Giải pháp nào tăng thời lượng pin smartphone

Đặt vấn đề

 

Năm 1965, Gordon Moore – nhà đồng sáng lập hãng Intel đưa ra tuyên bố nổi tiếng được biết đến với tên gọi “Định luật Moore”: Số lượng bóng bán dẫn (transistors) trên mỗi đơn vị diện tích mạch tích hợp sẽ liên tục tăng gấp đôi theo chu kỳ 12 tháng (sau được thay đổi thành 18 tháng). Định luật Moore là bước ngoặt lớn của ngành công nghiệp điện tử, nó giải thích tại sao nhà sản xuất có thể hạ giá thành trong khi vẫn tiếp tục nâng cao hiệu suất phần cứng.

 

Trong một thập niên trở lại đây, những giới hạn vật lý khiến Định luật Moore không còn đúng nữa. Tuy nhiên, các hãng công nghệ luôn tìm ra những giải pháp mới, như thay đổi vật liệu làm chip hay áp dụng công nghệ điện toán song song; nhờ đó, tốc độ tính toán của vi xử lý tiếp tục được gia tăng theo cấp số nhân.

 

Mặt trái của định luật trên là ở chỗ: Tốc độ xử lý cao đương nhiên gắn liền với mức tiêu thụ điện năng cao. Trong kỉ nguyên bùng nổ các thiết bị di động, vấn đề này thu hút mối quan tâm đặc biệt, khi smartphones và máy tính bảng cấu hình “khủng” đòi hỏi những viên pin cũng “khủng” không kém. Tuy nhiên, công nghệ làm pin cải tiến rất chậm chạp (pin Lithium ion được thương mại hóa từ năm … 1991!), dẫn đến một thực tế: Dung lượng pin chỉ tăng trưởng theo cấp số cộng, không bắt kịp tốc độ phát triển của các khía cạnh phần cứng khác.

 

Thông báo hết pin dường như đã trở nên quen thuộc với người dùng.

 

Một câu hỏi được đặt ra: Trong tương lai, cần có những cải tiến nào để các thiết bị trên vừa tiếp tục quy luật nâng cao khả năng xử lý, vừa ổn định và kéo dài thời lượng sử dụng? Bài viết dưới đây sẽ đi tìm câu trả lời từ cả hai góc độ: Công nghệ làm pin và công nghệ tiết kiệm năng lượng trên các thiết bị di động.

 

Công nghệ pin

 

Phát triển theo chiều rộng (tăng kích thước)

 

Trong bối cảnh thiếu hụt những giải pháp công nghệ mới, tăng kích thước là cách thức đơn giản và phổ biến nhất đối với các nhà sản xuất để tăng dung lượng pin.

 

Dung lượng pin của ba mẫu smartphones tính từ năm 2009 đến nay.

 

Không bất ngờ khi các dòng sản phẩm trên đều có xu hướng nâng cao dung lượng pin qua từng phiên bản nhằm đáp ứng các thay đổi về phần cứng. Dù vậy, mức tăng không cao (thường chỉ vài chục hoặc vài trăm mAh một lần nâng cấp) - do những hạn chế về trọng lượng và kích thước đối với các smartphones là khá ngặt nghèo.

 

Kích thước pin New iPad (bên phải) khi đặt cạnh pin iPad 2 (bên trái).

 

So với smartphones cùng thế hệ, máy tính bảng lớn hơn, nặng hơn và mạnh hơn một cách tương đối. Vì vậy, cải tiến về pin ở những sản phẩm này cũng rõ rệt hơn. Lấy ví dụ, New iPad có dung lượng pin tăng 70% so với iPad 2, tương đương với gần 5000mAh. Tuy nhiên, kích thước pin cũng tăng lên đáng kể, khiến mẫu iPad mới nhất dày hơn 0,6 mm và nặng hơn 60 gram so với phiên bản liền trước nó.

 

Phát triển theo chiều rộng chỉ nên được sử dụng như một biện pháp tăng trưởng trong ngắn hạn, vì sớm hay muộn kích thước pin cũng sẽ chạm đến kích thước hợp lý tối đa của thiết bị - không người dùng nào muốn sở hữu một chiếc điện thoại cấu hình cực cao nhưng nặng trịch, có pin chiếm 80 - 90% tổng khối lượng thân máy cả.

 

Phát triển theo chiều sâu (nghiên cứu – phát triển các công nghệ mới)

 

Cải tiến pin Lithium – ion?

 

Trong thời điểm hiện tại, Li-ion vẫn là loại pin phổ biến nhất trên các thiết bị di động, nhờ những ưu điểm vượt trội của nó so với những dòng pin khác: kích thước nhỏ, gọn, nhẹ nhưng có mật độ năng lượng rất cao và đặc biệt là không có hiệu ứng nhớ như các pin truyền thống trước đó. Pin Li-ion cho phép người dùng có thể sạc-xả bất kỳ lúc nào, việc lưu trữ cũng không đòi hỏi các điều kiện khắt khe, trong khi luôn cung cấp năng lượng với hiệu suất cao.

 

Cơ chế hoạt động của Li-ion khá đơn giản nhưng hiệu quả. Khi ta sạc Pin (Li-ion) các Ion Li+ trong bản cực dương sẽ tiến sang bản cực âm và đính vào cấu trúc mạng Carbon tại đó. Khi ta sử dụng Pin, quá trình trên được thực hiện theo chiều ngược lại, từ đó cung cấp năng lượng cho hệ thống. Phương pháp tăng thời lượng pin tốt nhất chính là việc cải tiến quá trình này, trên cả hai phương diện: vật lý và hóa học.

 

Cấu trúc cực âm (anode) của pin Li-ion. Các phân tử Carbon có màu xanh lá, các ion Li+ có màu xanh dương.

 

Trên các mẫu pin Li-ion hiện nay, cực âm được làm từ cấu trúc mạng Carbon với nguyên tắc: 6 nguyên tử Carbon đi kèm với 1 ion Li+. Một hướng đi mới được mở ra khi một số thử nghiệm cho thấy Silicon còn hiệu quả hơn Carbon, vì chỉ cần 4 nguyên tử Si đã có thể mang 1 ion Li+. Tuy nhiên, chất liệu này giãn nở, co rút rất mạnh trong quá trình sạc, dẫn đến tình trạng phân mảnh và giảm dung lượng pin rất nhanh.

 

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học tại Mĩ đã nghiên cứu và đưa ra hai giải pháp khắc phục vấn đề trên: Một mặt, họ chèn các tấm lưới Silicon vào giữa các lớp Carbon ở điện cực, để gia tăng khả năng lưu trữ ion Li+; mặt khác, họ sử dụng các phản ứng oxi hóa–khử để tạo ra những lỗ hổng kích thước từ 10-20 nanomet, tạo nên những lối tắt (short-cuts) đưa ion Li+ vào tương tác với các tấm lưới Silicon này. Những thay đổi này, theo kết quả nghiên cứu, có thể giúp gia tăng thời lượng pin lên gấp 10 lần so với loại pin Li-ion Carbon thông thường có cùng kích cỡ.

 

Phát minh ra những nguồn năng lượng hoàn toàn khác?

 

SoftBank 936SH - một dòng điện thoại có thể sử dụng năng lượng mặt trời.

 

Rất nhiều những ý tưởng sáng tạo đã được đưa ra, tuy nhiên phần lớn trong số đó đều không có khả năng áp dụng thực tiễn. Nhiều nhà sản xuất đã thử nghiệm tích hợp pin mặt trời trên điện thoại; tuy nhiên, sau khi “phơi” thiết bị dưới ánh nắng chói chang trong 1 giờ đồng hồ liên tục, dung lượng pin chỉ hồi phục được tối đa 10%. Một số hãng khác thậm chí còn đưa ra ý tưởng về việc sạc pin bằng năng lượng từ sóng âm. Hãy thử tưởng tượng, mỗi lần thực hiện cuộc gọi, chiếc điện thoại sẽ không hề sụt pin vì được cung cấp năng lượng từ … chính giọng nói của chúng ta?

 

Thế giới công nghệ chuyển động không ngừng, và chưa biết chừng, một ngày những ý tưởng trên sẽ trở thành hiện thực? Tăng trưởng dung lượng pin, trong dài hạn, chắc chắn phải dựa trên những cải tiến kĩ thuật, hay phát triển theo chiều sâu như đã phân tích bên trên.

 

Các công nghệ tiết kiệm năng lượng

 

Để nâng cao thời lượng sử dụng pin, còn đó một yếu tố khác cũng quan trọng không kém – thúc đẩy áp dụng các công nghệ thân thiện với năng lượng trên các thiết bị di động. Ngày nay, các linh kiện phần cứng không những sở hữu tốc độ xử lý ngày càng cao, kích thước ngày càng nhỏ gọn, chúng còn tiêu thụ ngày càng ít năng lượng hơn trước.

 

Nvidia Tegra 3 sở hữu lõi phụ (Companion) chỉ chuyên thực hiện các tác vụ đơn giản.

 

Các bộ vi xử lý tiết kiệm năng lượng theo nhiều cách khác nhau. Thứ nhất, chúng được thiết kế để chạy ở những tốc độ khác nhau tùy thuộc vào trạng thái hoạt động của thiết bị. Thứ hai, các nhà sản xuất phần cứng cũng đã tạo ra những loại chip tích hợp cùng lúc nhiều chức năng, ví dụ như chip Qualcomm trong New iPad quản lý cùng lúc các kết nối 3G, 4G, Bluetooth, Wi-Fi và thậm chí cả tính năng Radio. Thêm vào đó, những thiết kế công nghệ thân thiện với năng lượng tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Lấy ví dụ, chip lõi tứ Nvidia Tegra 3 được quảng cáo sẽ sở hữu thêm một lõi thứ 5 dành cho các tác vụ nhẹ nhàng như phát lại video hoặc duy trì chế độ chờ.

 

 

Cảm biến ánh sáng giúp tiết kiệm đáng kể điện năng tiêu thụ.

 

Công nghệ màn hình cũng đạt được những bước tiến lớn trong hiệu quả sử dụng năng lượng. Đèn nền màn hình sử dụng ít điện năng hơn, ngay cả với những độ phân giải cao. Nhiều thiết bị được tích hợp các loại cảm biến ánh sáng, giúp điều chỉnh độ sáng màn hình phù hợp với điều kiện ánh sáng môi trường.

 

 

Giao diện của phần mềm iamgreen.

 

Các phần mềm cũng được tối ưu hóa để sử dụng năng lượng có hiệu quả. Nhiều phần mềm sở hữu lựa chọn Power-saver, giúp người dùng đạt được thời lượng sử dụng cao hơn; trong khi một số khác, như ví dụ của iamgreeen, lại hỗ trợ việc tinh chỉnh các tùy chọn của thiết bị, nhằm tắt các tính năng không cần thiết. Sử dụng hợp lý những phần mềm này, chắc chắn thiết bị của bạn sẽ tiết kiệm được một phần năng lượng đáng kể.

 

Kết luận

 

Như đã phân tích trong bài viết, có ba cách thức để gia tăng thời lượng pin các thiết bị di động: Phát triển theo chiều rộng, phát triển theo chiều sâu, và đẩy mạnh áp dụng những công nghệ thân thiện với môi trường. Những cải tiến này không loại trừ nhau; trên thực tế, chúng thường được áp dụng đồng thời để đạt hiệu quả tối đa.

 

Vấn đề về thời lượng pin các thiết bị di động đã, đang và sẽ là một chủ đề khiến các nhà sản xuất đau đầu tìm kiếm lời giải. Tuy nhiên, với những nỗ lực nghiên cứu không ngừng và nhiều ý tưởng chưa được hiện thực hóa, chúng ta hoàn toàn có thể tin tưởng vào những mẫu sản phẩm vừa sở hữu cấu hình cao, vừa có thời lượng pin khủng trong tương lai không xa.