Pin Natri-Ion, tương lai thay thế pin Lithium-Ion?

Pin natri-ion đang nổi lên như một giải pháp thay thế cho lithium-ion. Các công ty pin lithium nổi tiếng như CATL và Reliance Industries, đang quyết tâm đưa công nghệ ra khỏi phòng thí nghiệm và sản xuất hàng loạt. Trong bối cảnh giá cả tăng vọt và sự thiếu hụt dự đoán của vật liệu pin lithium-ion, pin natri-ion chưa bao giờ thú vị hơn thế.

Pin natri-ion ( NIB hoặc SIB ) là gì?

Pin natri-ion ( NIB hoặc SIB ) là một loại pin có thể sạc lại tương tự như pin lithium-ion nhưng sử dụng ion natri (Na+) làm chất mang điện. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tế bào của nó gần giống với nguyên lý hoạt động của các loại pin lithium-ion được bán rộng rãi trên thị trường, nhưng các hợp chất natri được sử dụng thay vì các hợp chất lithium.

Pin natri-ion (Na-ion) cung cấp khả năng bảo vệ môi trường vượt trội, nâng cao độ an toàn và chi phí nguyên liệu thô rẻ hơn so với pin lithium-ion (Li-ion). Ngoài ra, pin natri-ion cũng hứa hẹn hiệu suất mạnh mẽ và những cải tiến liên tục về mật độ năng lượng và tốc độ cải thiện chu kỳ sử dụng đang làm cho loại pin với công thức hóa học này trở nên đặc biệt thú vị.

Nguyên tắc hoạt động của pin natri-ion

Pin natri-ion bao gồm cực âm dựa trên vật liệu chứa natri, cực dương (không nhất thiết phải là vật liệu dựa trên natri) và chất điện phân lỏng chứa muối natri phân ly trong dung môi protic hoặc aprotic phân cực. Trong quá trình sạc, các ion Na+ được tách ra từ cực âm và đưa vào cực dương trong khi các electron di chuyển qua mạch bên ngoài. Trong quá trình phóng điện, quá trình ngược lại xảy ra khi các ion natri được tách ra khỏi cực dương và đưa lại vào cực âm với các điện tử di chuyển qua mạch bên ngoài thực hiện công việc phóng điện hữu ích.

Pin natri-ion một giải pháp thay thế khả thi cho pin Lithium-ion

Max Reid, nhà phân tích nghiên cứu tại Wood Mackenzie cho biết: “Công nghệ ion natri vẫn còn sơ khai nhưng là một giải pháp thay thế khả thi cho các công nghệ Lithium-ion, tùy thuộc vào mức độ sẵn sàng đầu tư của các công ty”.

Natri dồi dào hơn nhiều lần so với liti, thực tế có nguồn cung cấp vô hạn, với chi phí khai thác thấp hơn nhiều.

“Trong ngắn hạn, chi phí sản xuất pin natri-ion còn cao do các nhà sản xuất muốn đạt quy mô sản xuất vào giữa những năm 2020” Reid nói. Trong thời điểm này, nhu cầu về pin trong lĩnh vực EV sẽ tăng từ 0,6TWh vào năm 2022 lên 2,8TWh vào năm 2030, một sự bùng nổ quá sớm đối với thị trường Na-ion.

Theo WoodMac, pin Natri-ion dự kiến sẽ thay thế một phần pin LFP trong xe điện chở khách và lưu trữ năng lượng, đạt 20GWh vào năm 2030. Reid nói: “Chúng tôi kỳ vọng công nghệ Na-ion sẽ chiếm được thị phần thống trị của Lithium-ion, tuy nhiên vẫn còn nhiều ẩn số cần được giải quyết.” Giá vật liệu pin rõ ràng sẽ ảnh hưởng đến kết quả. Nếu giá lithium tiếp tục tăng, thì Natri-ion có thể sớm trở nên hấp dẫn hơn và nhanh chóng chiếm được thị phần lớn hơn.

Quá trình sản xuất cũng phải vượt qua giai đoạn sơ khai, nhưng với việc các công ty công nghiệp nặng ký đổ vào nguồn lực và kinh nghiệm sản xuất, Natri-ion dường như đang tiến bộ rất nhanh.

So sánh pin natri-ion so với các loại pin khác

Bảng so sánh pin natri-ion với các loại pin khác
 

Lưu ý
Số chu kỳ sạc-xả mà pin hỗ trợ phụ thuộc vào nhiều cân nhắc, bao gồm độ sâu xả, tốc độ xả, tốc độ sạc và nhiệt độ. Các giá trị được hiển thị ở đây phản ánh các điều kiện thuận lợi nói chung.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến hành vi sạc, dung lượng và tuổi thọ của pin và ảnh hưởng đến từng điều này một cách khác nhau, ở các phạm vi nhiệt độ khác nhau cho từng loại. Các giá trị được đưa ra ở đây là phạm vi chung cho hoạt động của pin.

Giga fabs

Vào ngày cuối cùng của năm 2021, tập đoàn Reliance Industries của Ấn Độ cho biết đơn vị năng lượng mặt trời của họ sẽ mua công ty tiên phong về công nghệ pin Natri-ion Faradion có trụ sở tại Anh với giá 100 triệu GBP (136 triệu USD), bao gồm cả nợ. Động thái này đánh dấu thương vụ mua lại thứ sáu của Reliance trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Đây là một phần trong kế hoạch 10 tỷ đô la đầy tham vọng của họ nhằm sản xuất và tích hợp đầy đủ tất cả “các thành phần quan trọng của hệ sinh thái Năng lượng Mới”, trải dài mọi giai đoạn của chuỗi cung ứng năng lượng mặt trời, pin, chất điện phân và pin nhiên liệu.

Theo kế hoạch, tập đoàn – bao gồm tất cả mọi thứ từ dệt may và sợi polyester đến hóa dầu và lọc dầu – sẽ xây dựng một số gigafactories tại Ấn Độ vào năm 2024. Về tham vọng sản xuất Na-ion của mình, Giám đốc điều hành Faradion James Quinn nói rằng kế hoạch này là để xây dựng fab hàng chục gigawatt giờ.

Li-ion đã có một khởi đầu trong nhiều thập kỷ khi đạt đến khối lượng sản xuất lớn, giảm chi phí khi được mở rộng quy mô.

Faradion là công ty đầu tiên về công nghệ pin Na-ion hơn 10 năm trước và cơ bản là không có đối thủ. Quinn nói: “Chúng tôi thực sự mới bắt đầu đầu tư mạnh. Nhưng sự quan tâm đã tăng lên, và một số công ty đã xuất hiện. Chúng bao gồm công ty công nghệ Pin HiNa (một chi nhánh của Học viện Khoa học Trung Quốc), Tiamat (đến từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp), Natron Energy (một chi nhánh từ Đại học Stanford, Hoa Kỳ), Altris AB (bắt đầu bởi một nhóm từ Đại học Uppsala có trụ sở tại Thụy Điển), tất nhiên Công ty TNHH Công nghệ Amperex Đương đại của Trung Quốc (CATL).

Cuối cùng, Na-ion sẽ là một công nghệ bổ sung cho Li-ion, thay vì một công nghệ cạnh tranh. Hai công nghệ pin có nhiều điểm chung về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thậm chí có thể sử dụng cùng một dây chuyền, thiết bị sản xuất. Do đó, CATL chỉ đơn giản là tích hợp cung cấp ion natri của mình vào cơ sở hạ tầng Li-ion và hệ sinh thái sản phẩm hiện có của họ.

“Chúng tôi đã triển khai giải pháp hệ thống pin AB của mình, sử dụng cả các tế bào dựa trên natri và lithium trong một gói EV, do đó giúp tận dụng lợi ích của cả hai loại hóa chất và mở ra nhiều cơ hội hơn cho các kịch bản ứng dụng cho hệ thống pin natri-lithium”, Người phát ngôn của CATL cho biết.

Hệ thống này bù đắp cho mật độ năng lượng thấp hiện tại của các tế bào ion Na và được hưởng lợi từ hiệu suất của chúng ở nhiệt độ thấp. Quinn của Faradion nói thêm: “Bạn không bao giờ đặt LFP trong cùng một bộ pin với NMC, bạn không thực sự thu được gì, nhưng bạn có thể làm được điều này với Na-ion, nó hoạt động giống như một siêu tụ điện, nếu bạn muốn”.