Pin natri-ion là gì? Ưu, nhược điểm và ứng dụng của công nghệ pin mới

Pin natri-ion và nguyên lý lưu trữ năng lượng

Pin natri-ion là loại pin sạc sử dụng ion natri làm chất mang điện thay cho ion lithium. Về cấu trúc và nguyên lý hoạt động, pin natri-ion có nhiều điểm tương đồng với pin lithium-ion, nhưng khác ở vật liệu chính tham gia vào quá trình tích trữ và giải phóng năng lượng.

Trong quá trình sạc, ion natri di chuyển từ điện cực dương sang điện cực âm thông qua chất điện phân. Khi xả, quá trình này diễn ra theo chiều ngược lại, tạo ra dòng điện để cung cấp năng lượng cho thiết bị hoặc hệ thống lưu trữ.

Cơ chế này gần giống pin lithium-ion, nên các nhà sản xuất có thể tận dụng một phần kinh nghiệm, thiết bị và dây chuyền hiện có khi thương mại hóa công nghệ. Đây là lợi thế quan trọng, vì một công nghệ pin mới sẽ khó mở rộng nếu phải xây dựng toàn bộ hệ sinh thái sản xuất từ đầu.

Điểm đáng chú ý của pin natri-ion nằm ở nguồn nguyên liệu. Natri phổ biến hơn lithium khoảng 1.000 lần, có nguồn cung gần như vô hạn và chi phí khai thác, tinh chế thấp hơn. Đây là lý do công nghệ này được xem là một trong những hướng đi tiềm năng khi ngành pin toàn cầu chịu áp lực từ giá lithium và nguồn cung vật liệu.

Cấu tạo pin natri-ion gần giống pin lithium-ion

Pin natri-ion gồm các thành phần chính như điện cực dương, điện cực âm, chất điện phân và bộ phân tách. Cấu trúc này không quá khác biệt so với pin lithium-ion, giúp quá trình phát triển sản xuất thuận lợi hơn so với nhiều công nghệ pin hoàn toàn mới.

Sự tương đồng về cấu tạo cũng tạo lợi thế cho các doanh nghiệp đã có nền tảng sản xuất pin lithium-ion. Thay vì phải xây dựng toàn bộ dây chuyền mới, họ có thể điều chỉnh vật liệu, quy trình và một phần thiết bị để phù hợp với pin natri-ion.

Tuy nhiên, việc sử dụng ion natri cũng đặt ra yêu cầu riêng về vật liệu điện cực và chất điện phân. Ion natri có đặc tính khác ion lithium, nên các nhà sản xuất phải tối ưu thiết kế tế bào pin để cải thiện mật độ năng lượng, độ bền và vòng đời sạc xả.

Ưu điểm của pin natri-ion về chi phí và độ an toàn

Lợi thế lớn nhất của pin natri-ion nằm ở chi phí nguyên liệu. Do natri dồi dào và dễ tiếp cận hơn lithium, tế bào pin natri-ion thường được đánh giá rẻ hơn pin lithium-ion khoảng 20% đến 40%. Khi sản xuất đạt quy mô lớn, lợi thế chi phí này sẽ có ý nghĩa lớn với xe điện phổ thông và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Công nghệ này cũng có lợi thế về môi trường và độ an toàn. Theo Wood Mackenzie, pin natri-ion mang lại triển vọng tốt hơn về chi phí nguyên liệu thô, độ an toàn và tính bền vững so với pin lithium-ion trong một số nhóm ứng dụng. Những cải tiến liên tục về mật độ năng lượng và vòng đời sạc xả cũng giúp pin natri-ion ngày càng được chú ý.

Một ưu điểm khác là khả năng vận hành trong điều kiện nhiệt độ thấp. Đây là yếu tố quan trọng với xe điện và các hệ thống lưu trữ đặt ngoài trời, nơi hiệu suất pin có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường. Nhờ đặc tính này, pin natri-ion được nhiều hãng xem là công nghệ bổ trợ tốt cho pin lithium-ion.

Nhược điểm lớn của pin natri-ion

Dù có nhiều lợi thế, pin natri-ion vẫn chưa thể thay thế hoàn toàn pin lithium-ion. Rào cản lớn nhất nằm ở mật độ năng lượng. Hiện tại, mật độ năng lượng của pin natri-ion vẫn thấp hơn nhiều dòng pin lithium-ion cao cấp, nên công nghệ này chưa phù hợp với các thiết bị cần dung lượng lớn trong kích thước nhỏ như điện thoại, laptop mỏng nhẹ hoặc xe điện hiệu suất cao.

Chi phí sản xuất cũng chưa thấp ngay trong giai đoạn đầu. Dù nguyên liệu rẻ hơn, các doanh nghiệp vẫn phải đầu tư dây chuyền, tối ưu vật liệu và hoàn thiện quy trình thương mại hóa. Vì vậy, lợi thế giá thành chỉ phát huy rõ khi pin natri-ion được sản xuất ở quy mô lớn.

Wood Mackenzie dự báo nhu cầu pin cho xe điện sẽ tăng từ 0,6 TWh vào năm 2022 lên 2,8 TWh vào năm 2030, tốc độ quá nhanh so với năng lực hiện tại của thị trường pin natri-ion. Do đó, công nghệ này chưa thể thay thế pin lithium-ion trong ngắn hạn, nhưng có thể chiếm một phần thị phần của pin LFP trong xe điện phổ thông và lưu trữ năng lượng, với quy mô ước đạt 20 GWh vào cuối thập kỷ này.

Ứng dụng pin natri-ion trong xe điện và lưu trữ năng lượng

Pin natri-ion phù hợp với các ứng dụng ưu tiên chi phí, độ an toàn và nguồn cung ổn định hơn là mật độ năng lượng cao nhất. Nhóm ứng dụng tiềm năng gồm lưu trữ năng lượng tái tạo, xe điện phổ thông, xe điện đô thị, hệ thống dự phòng điện và các thiết bị cần pin bền, an toàn.

Trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng, pin natri-ion có lợi thế rõ vì kích thước và trọng lượng không phải yếu tố quan trọng nhất. Các hệ thống lưu trữ điện mặt trời hoặc điện gió thường ưu tiên chi phí, độ bền, độ an toàn và khả năng mở rộng. Đây là nhóm ứng dụng mà pin natri-ion có thể phát huy tốt trong giai đoạn đầu thương mại hóa.

Với xe điện, pin natri-ion khó thay thế ngay các dòng pin lithium-ion cao cấp. Tuy nhiên, công nghệ này phù hợp hơn với xe điện phổ thông, xe đô thị hoặc những mẫu xe cần chi phí pin thấp hơn. Trong tương lai, pin natri-ion cũng có thể kết hợp với pin lithium-ion trong cùng một bộ pin để tận dụng ưu điểm của cả hai công nghệ.

CATL, Reliance và Faradion thúc đẩy pin natri-ion thương mại hóa

Sự tham gia của các doanh nghiệp lớn cho thấy pin natri-ion không còn là hướng nghiên cứu nhỏ trong phòng thí nghiệm. CATL đã công bố thế hệ pin natri-ion đầu tiên vào giữa năm 2021, với mật độ năng lượng tối đa 160 Wh/kg. Hãng đặt mục tiêu vượt 200 Wh/kg ở thế hệ tiếp theo và đang tích hợp công nghệ này vào hệ sinh thái pin hiện có.

Faradion, doanh nghiệp tiên phong về pin natri-ion tại Anh, cho biết đã đạt mật độ năng lượng 190 Wh/kg nhờ cải tiến ở điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân. Công ty cũng đặt mục tiêu nâng mật độ năng lượng lên khoảng 250 Wh/kg, mức tiệm cận nhiều loại pin lithium-ion hiện nay.

Reliance Industries cũng đặt cược lớn vào lĩnh vực này sau khi mua lại Faradion với giá 100 triệu bảng Anh, bao gồm cả nợ. Tập đoàn Ấn Độ muốn đưa pin natri-ion lên sản xuất ở quy mô hàng chục gigawatt, phục vụ chiến lược năng lượng mới và các hệ thống lưu trữ trong tương lai.

Pin natri-ion trong vai trò bổ trợ cho pin lithium-ion

Pin natri-ion chưa thể thay thế pin lithium-ion trên diện rộng trong ngắn hạn. Pin lithium-ion vẫn có lợi thế về mật độ năng lượng, hệ sinh thái sản xuất và mức độ ứng dụng trong xe điện, điện thoại, laptop cùng nhiều thiết bị điện tử.

Tuy nhiên, pin natri-ion có vai trò riêng. Công nghệ này giúp giảm áp lực lên chuỗi cung ứng lithium, mở thêm lựa chọn cho các hệ thống cần chi phí thấp hơn và giúp ngành pin bớt phụ thuộc vào một nhóm vật liệu nhất định. Thay vì cạnh tranh trực tiếp với pin lithium-ion ở mọi phân khúc, pin natri-ion phù hợp hơn với vai trò bổ trợ.

CATL đã giới thiệu giải pháp pin AB, kết hợp tế bào pin nền natri và tế bào pin nền lithium trong cùng một bộ pin xe điện. Cách làm này giúp pin lithium-ion đảm nhiệm vai trò về mật độ năng lượng, trong khi pin natri-ion hỗ trợ khả năng vận hành trong điều kiện nhiệt độ thấp và mở rộng kịch bản sử dụng.

Với nguồn nguyên liệu dồi dào, chi phí tiềm năng thấp hơn và sự tham gia của các nhà sản xuất lớn, pin natri-ion đang trở thành một mảnh ghép quan trọng trong tương lai ngành pin. Công nghệ này chưa phải lời giải thay thế hoàn toàn pin lithium-ion, nhưng đủ tiềm năng để giữ vai trò lớn hơn trong xe điện phổ thông, lưu trữ năng lượng và các hệ thống cần pin an toàn, bền, dễ mở rộng quy mô.

Hãy theo dõi FPT Shop thường xuyên để cập nhật nhanh các tin tức và xu hướng công nghệ mới. FPT Shop hiện có nhiều ưu đãi dành cho điện thoại, laptop và sản phẩm công nghệ, kèm hỗ trợ trả góp linh hoạt để bạn dễ dàng chọn mua thiết bị phù hợp.

Xem thêm:

Nguồn: pv magazine Australia