Tại sao pin natri-ion không bắt lửa hoặc nổ lại không thay thế được pin lithium?

Ion natri đang thu hút sự chú ý trên toàn thế giới như một giải pháp thay thế cho ion Lithium trong pin sạc. Các ion natri là chất mang điện tích tuyệt vời, như bạn có thể thấy từ thí nghiệm đơn giản về pin Natri Clorua và Nước.

Các nhà lãnh đạo toàn cầu trong ngành công nghiệp pin đang đặt cược lớn vào pin ion natri như là xương sống tương lai của năng lượng công nghiệp xanh. Nếu bạn tìm kiếm danh sách 10 nhà sản xuất pin ion natri hàng đầu thế giới , bạn sẽ thấy rằng chúng cũng bao gồm các nhà sản xuất pin ion liti lớn nhất.

Do cấu tạo hóa học của pin ion natri và pin ion liti tương tự nhau, các nhà sản xuất đang tận dụng kinh nghiệm và thiết bị sản xuất pin ion liti đã được chứng minh để phát triển nhanh chóng pin ion natri. Một ví dụ điển hình là Công ty TNHH Công nghệ Amperex Đương đại (CATL) của Trung Quốc, một trong 10 nhà sản xuất pin ion liti hàng đầu tại Trung Quốc. CATL đã cho ra mắt pin ion natri thế hệ đầu tiên với mật độ năng lượng 160 Wh/kg.

Vì pin ion natri cồng kềnh hơn pin ion liti tương đương, chúng hiện chưa lý tưởng cho xe điện. Do đó, các nhà sản xuất đang nhắm đến thị trường lưu trữ năng lượng, nơi kích thước không phải là yếu tố quan trọng mà chi phí, hiệu suất và chuỗi cung ứng an toàn mới là những yếu tố then chốt. Các nhà khoa học tin rằng pin ion natri là giải pháp cho thách thức lưu trữ năng lượng tái tạo.

Trong tương lai, pin ion natri dự kiến ​​sẽ trở nên nhẹ hơn và mạnh mẽ hơn. Điều này có nghĩa là loại pin này sẽ trở nên hấp dẫn hơn đối với thị trường xe điện. Tuy nhiên, bạn có thể nhận thấy rằng gần đây thị trường xe điện không mấy mạnh mẽ. Trên toàn cầu, thị trường xe điện đã chững lại do chi phí cao, thiếu cơ sở hạ tầng sạc điện và trong nhiều trường hợp, do việc rút lại các ưu đãi về thuế. Hơn nữa, pin ion lithium có thể bị thay thế bởi pin nhiên liệu hydro trong lĩnh vực giao thông vận tải . Với việc pin ion lithium bị hạn chế ở các thiết bị điện tử nhỏ, công nghệ ion natri có thể phát triển mạnh mẽ hơn trong dài hạn.

Pin Natri Ion là gì?

Pin ion Natri là loại pin sạc sử dụng ion Natri để vận chuyển điện tích bên trong pin. Các ion natri di chuyển giữa Anode và Cathode, mang theo dòng điện bên trong tế bào trong mỗi chu kỳ sạc và xả.

Pin Natri Ion hoạt động như thế nào?

Bạn có thể thấy nguyên lý hoạt động của pin ion natri trong Hình 1. Các bộ phận chính của pin bao gồm:

• Anode là một vật liệu xốp điện cực và chứa nhiều nguyên tử Natri có thể ion hóa trên bề mặt của nó;
• Cathode, cũng là một điện cực xốp, có diện tích bề mặt đủ để nhận các ion Natri đến từ Anode;
• Một dải phân cách xốp ngăn cản sự tiếp xúc vật lý giữa Anode và Cathode, nhưng cho phép các ion Natri di chuyển giữa Anode và Cathode;
• Chất điện phân lỏng chứa muối Natri hòa tan. Các điện hoạt động như một bể chứa các ion Natri khởi động dòng điện bên trong khi có sự chênh lệch điện áp được tạo ra giữa các điện cực.

Trong Hình 1, các quả bóng màu vàng tượng trưng cho các ion Natri tích điện dương trong khi các quả bóng màu đỏ tượng trưng cho các nguyên tử Natri trung tính. Mỗi nguyên tử Natri trung tính trở thành ion tích điện dương khi một electron bị kéo ra khỏi lớp electron ngoài cùng của nó.

Vì vậy, khi một điện áp bên ngoài được đưa vào bộ sạc hoặc pin lớn hơn, các electron sẽ bị kéo ra khỏi các nguyên tử Natri gắn trên Anode. Những electron này chảy vào mạch ngoài và đến Cathode. Cực âm thu được điện thế âm do sự tích tụ của các electron.

Đồng thời, các nguyên tử Natri ở Anode, mỗi nguyên tử bị mất một electron, trở thành các ion dương và rời khỏi Anode. Do có sự chênh lệch điện thế nên chúng di chuyển qua chất điện phân về phía Cathode. Ở cực âm, các ion dương Natri được trung hòa bởi các electron từ mạch ngoài đến đó. Các nguyên tử Natri trung tính thu được sẽ tự đậu ở Cathode trong phần còn lại của chu kỳ sạc.

Khi tải bên ngoài được kết nối và pin phóng điện, hành trình ngược lại sẽ bắt đầu đối với các ion Natri đậu ở Cathode. Các ion Natri di chuyển trở lại Anode thông qua chất điện phân, trong khi các electron từ Cathode di chuyển qua tải bên ngoài đến Anode. Khi ở cực dương, các ion natri sẽ bị trung hòa bởi các electron đi vào từ mạch ngoài. Các nguyên tử Natri trung tính tự đậu ở Anode trong suốt phần còn lại của chu kỳ phóng điện. Do đó, toàn bộ thời gian tồn tại của các ion Natri trong loại pin sạc này được dành cho việc di chuyển giữa Anode và Cathode!

Mật độ lưu lượng tối đa của các ion Natri phụ thuộc vào tính chất của chất điện phân cũng như cấu trúc Anode và Cathode. Đây là những thông số quan trọng trong thiết kế pin, quyết định mật độ năng lượng và dòng điện.

Ứng dụng

Các chuyên gia tin rằng ứng dụng lý tưởng cho pin ion natri là trong các hệ thống lưu trữ năng lượng cố định thuộc lĩnh vực năng lượng tái tạo và công nghiệp . Dự án NAIMA tại Liên minh châu Âu tập trung vào việc phát triển hai cấu hình pin ion natri thân thiện với môi trường, an toàn cho lĩnh vực lưu trữ năng lượng.

Trong khi đó, việc triển khai thương mại đầu tiên trên thế giới pin ion natri trong lĩnh vực ô tô đã được thực hiện tại Trung Quốc. Một liên doanh giữa JAC của Trung Quốc và Volkswagen của Đức đã cho ra mắt một chiếc xe chở khách 5 chỗ ngồi được trang bị pin ion natri 25 kWh, với phạm vi hoạt động 250 km.

Pin ion natri cũng đang được xem xét sử dụng cho các thiết bị điện tử cá nhân , chẳng hạn như máy tính xách tay và điện thoại di động. Mặc dù nặng hơn pin ion liti, chúng lại rẻ hơn và an toàn hơn, cả hai đều là những yếu tố quan trọng mà người tiêu dùng cần cân nhắc.

Một ứng dụng khác của pin ion natri là trong các hệ thống nguồn dự phòng, chẳng hạn như trong bộ lưu điện UPS của Natron Energy.

Pin natri ion thay đổi trò chơi như thế nào:

Pin natri-ion sẽ mang lại nhiều lợi ích cho thị trường pin sạc. Bao gồm các:

An toàn cao hơn

So với pin lithium-ion, pin natri-ion ít có khả năng bắt lửa hơn. Các thế hệ pin natri-ion tương lai có thể sử dụng chất điện phân rắn, hoàn toàn không có nguy cơ này. Ví dụ, các nhà nghiên cứu Úc đã phát triển một chất điện phân polymer rắn không bắt lửa , để sử dụng với pin natri-ion. Nhiều chiến lược khác để giảm thiểu rủi ro nhiệt của pin natri-ion cũng đang được nghiên cứu, bao gồm cả việc lựa chọn vật liệu để cải thiện độ an toàn.

Chi phí thấp hơn

Chi phí sản xuất pin ion natri trên mỗi kWh thấp hơn một phần ba so với pin ion liti. Nguyên nhân là do chi phí nguyên vật liệu.

Rủi ro chuỗi cung ứng thấp hơn

Không giống như Lithium, chỉ được khai thác và tinh chế ở một số quốc gia, Natri có sẵn trên toàn thế giới. Điều này làm giảm đáng kể rủi ro chuỗi cung ứng nguyên liệu thô.

Pin natri Ion Vs Pin Lithium Ion

Với tư cách là người tiêu dùng hoặc nhà đầu tư, nếu phải lựa chọn giữa hai bên, bạn sẽ đi theo hướng nào? Bạn sẽ xem xét các lợi ích trước mắt và các tính năng hoạt động với tư cách là người tiêu dùng, trong khi đó, với tư cách là nhà đầu tư, bạn sẽ xem xét các vấn đề lớn hơn, dài hạn hơn.

Chúng ta hãy so sánh hai loại pin qua một số thông số chính, phù hợp với người tiêu dùng cũng như nhà đầu tư.

Pin Natri Ion-Hiện tại và Tương lai

Pin natri-Ion đã ra mắt vào đúng thời điểm, khi sự chú ý của toàn cầu tập trung vào việc khử cacbon năng lượng. Pin Natri-ion thế hệ đầu tiên đã chứng minh được một số ưu điểm so với Lithium-ion, đặc biệt là về các thông số chi phí và an toàn.

Tuy nhiên, nhu cầu hiện tại đối với các loại pin sạc này chủ yếu đến từ xe điện và các thiết bị điện tử cá nhân, nơi pin Lithium chiếm ưu thế trên thị trường. Do mật độ năng lượng thấp hơn và trọng lượng lớn hơn, pin ion natri sẽ khó cạnh tranh nếu sử dụng các loại pin thế hệ đầu tiên. Do đó, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển đang được đầu tư vào việc cải thiện mật độ năng lượng của pin ion natri. Trên thực tế, một bước đột phá có thể sắp xảy ra, vì CATL đã thông báo rằng pin ion natri thế hệ tiếp theo của họ sẽ đạt được 200 kWh/kg . Việc cải thiện mật độ năng lượng với chi phí cạnh tranh sẽ là một thách thức không ngừng đối với tất cả các loại pin. Ví dụ, CATL lại một lần nữa dẫn đầu trong lĩnh vực này bằng cách nghiên cứu một loại pin vật chất ngưng tụ dựa trên Lithium với công suất 500 kWh/kg trong tương lai.

Trong trung hạn, việc các nước trên thế giới tăng cường đầu tư vào năng lượng tái tạo sẽ thúc đẩy nhu cầu về hệ thống lưu trữ năng lượng. Các nhà sản xuất pin natri-ion coi đây là lựa chọn tốt nhất khi nó thành công.

Ngoài mật độ năng lượng và năng lượng, công nghệ pin Natri-ion tiếp tục phát triển, thu hẹp khoảng cách với công nghệ Lithium-ion. Các nhà khoa học đang giải quyết các vấn đề liên quan đến sự xuống cấp của vật liệu, phát triển các cực dương, cực âm và chất điện phân rẻ hơn và tốt hơn, cải thiện độ an toàn và khả năng tái chế.

Chuỗi cung ứng pin Natri-ion cũng phải mở rộng, đòi hỏi phải có những khoản đầu tư cần thiết.

Tóm lại, pin ion Natri đã nổi lên như một đối thủ cạnh tranh nặng ký với các loại pin Lithium-ion của chúng. Tuy nhiên, phải mất nhiều năm phát triển và thành công về mặt thương mại thì người ta mới có thể nói rằng pin Natri-ion đại diện cho năng lượng tương lai.