Không có gì ngạc nhiên khi pin lithium-ion luôn đi đầu trong việc lưu trữ năng lượng hiện đại và là động lực chính cho nỗ lực điện khí hóa trên toàn thế giới. Tuy nhiên, sản xuất chúng ở quy mô cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng dường như là một nhiệm vụ gần như bất khả thi. Các nhà sản xuất lithium trong những năm gần đây đã cảnh báo thế giới có thể sớm phải đối mặt với tình trạng thiếu lithium, có thể ngay khi 2025.
Một yếu tố góp phần lớn là lithium đã từ một kim loại thích hợp được sử dụng trong ngành gốm sứ và dược phẩm trở thành một trong những kim loại có nhu cầu cao nhất trong khoảng vài thập kỷ. Albemarle – một trong những công ty khai thác lithium lớn nhất thế giới và là công ty dẫn đầu thời kỳ phục hưng lithium của Hoa Kỳ – có kế hoạch tăng công suất sản xuất lên 500.000 tấn mỗi năm vào năm 2030 nhưng cho biết con số đó vẫn chưa đủ để đáp ứng nhu cầu dự kiến.
Đây chính là lúc pin natri-ion phát huy tác dụng. Mặc dù nó không được chú ý như lithium-ion, nhưng nó đang trở thành một trong những đột phá công nghệ lớn có thể biến giấc mơ điện khí hóa thành hiện thực. Pin natri-ion có thiết kế tương tự pin lithium-ion và có thể được sản xuất bằng quy trình công nghiệp tương tự hoặc tương tự. Trong loại pin này, các ion natri thay thế các ion lithium ở cực âm và muối lithium trong chất điện phân (chất lỏng giúp truyền điện giữa các điện cực của pin) được hoán đổi cho muối natri.
Pin natri-ion không phải là một khái niệm mới, nhưng ý tưởng sản xuất chúng trên quy mô lớn chỉ mới được chú ý trong những năm gần đây. Natri dồi dào hơn đáng kể so với lithium nên rẻ hơn và dễ tìm hơn, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi căng thẳng địa chính trị. Khi viết, giá natri cacbonat đạt mức cao nhất $286 mỗi tấntrong khi lithium cacbonat cấp pin có giá rất cao 20.494 USD mỗi tấn.
Các nhà hóa học cũng phát hiện ra rằng pin có cực âm oxit nhiều lớp được chế tạo bằng natri không cần các kim loại đắt tiền như coban hoặc niken để đạt được mật độ năng lượng tương đương với mật độ năng lượng của pin lithium iron phosphate (LFP), được sử dụng rộng rãi trong các loại xe điện giá cả phải chăng hơn. .
Đầu tháng này, một nhóm các nhà nghiên cứu Nhật Bản tại Đại học Khoa học Tokyo tiết lộ họ đã phát triển cực âm công suất cao cho pin natri-ion sử dụng carbon cứng có cấu trúc nano. Các tế bào thu được có thể đạt mật độ năng lượng lên tới 312 Wh/kg – gấp đôi so với pin lithium iron phosphate. Để dễ hình dung, con số này cũng gấp 1,6 lần mật độ năng lượng mà pin natri-ion tiên tiến nhất đạt được cách đây hơn một thập kỷ.
Một lợi ích khác của pin natri-ion là khả năng chịu được phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn – từ -30°C đến 60°C (-22°F đến 140°F) hoặc thậm chí 80°C tùy thuộc vào hóa chất được sử dụng. Đây là lý do tại sao các công ty thích Faradion đã bắt đầu thử nghiệm lắp đặt pin natri-ion để lưu trữ năng lượng cố định ở Úc.
Đầu năm nay, liên doanh giữa Volkswagen và JAC Group công bố chiếc sedan điện đầu tiên chạy bằng pin natri-ion. Xe được cung cấp năng lượng bởi pin 25 KWh cung cấp năng lượng tương đối khiêm tốn phạm vi hoạt động lên tới 250 km (155 dặm), nhưng hai công ty đang quảng cáo tốc độ sạc nhanh, hiệu suất ở nhiệt độ thấp tốt hơn cũng như tuổi thọ pin dài hơn cùng với việc giảm dung lượng chậm hơn khi pin cũ đi.
James Quinn, Giám đốc điều hành của Faradion, cho biết lợi thế về an toàn của pin natri-ion không thể bị phóng đại. Trong khi các tế bào lithium-ion cần được sạc trên 30% trước khi vận chuyển, thì các tế bào natri-ion có thể được xả an toàn về 0V giống như một tụ điện, giúp loại bỏ khả năng thoát nhiệt do đoản mạch. Và như bạn có thể thấy trong video ở trên, việc chọc thủng pin natri-ion khi sạc đầy cũng không biến nó thành một quả lựu đạn gây cháy.
Trong khi Faradion hiện chủ yếu quan tâm đến việc lưu trữ năng lượng cố định thì các công ty khác như Natron Energy lại đang nghiên cứu sâu vào ngành công nghiệp ô tô. Công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Santa Clara đang sử dụng một loại vật liệu thường được sản xuất có tên là Prussian blue để chế tạo điện cực cho pin natri-ion, được đánh giá cho khoảng 50.000 đến 100.000 chu kỳ sạc/xả. Chúng cũng có thể được sạc đầy trong vòng 15 phút hoặc ít hơn.
Natron gần đây đã tham gia quan hệ đối tác với Clarios International để sản xuất hàng loạt pin natri-ion tại cơ sở Meadowbrook của công ty sau này ở Michigan bằng cách sử dụng cùng thiết bị hiện đang được sử dụng để sản xuất pin lithium-ion. Khi sản lượng tăng mạnh trong những tháng tới, Natron cho biết đây sẽ trở thành nhà máy sản xuất pin natri-ion lớn nhất thế giới.
Mọi thứ sẽ diễn ra như thế nào đối với pin natri-ion vẫn còn phải xem, nhưng không giống như nhiều giải pháp chưa được đưa ra bên ngoài phòng thí nghiệm, chúng chắc chắn có vẻ đầy hứa hẹn. Tất cả phụ thuộc vào mức giá sẽ dao động của vật liệu khi công nghệ hoàn thiện và ngày càng có nhiều nhà máy bắt đầu sản xuất pin natri-ion trên quy mô lớn.
Năng lực sản xuất toàn cầu là hy vọng đạt 186 GWh hàng năm vào năm 2030, so với 6,5 TWh của pin lithium-ion. Điều này có nghĩa là pin natri có thể sẽ không sớm lật đổ được sự thống trị của lithium-ion. Tuy nhiên, chúng dường như là một giải pháp thay thế ngày càng hấp dẫn cho nhiều ứng dụng khác nhau và có tiềm năng trở thành giải pháp phù hợp về lâu dài.