thứ cấp, dựa trên nguyên lí ion $Li^{+}$ di chuyển thuận nghịch giữa hai điện cực.

Phân loại pin sơ cấp và pin thứ cấp cùng các ví dụ thường gặp.

Ví dụ

Xác định bán phản ứng và suất điện động của pin khô

1
Pin khô Zn– $MnO_2$ có anode là vỏ Zn và cathode là hỗn hợp than chì – $MnO_2$ . Viết bán phản ứng ở mỗi điện cực và cho biết vì sao đây là pin sơ cấp.
Pin khô Zn–$MnO_2$ có anode là vỏ Zn và cathode là hỗn hợp than chì – $MnO_2$. Viết bán phản ứng ở mỗi điện cực và cho biết vì sao đây là pin sơ cấp.
2
Anode (oxi hoá): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$ . Cathode (khử): $2MnO_2 + 2NH_4^{+} + 2e^{-} \to Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O$ .
Anode (oxi hoá): $Zn \to Zn^{2+} + 2e^{-}$. Cathode (khử): $2MnO_2 + 2NH_4^{+} + 2e^{-} \to Mn_2O_3 + 2NH_3 + H_2O$.
3
Vỏ Zn bị ăn mòn dần thành $Zn^{2+}$ tan vào hồ điện li, và $MnO_2$ bị khử thành $Mn_2O_3$ không thể tự đảo ngược bằng cách nạp điện thông thường — cấu trúc điện cực và sản phẩm phản ứng không phục hồi được nguyên trạng.
Vỏ Zn bị ăn mòn dần thành $Zn^{2+}$ tan vào hồ điện li, và $MnO_2$ bị khử thành $Mn_2O_3$ không thể tự đảo ngược bằng cách nạp điện thông thường — cấu trúc điện cực và sản phẩm phản ứng không phục hồi được nguyên trạng.
4
Vậy khi Zn hoặc $MnO_2$ cạn, pin khô hết điện vĩnh viễn — đây là pin sơ cấp, không sạc lại được.
Vậy khi Zn hoặc $MnO_2$ cạn, pin khô hết điện vĩnh viễn — đây là pin sơ cấp, không sạc lại được.

Ví dụ

Phân biệt chiều phóng điện và nạp điện của ắc quy chì–acid

1
Cho phản ứng thuận nghịch của ắc quy chì–acid: $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$ . Xác định chiều phản ứng khi xe đang chạy (dùng ắc quy) và khi ắc quy đang được nạp điện, đồng thời giải thích tại sao quá trình nạp điện thực chất là điện phân.
Cho phản ứng thuận nghịch của ắc quy chì–acid: $Pb + PbO_2 + 2H_2SO_4 \rightleftharpoons 2PbSO_4 + 2H_2O$. Xác định chiều phản ứng khi xe đang chạy (dùng ắc quy) và khi ắc quy đang được nạp điện, đồng thời giải thích tại sao quá trình nạp điện thực chất là điện phân.
2
Khi xe chạy, ắc quy cấp điện cho hệ thống — phản ứng xảy ra theo chiều thuận (sang phải): Pb và $PbO_2$ chuyển thành $PbSO_4$ , đồng thời sinh ra dòng điện tự phát giống một pin điện hoá bình thường.
Khi xe chạy, ắc quy cấp điện cho hệ thống — phản ứng xảy ra theo chiều thuận (sang phải): Pb và $PbO_2$ chuyển thành $PbSO_4$, đồng thời sinh ra dòng điện tự phát giống một pin điện hoá bình thường.
3
Khi nạp điện (máy phát của xe hoặc bộ sạc ngoài cấp dòng điện một chiều vào ắc quy), phản ứng bị ép chạy theo chiều nghịch (sang trái): $PbSO_4$ và $H_2O$ chuyển ngược lại thành Pb, $PbO_2$ và $H_2SO_4$ .
Khi nạp điện (máy phát của xe hoặc bộ sạc ngoài cấp dòng điện một chiều vào ắc quy), phản ứng bị ép chạy theo chiều nghịch (sang trái): $PbSO_4$ và $H_2O$ chuyển ngược lại thành Pb, $PbO_2$ và $H_2SO_4$.
4
Chiều nghịch này không tự xảy ra (ngược chiều tự phát của pin), nên phải dùng dòng điện từ nguồn bên ngoài để cưỡng bức phản ứng chạy ngược — đúng định nghĩa của điện phân: dùng điện năng để thực hiện phản ứng không tự xảy ra.
5
Vậy khi xe chạy, ắc quy hoạt động như một pin (chiều thuận, tự phát); khi nạp điện, ắc quy hoạt động như một bình điện phân (chiều nghịch, cưỡng bức) — cùng một cặp điện cực nhưng đóng hai vai trò khác nhau theo hai chiều phản ứng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều em nghĩ rằng nạp điện là "tạo ra điện mới" bên trong ắc quy. Thực ra nạp điện không sinh thêm năng lượng — nó dùng điện năng lấy từ nguồn ngoài (máy phát, bộ sạc) để đảo ngược phản ứng hoá học, phục hồi lại Pb và $PbO_2$ đã bị tiêu hao khi phóng điện. Ắc quy chỉ là nơi lưu trữ năng lượng dưới dạng hoá năng, không phải nơi tạo ra năng lượng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Pin sơ cấp (pin khô Zn– $MnO_2$ …) phản ứng gần như một chiều, dùng hết là hỏng. Pin thứ cấp (ắc quy chì–acid, pin lithium-ion…) phản ứng thuận nghịch: phóng điện chạy chiều thuận như một pin tự phát, nạp điện chạy chiều nghịch — thực chất là điện phân dùng dòng điện ngoài.

Pin sơ cấp (pin khô Zn–$MnO_2$…) phản ứng gần như một chiều, dùng hết là hỏng. Pin thứ cấp (ắc quy chì–acid, pin lithium-ion…) phản ứng thuận nghịch: phóng điện chạy chiều thuận như một pin tự phát, nạp điện chạy chiều nghịch — thực chất là điện phân dùng dòng điện ngoài.

Cầu nối

Bài trước nói phản ứng tự xảy ra sinh ra điện; bài vừa rồi cho thấy nạp ắc quy là đi theo chiều ngược lại. Chương sau đi sâu vào chính chiều ngược đó: dùng dòng điện để bắt buộc một phản ứng không tự xảy ra — điện phân.