Pin natri: Có phải công nghệ của tương lai?

Ngành pin đang sôi động với những đổi mới. Nghiên cứu về các công nghệ ngày càng hiệu quả và hiệu suất cao hơn có thể mang lại giá trị gia tăng cho thị trường không bao giờ dừng lại.

Vài năm trở lại đây, pin natri-ion ngày càng được quan tâm trở lại , chủ yếu là vì những lợi ích kinh tế mà chúng mang lại.

Các chuyên gia về điện khí hóa của chúng tôi là Marco Righi, Alan Pastorelli và Daniele Invernizzi đã thảo luận về vấn đề này trong tập 20 của Battery Weekly 2023 , chương trình hàng tuần của chúng tôi về thế giới pin, đi sâu vào xu hướng tăng đáng kể mà pin natri đang chứng kiến ​​và những gì đang kìm hãm việc triển khai chúng trên quy mô lớn.

Pin natri-ion chắc chắn đang ngày càng phổ biến trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng và di chuyển bằng điện. Tuy nhiên, những loại pin này vẫn còn một số hạn chế cần được giải quyết trước khi có thể đưa ra thị trường cho nhiều ứng dụng.

Chúng ta hãy cùng tìm hiểu pin natri là gì và đặc điểm của chúng.

Pin natri hoạt động như thế nào

Pin natri là gì và chúng hoạt động như thế nào: điểm giống và khác nhau so với pin lithium

Giống như liti, natri là một kim loại kiềm thuộc Nhóm 1 của bảng tuần hoàn.

Hai kim loại này được đặt chính xác cạnh nhau ở cột đầu tiên của bảng tuần hoàn, nghĩa là chúng có chung một số tính chất vật lý và hóa học.

Những đặc tính tương tự này đã khiến các nhà nghiên cứu thực hiện những nghiên cứu đầu tiên về pin natri trong khoảng thời gian từ năm 1970 đến năm 1990, cùng thời điểm với các nghiên cứu về pin lithium. Tuy nhiên, nghiên cứu sau này đã thành công hơn và tiếp tục được thương mại hóa, khiến pin natri bị xếp lại phía sau.

Pin natri và pin lithium có điểm gì chung?

Pin natri-ion (NIB hoặc SIB) là một loại pin sạc lại. tương tự như pin lithium-ion. Nhưng sử dụng ion natri (Na+) làm chất mang điện tích.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của pin natri-ion và pin lithium-ion về cơ bản là giống nhau và nhiều vật liệu điện cực được sử dụng trong công nghệ natri-ion được mượn từ công nghệ lithium-ion.

Trên thực tế, cả hai công nghệ đều sử dụng ion để mang và lưu trữ năng lượng. Các ion natri di chuyển từ catốt (điện cực dương) đến anot (điện cực âm) qua chất điện phân và chất phân tách, được dòng điện mang theo trong giai đoạn sạc. Trong quá trình xả, các ion quay trở lại catốt và một luồng electron, tức là dòng điện, chảy trong mạch ngoài theo hướng ngược lại so với điện tích.

Cathode là cực dương của pin và được tạo thành từ vật liệu catot (ví dụ LFP, NMC) và bộ thu dòng điện. Anode , cực âm của pin, được tạo thành từ vật liệu anode (ví dụ carbon hoặc graphite) và bộ thu dòng điện.

Pin natri về cơ bản bao gồm một catốt gồm vật liệu có khả năng chứa natri, một anode thường được làm bằng cacbon và một chất điện phân lỏng chứa các nguyên tử natri ở dạng ion. Chất điện phân là một chất lỏng hữu cơ lấp đầy thể tích bên trong của pin, hoạt động như một liên kết kết nối giữa catốt và anode cho phép các ion di chuyển.

Pin natri và pin lithium khác nhau như thế nào?

Có sự khác biệt đáng kể giữa hai nguyên tố xét về mặt hóa học thuần túy. Bán kính nguyên tử của cation natri lớn hơn 0,3 Å so với cation liti. Điều này có nghĩa là trọng lượng nguyên tử và khối lượng của nó lớn hơn liti hơn 3 lần .

Chỉ riêng điều này cũng mang đến những vấn đề kỹ thuật quan trọng cần được giải quyết: trong chuyển động giữa cực dương và cực âm, khối lượng của nguyên tử natri lớn hơn khối lượng của nguyên tử liti gấp 3 lần, tạo ra ứng suất cơ học lớn hơn, dẫn đến tình trạng pin bị hư hỏng nặng.

Do đó, pin natri có vòng đời ngắn và không hoạt động tốt bằng pin lithium vì than chì , vật liệu cực dương được sử dụng phổ biến nhất trong pin lithium, sẽ xảy ra phản ứng bong tróc không thể đảo ngược khi tương tác với ion natri và tự hủy sau một vài vòng đời.

Do đó, một trong những khía cạnh phức tạp nhất là xác định điện cực âm phù hợp có thể sử dụng thay cho than chì và có khả năng kéo dài vòng đời của pin natri.

Hơn nữa, thế khử chuẩn của ion natri thấp hơn ion liti, nói cách khác, xu hướng thu electron của chúng thấp hơn. Điều này có nghĩa là so với pin liti, pin natri sẽ có thể cung cấp điện áp tối đa thấp hơn : điện áp danh định của pin natri là 2,3 – 2,5V so với 3,2 – 3,7V của pin liti. Natri và liti đều mang cùng một điện tích nếu chúng ta tính đến các quá trình điện hóa diễn ra trong pin natri-ion và pin liti-ion là giống nhau. Tuy nhiên, tính theo ounce, pin natri sẽ mang ít điện tích hơn pin liti, nói cách khác, nó sẽ có mật độ năng lượng thấp hơn.

Do hai đặc điểm kết hợp này, pin natri có thể lưu trữ ít hơn 40% năng lượng so với pin lithium.

Ưu và nhược điểm

Ưu và nhược điểm của pin natri

Pin natri đang nhận được sự chú ý trở lại chủ yếu vì nhu cầu về giải pháp thay thế cụ thể cho pin lithium trong các ứng dụng mà một phần sản phẩm có thể được phân biệt.

Trong khi lithium tồn tại trong tự nhiên trong nhiều loại đá và trong một số nước muối, thì lượng lithium trong lớp vỏ trái đất không phải là vô tận. Trên hết, việc khai thác lithium đòi hỏi năng lượng.

Nhu cầu cao đối với nguyên liệu thô này cùng với sự hạn chế về nguồn cung trong tự nhiên đã đẩy giá của nó lên cao ngất ngưởng, khiến nó được gọi là “vàng trắng”. Trong tương lai, nhu cầu về pin lithium chắc chắn sẽ tăng và điều này đã đặt ra câu hỏi về tính khả dụng của nguyên liệu thô và tính bền vững của một nền kinh tế chỉ dựa trên hóa học này.

Không cần phải nói, việc đạt được hiệu suất cao nhất cho ứng dụng cụ thể của công nghệ là một khía cạnh quan trọng trong quá trình tìm kiếm các hóa chất thay thế.

Pin natri có thể là một giải pháp thay thế khả thi cho lithium không? Hãy cùng tìm hiểu sâu hơn về ưu và nhược điểm của pin natri

Lợi ích của pin natri

Có sẵn

Giá thành thấp

Sự an toàn

Khả năng chịu nhiệt độ thấp

Tác động thấp đến môi trường

Một trong những khía cạnh thú vị nhất của công nghệ này là tính sẵn có rộng rãi trong tự nhiên của các nguyên liệu thô cấu thành nên nó. Trên thực tế, natri là nguyên tố phổ biến thứ sáu trong lớp vỏ trái đất. Tính năng này làm cho pin natri có tính cạnh tranh về mặt kinh tế, đây là một khía cạnh quan trọng đối với các nhà sản xuất.

Pin natri cũng đảm bảo tiêu chuẩn an toàn cao vì các cell dựa trên nguyên tố hóa học này không dễ cháy hoặc dễ nổ hoặc đoản mạch. Hơn nữa, các loại pin này có thể chịu được nhiệt độ cực cao và cực thấp, có khả năng hoạt động trong phạm vi từ −20°C đến 60°C , trong khi phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu cho các cell lithium là từ 0°C đến 50°C .

Nguyên liệu thô có sẵn trong tự nhiên và có thể được khai thác với chi phí thấp và sử dụng ít năng lượng, khiến natri trở thành vật liệu có tác động thấp đến môi trường.

Hạn chế của pin natri

​​​​​​​Mật độ năng lượng thấp

Chu kỳ sống ngắn

Một nhược điểm lớn của pin natri là mật độ năng lượng của chúng , nói cách khác, lượng năng lượng được lưu trữ so với thể tích của pin. Mật độ của pin natri vẫn tương đối thấp, từ 140 Wh/Kg đến 160 Wh/kg , so với 180 Wh/Kg–250 Wh/Kg của pin lithium-ion.

Một yếu tố ngăn cản lớn khác đối với việc sử dụng pin natri trong thực tế là vòng đời ngắn của chúng . Sự xuống cấp nhanh chóng là do khối lượng ion natri lớn hơn, lớn gấp 3 lần so với ion lithium. Các ion natri tạo ra ứng suất cơ học lớn hơn trong chuyển động giữa cực dương và cực âm, khiến graphite—vật liệu cực dương—bị phá hủy sau một vài chu kỳ.

Ứng dụng chính

Ứng dụng chính: việc sử dụng pin natri có lợi ích gì?

Pin natri có thể là giải pháp thay thế cho pin lithium trong những ứng dụng mà yếu tố kinh tế quan trọng hơn hiệu suất.

Cụ thể hơn, chi phí thấp và mật độ năng lượng thấp khiến pin natri-ion đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cố định và hệ thống lưu trữ năng lượng . Bao gồm các hệ thống quang điện và năng lượng gió có cấu hình sản xuất không liên tục. Trên thực tế, các thiết bị Na-ion có mức độ an toàn cao khiến chúng phù hợp với các ứng dụng như vậy, đòi hỏi chu kỳ sạc và xả hàng giờ và hàng ngày thường xuyên.

Công nghệ ion natri chưa thực sự phổ biến trong lĩnh vực này do tuổi thọ chu kỳ thấp, vẫn không thể đáp ứng được số lượng lớn các chu kỳ sạc và xả mà các ứng dụng này yêu cầu. Nếu các tế bào natri trở nên cạnh tranh về thời gian vòng đời với các phát triển nghiên cứu mới, chúng chắc chắn có thể là một công nghệ tốt cho các ứng dụng cố định.

“Pin natri hiện có hiệu suất hạn chế do mật độ năng lượng thấp, nhưng chúng đại diện cho một giải pháp thay thế thực sự cho lithium cho các ứng dụng hiệu suất thấp hơn. Điều này rất quan trọng nếu chúng ta muốn đáp ứng nhu cầu của thị trường đang không ngừng phát triển này. Chúng ta cần tiếp tục hướng đến tương lai và đảm bảo tính bền vững của chuỗi cung ứng bằng cách sử dụng lithium trong các ứng dụng mà nó là không thể thiếu trong khi tiếp tục tìm kiếm các công nghệ cho phép phân biệt một phần sản xuất và chấm dứt sự phụ thuộc nặng nề vào lithium để đáp ứng toàn bộ nhu cầu.”

Alan Pastorelli

CTO và Đồng sáng lập của Flash Battery – LinkedIn

Triển vọng cho công nghệ ion natri

Triển vọng của công nghệ ion natri là gì?

Theo dự báo, thị trường pin natri-ion dự kiến ​​sẽ tăng trưởng với tốc độ 27% mỗi năm trong thập kỷ tới. Sản lượng hàng năm dự kiến ​​sẽ tăng từ 10 GWh vào năm 2025 lên khoảng 70 GWh vào năm 2033, tăng gần 600%.

Công nghệ ion natri có thể trở nên phổ biến hơn nữa nhờ vào việc phần lớn các công nghệ được sử dụng cho sản xuất pin natri và pin lithium đều giống nhau, tạo khả năng chuyển đổi dây chuyền sản xuất và giúp tiết kiệm chi phí hơn.

Mặc dù pin natri-ion vẫn còn một số vấn đề cần giải quyết, nhưng sự quan tâm đến loại pin này đang ngày càng tăng trong thế giới điện khí hóa, đến nỗi các công ty quốc tế lớn trong lĩnh vực sản xuất pin đang chuyển sự chú ý sang công nghệ này.

Pin natri đặc biệt khơi dậy sự tò mò của ngành ô tô .

CATL , nhà sản xuất pin lithium-ion lớn nhất thế giới cho xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, đã đưa hóa học natri-ion vào tầm ngắm vào năm 2021, giới thiệu đây là một trong những công nghệ mới nổi mà họ sẽ đầu tư để tạo sự khác biệt cho sản phẩm của mình.

Gã khổng lồ Trung Quốc đang thực hiện điều này với nhận định rằng việc thay thế một phần thị trường hiện đang nắm giữ pin lithium-ion bằng pin natri-ion sẽ làm giảm đáng kể giá pin lithium.

CATL đã đưa ra một ý tưởng sáng tạo để khắc phục nhược điểm của pin natri: đó là phát triển một bộ pin lai . Điều này bao gồm việc kết hợp và ghép nối pin natri-ion và pin lithium-ion theo một tỷ lệ nhất định, tích hợp chúng vào một hệ thống pin và sử dụng BMS thông minh để điều khiển các hệ thống pin khác nhau. Tùy thuộc vào nhu cầu, xe có thể khai thác hiệu suất nhiệt độ thấp của pin natri-ion hoặc mật độ năng lượng cao. Dự án vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, nhưng toàn bộ ngành công nghiệp đã hướng mắt đến công ty Trung Quốc này.

Mặc dù có một số vấn đề quan trọng cần giải quyết, công nghệ ion natri chắc chắn đang tự tạo ra một phần ngày càng lớn hơn của thị trường. Nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện đang rất được quan tâm—cũng như các công nghệ mới nổi khác, chẳng hạn như pin thể rắn ,—và các nguồn lực lớn đang được đầu tư để vượt qua các rào cản hiện đang cản trở việc triển khai trên quy mô lớn. Việc giới thiệu công nghệ này ra thị trường có thể mang lại những lợi thế hữu hình cho các lĩnh vực mà mật độ năng lượng là yếu tố thứ yếu so với yếu tố kinh tế và hiện chỉ dựa vào pin lithium.

Cấu trúc pin

Hình ảnh bên dưới cho thấy sơ đồ của pin natri-ion. Cấu trúc của pin natri-ion tương tự như cấu trúc của pin lithium-ion.

Nguyên lý hoạt động và cấu trúc cell gần như giống hệt với các loại pin lithium-ion. Nhưng hợp chất natri được sử dụng thay cho hợp chất lithium.

Pin ion natri

Nguyên lý hoạt động của pin ion natri là gì?

Pin ion natri bao gồm một catốt dựa trên vật liệu chứa natri, một anot (không nhất thiết phải là vật liệu gốc natri) và chất điện phân lỏng chứa muối natri phân ly trong dung môi phân cực protic hoặc aprotic.

Trong quá trình sạc, các ion natri được chiết xuất từ ​​catốt và đưa vào anot trong khi các electron di chuyển qua mạch ngoài.

Trong quá trình xả, quá trình ngược lại xảy ra khi các ion natri được chiết xuất từ ​​anot. Và được đưa trở lại catot với các electron di chuyển qua mạch ngoài để thực hiện công việc hữu ích.

Nguyên lý hoạt động của pin ion natri

Ưu điểm độc đáo của pin ion natri là gì?

Lợi thế về giá

Theo số liệu thống kê của Statista, nhu cầu về pin lithium ngày càng tăng, giá lithium carbonate làm nguyên liệu thô cũng tăng mạnh. Vào cuối năm 2021, giá Lithium Carbonate đã đạt 17.000 USD/Tấn.

Giá Lithium Carbonate

Tuy nhiên, giá Natri chỉ cần 2000 đô la/tấn.

Chi Phí Của Lithium VS Natri

Giá nguyên liệu thô liên quan đến hàm lượng trong lớp vỏ. Theo thử nghiệm và phân tích thống kê, hàm lượng natri cao gấp 1351 lần (23000/17) so với hàm lượng liti. Đó cũng là lý do tại sao giá liti đắt hơn natri.

Bảng thành phần nguyên tố đất

Bảng thành phần nguyên tố đất

Vì vậy, về chi phí cuối cùng của pin, pin ion Natri sẽ giảm 30%~40% so với pin ion Lithium. Hình ảnh bên dưới để hiển thị chi tiết.

Chi phí của pin ion natri so với chi phí của pin lithium

Thân thiện với môi trường

Gần như không có thành phần kim loại nặng nào có thể gây ô nhiễm môi trường, pin ion natri hoàn toàn an toàn và thân thiện với môi trường.

Chúng ta có thể thấy trước rằng pin natri-ion sẽ trở thành giải pháp thay thế bền vững, chi phí thấp cho pin lithium-ion cho mọi loại ứng dụng.

Chẳng hạn như xe điện tốc độ thấp và lưu trữ năng lượng quy mô lớn (ESS).

Ngày càng chuyển sang năng lượng gió, mặt trời và thủy điện, họ dựa vào hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin để có hiệu suất hoạt động liên tục trong mọi điều kiện thời tiết.

An toàn hơn

Theo nghiên cứu của nhóm Jerry Barker thuộc Faradion UK , pin natri-ion thực sự có thể được xả an toàn xuống 0 V (0% SOC thực sự). Điều này rõ ràng có thể làm giảm khả năng nguy hiểm của pin trong quá trình vận chuyển và lưu trữ.

Pin ion natri được xả đến 0 V

Xả quá mức (dưới 0% SOC) của pin Li-ion gốc than chì có thể làm giảm đáng kể tuổi thọ của pin.

Hoặc có thể dẫn đến cháy nổ do chập mạch bên trong do đồng kim loại bám vào cực âm.

Nhưng đối với pin Na-ion, cực dương sử dụng chất nền thu dòng điện bằng nhôm nhẹ hơn và rẻ hơn, cho phép xả an toàn xuống 0 V.

Và giúp cải thiện năng lượng riêng và giảm chi phí của pin Na-ion.

Khả năng xả an toàn xuống 0 V của pin natri-ion không chỉ mang lại lợi ích cho người tiêu dùng mà còn cho các nhà sản xuất pin natri-ion theo nhiều cách.

Có bao nhiêu loại pin ion natri?

NaMnO2

Hina Energy đặc biệt phát triển pin NaMnO2 (Pin ion natri, NaNi0,12Cu0,12Mg0,12Fe0,15Co0,15Mn0,1Ti0,1Sn0,1Sb0,04O2), thông số điển hình như sau,

(1) Điện áp làm việc: 3.2V.

(2) Nhiệt độ làm việc: -40℃~80℃.

(3) Tuổi thọ chu kỳ: ≥4500 chu kỳ@83% (2C/2C).

(4) Mật độ năng lượng: ≥145Wh/kg.

(5) Đánh giá hiệu suất: Công suất 5C ≥ 90% công suất 1C.

(6) Hiệu suất lưu trữ: Lưu trữ ở nhiệt độ phòng trong 28 ngày với khả năng giữ điện tích ≥ 94% công suất định mức và khả năng phục hồi điện tích ≥ 99% công suất định mức.

Na3V2 ( PO4 ) 2F3​​​​​

Cơ quan nghiên cứu Alistore-European đã chế tạo một cell 18650 sử dụng catốt Na3V2(PO4)2F3 và anode carbon cứng. Và nó đã chứng minh được 75 Wh/kg và 4000 chu kỳ ở tốc độ 1C. Nhưng pin Natri này vẫn đang trong quá trình phát triển.

Na2FeFe(CN)6

Cơ quan Alarch đã phát triển riêng một loại pin ion Natri có thành phần là NaxFe[Fe(CN)6] với x>1,9.

Vật liệu này lý tưởng để làm điện cực dương hiệu suất cao trong pin ion natri và có thể ghép nối với vật liệu anot không chứa natri.

Lưu trữ lý tưởng là trong điều kiện trơ để duy trì chất lượng trong thời gian dài hơn. Điện áp danh định trung bình 3,25 V, dung lượng ~160 mAh g-1.

Thông số kỹ thuật của Pin Ion Natri Altris

Na2Fe2(SO4)3

Ứng dụng của pin natri-ion là gì?

Do chi phí thấp hơn, nhiều chu kỳ và về cơ bản không gây ô nhiễm môi trường, pin natri cuối cùng sẽ được ưa chuộng bởi các phương tiện lưu trữ năng lượng và tốc độ thấp. Các ứng dụng điển hình như sau.

1. Hệ thống lưu trữ năng lượng mặt trời

2. Hệ thống lưu trữ năng lượng gia đình

3. Xe tốc độ thấp

4. Thuyền điện

Ai sản xuất pin natri? 3 nhà sản xuất hàng đầu.

Faradion

Faradion Energy là một công ty của Anh. Được thành lập vào năm 2011 bởi Tiến sĩ Jerry Barker, Tiến sĩ Chris Wright và Ashwin Kumaraswamy, nhằm phát triển và đưa công nghệ ion natri ra thị trường.

Người ta đã phát hiện ra rằng pin natri-ion rẻ hơn và an toàn hơn pin lithium-ion. Nhưng có mật độ năng lượng cao hơn và phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng hơn so với các loại pin khác.

Với sự kết hợp giữa chi phí, độ an toàn và hiệu suất, pin natri-ion của Faradion hiện đang được các bên được cấp phép và đối tác của chúng tôi sản xuất để chứng minh những lợi ích của công nghệ này trong các ứng dụng thực tế.

Năng lượng Natron

Natron Energy là một công ty Mỹ. Giải pháp của Who cho các ứng dụng lưu trữ lưới điện và công nghiệp đầy thách thức này.

Các ô ion natri của công ty dựa trên điện cực xanh Phổ cho phép tạo ra nguồn điện, tuổi thọ và sự an toàn độc đáo: xả và sạc đầy hoàn toàn chỉ trong vài phút. Và lên đến 50.000 chu kỳ xả sâu từ một hệ thống không bắt lửa, chịu lỗi.

Dưới đây là hiệu suất của Natron Energy, bạn cũng có thể xem thông số kỹ thuật tại đây.

Thông số kỹ thuật của pin Natron Energy Sodium

CATL

CATL đã tung ra pin natri-ion thế hệ đầu tiên vào giữa năm 2021. Ông có kế hoạch thành lập chuỗi công nghiệp cơ bản vào năm 2023.

CATL cho biết tại buổi ra mắt rằng họ đã nghiên cứu và phát triển vật liệu cho điện cực pin natri-ion trong nhiều năm.

Công ty cho biết pin natri-ion thế hệ đầu tiên của họ có thể đạt mật độ năng lượng lên tới 160Wh/kg và hiện đang hướng tới mục tiêu hơn 200Wh/kg.

Pin Natri VS Pin Lithium VS Pin Axit Chì

Hiệu suất pin

Pin Natri VS Pin Lithium VS Pin Axit Chì

THeo Fbattery và ECOL-battery