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 pin đang đặt cược lớn vào pin Natri-ion như xương sống của năng lượng công nghiệp xanh trong tương lai. Nếu bạn tra cứu thế giới 10 nhà sản xuất pin natri-ion hàng đầu, bạn sẽ nhận thấy rằng họ cũng bao gồm các nhà sản xuất pin Lithium-ion lớn nhất.
Vì thành phần hóa học của pin Natri ion và pin Lithium-ion tương tự nhau nên các nhà sản xuất đang tận dụng bí quyết và thiết bị sản xuất Lithium-ion đã được chứng minh để phát triển nhanh chóng pin Natri-ion. Một ví dụ điển hình là Công ty TNHH Công nghệ Amperex Đương đại (CATL) của Trung Quốc, một trong những công ty top10 pin lithium-ion các nhà sản xuất ở Trung Quốc. CATL đã ra mắt Pin Natri-ion thế hệ đầu tiên có mật độ năng lượng 160 Wh/kg.
Vì pin Natri-ion cồng kềnh hơn pin Lithium-ion tương đương nên hiện tại chúng không lý tưởng cho xe điện. Do đó, các nhà sản xuất đang nhắm tới thị trường lưu trữ năng lượng, nơi quy mô không quan trọng nhưng chi phí, hiệu suất và chuỗi cung ứng an toàn mới là những yếu tố cần cân nhắc chính. Các nhà khoa học tin rằng Pin natri-ion là câu trả lời cho thách thức lưu trữ năng lượng tái tạo.
Trong tương lai, bạn có thể mong đợi pin Natri-ion sẽ trở nên nhẹ hơn và mạnh hơn. Điều này có nghĩa là loại pin này sẽ trở nên hấp dẫn đối với thị trường xe điện. Tuy nhiên, bạn có thể nhận thấy rằng gần đây thị trường xe điện không mấy sôi động. Trên toàn cầu, thị trường xe điện đã chững lại do giá thành cao, thiếu cơ sở hạ tầng sạc điện và trong nhiều trường hợp, việc rút lại các ưu đãi tài chính. Hơn nữa, Pin lithium-ion có thể bị thay thế bởi pin nhiên liệu hydro trong lĩnh vực giao thông vận tải. Với việc Lithium-ion bị giới hạn ở các thiết bị điện tử nhỏ hơn, công nghệ Natri-ion có thể phát triển về lâu dài.
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 nhìn thấy nguyên lý cơ bản của pin Natri-ion trong Hình 1. Các bộ phận hoạt động chính của pin là:
- 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 của pin ion Natri là ở ứng dụng lưu trữ năng lượng cố định trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và công nghiệp. Các NAIMA dự án ở Liên minh Châu Âu tập trung vào phát triển hai cấu hình pin Natri-ion thân thiện với môi trường, an toàn cho lĩnh vực lưu trữ năng lượng.
Trong khi đó, việc triển khai thương mại pin Natri-ion đầu tiên trên thế giới trong lĩnh vực ô tô đã được thực hiện tại Trung Quốc. MỘT liên doanh giữa JAC của Trung Quốc và Volkswagen của Đức ra mắt mẫu xe du lịch 25 chỗ chạy bằng pin ion Natri 250 kwh, tầm hoạt động XNUMX km.
Pin natri-ion cũng đang được xem xét 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 Lithium-ion nhưng chúng rẻ hơn và an toàn hơn, cả hai đều là những cân nhắc quan trọng của người tiêu dùng.
Một ứng dụng khác của pin Natri-ion là trong các hệ thống điện dự phòng, chẳng hạn như trong 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 bắt lửa hơn. Các thế hệ Natri-ion trong tương lai có thể sử dụng chất điện phân ở trạng thái rắn hoàn toàn không có mối nguy hiểm này. Ví dụ, Các nhà nghiên cứu Úc đã phát triển được chất điện phân polymer rắn không cháy, để sử dụng với pin Natri-ion. Nhiều chiến lược khác nhằm giảm thiểu rủi ro nhiệt của pin Natri-ion cũng đang được nghiên cứu bao gồm lựa chọn vật liệu để cải thiện an toàn.
Chi phí thấp hơn
Giá thành của pin Natri-ion trên kwh ít hơn một phần ba so với pin Lithium-ion. Vì giá 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.
| Tham số | Pin Lithium-Ion | Pin Natri-Ion |
| Sự trưởng thành của công nghệ và chuỗi cung ứng | Công nghệ đã trưởng thành, chuỗi cung ứng toàn cầu đã được thiết lập. | Công nghệ thế hệ đầu tiên được thương mại hóa. Chuỗi cung ứng hạn chế. |
| Phí Tổn | ~$130 -$180/kwh | ~ $40-$55/kwh |
| Sự An Toàn | Nguy cơ thoát nhiệt cao do vật liệu tế bào bắt lửa do sản sinh nhiệt không kiểm soát được | Rủi ro thoát nhiệt tồn tại đối với pin ion Natri, nhưng có thể được loại bỏ bằng cách lựa chọn và thiết kế vật liệu tế bào trong tương lai. |
| Mật độ năng lượng | 150 -250 Wh/kg | 100-160 Wh / kg |
| điện áp | 3.0 ~ 4.5 V | 2.8 ~ 3.5 V |
| Lưu trữ với mức phí bằng 0 | Không khuyến khích, sẽ làm giảm tuổi thọ pin | Được phép. Sẽ không ảnh hưởng đến tuổi thọ pin |
| Rủi ro chuỗi cung ứng | Cao, do nguồn cung cấp Lithium nên hoạt động tinh chế tập trung ở một số quốc gia. | Rủi ro thấp vì Natri có sẵn rất nhiều và việc tinh chế rất dễ dàng. |
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 nay về loại pin sạc như vậy được thúc đẩy bởi xe điện và các thiết bị điện tử cá nhân, trong đó pin Lithium đang chiếm ưu thế trên thị trường. Do mật độ năng lượng thấp hơn và trọng lượng lớn hơn nên Natri-ion sẽ khó cạnh tranh khi sử dụng pin thế hệ đầu tiên. Do đó, rất nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển nhằm cải thiện mật độ năng lượng của pin Natri-ion. Trên thực tế, một bước đột phá có thể đã gần kề, vì CATL công bố pin Natri-ion thế hệ tiếp theo sẽ đạt công suất 200 kwh/kg. Cải thiện mật độ năng lượng với chi phí cạnh tranh sẽ là thách thức không bao giờ kết thúc đối với tất cả các loại pin. Ví dụ: CATL một lần nữa đang thiết lập tốc độ ở đây bằng cách nghiên cứu một loại pin dựa trên Lithium tương lai Ắc quy ngưng tụ 500 kwh/kg.
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.
