Thế giới đang ngày càng phụ thuộc vào năng lượng điện. Từ ô tô, thiết bị điện tử tiêu dùng cho đến hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, tất cả đều phụ thuộc vào khả năng phát triển các loại pin tốt hơn, hiệu quả hơn. Hiện nay, pin lithium-ion đang chiếm ưu thế trên các thị trường này, tuy nhiên nhu cầu đối với các khoáng sản quan trọng dùng để sản xuất pin lithium-ion được dự báo sẽ vượt quá nguồn cung. Kết hợp với áp lực chi phí và các lo ngại về an ninh năng lượng, điều này đang thúc đẩy các doanh nghiệp và quốc gia tìm kiếm những loại pin thay thế. Trong bối cảnh các thách thức liên quan đến nguồn cung lithium, nickel và cobalt, một số nhà sản xuất thiết bị gốc đã chuyển hướng sang pin sodium-ion.

Trong tin bài lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh CNBC, nói về công nghệ pin đầy tiềm năng này.

Cấu trúc và nguyên lý của pin sodium-ion
Pin sodium-ion có thiết kế tương tự pin lithium-ion, cho phép hai công nghệ này được sản xuất bằng các phương pháp tương đồng. Cả hai đều tạo ra điện năng thông qua phản ứng hóa học và bao gồm anode (cực âm), cathode (cực dương), separator (màng ngăn) và electrolyte (chất điện phân). 

Tuy nhiên, trong pin sodium-ion, các ion lithium trong cực dương được thay thế bằng ion natri (sodium là tên gọi tiếng Anh của nguyên tố natri), và các muối lithium trong chất điện phân được thay bằng muối natri. Giống như lithium, natri vốn là thành phần của muối – cần được xử lý hóa học trước khi trở thành nguyên liệu đầu vào cho cực dương và chất điện phân. Natri nằm ngay cạnh lithium trong bảng tuần hoàn, vì vậy hai nguyên tố này có tính chất hóa học rất giống nhau, nhưng natri dồi dào hơn nhiều và có chi phí thấp hơn đáng kể. Dù vẫn đang ở giai đoạn đầu, thị trường pin sodium-ion được kỳ vọng sẽ đạt giá trị hơn 11 tỷ USD vào năm 2033.

Lợi thế về vật liệu, chi phí và an toàn
Mặc dù pin sodium-ion chưa thể cạnh tranh với pin lithium-ion về tầm hoạt động trong ứng dụng về xe điện, công nghệ này mang lại một số lợi thế đáng chú ý. Pin sodium-ion không sử dụng các nguyên liệu thô đắt đỏ như cobalt, đồng, lithium hay graphite, trong đó nguồn cung graphite hiện chủ yếu đến từ Trung Quốc. Ngoài ra, pin sodium-ion được đánh giá là an toàn hơn. Natron Energy đã giới thiệu một cell pin sodium-ion được sạc đầy và khoan xuyên qua bằng cưa lỗ, nhưng cell này không xảy ra cháy nổ hay rủi ro an toàn nào.

Sự quan tâm trở lại của ngành công nghiệp
Tập đoàn pin Trung Quốc CATL đã công bố sẽ cung cấp pin sodium-ion cho hãng ô tô Chery để sử dụng trong các mẫu xe điện. Các công ty khác như SVOLT và startup Tiamat của Pháp cũng đang theo đuổi công nghệ tương tự. Pin sodium-ion đã xuất hiện từ những năm 1970 và 1980, nhưng việc phát triển quy mô lớn từng bị bỏ dở để ưu tiên pin lithium-ion. Hiện nay, công nghệ này đang được xem xét phát triển lại một cách nghiêm túc.

Động lực từ CATL và chuỗi cung ứng công nghiệp

Sự quan tâm đến pin sodium-ion được khơi dậy mạnh mẽ sau khi CATL, nhà sản xuất pin xe điện lớn nhất thế giới – công bố đầu tư vào công nghệ này năm 2021. Tương tự pin lithium-ion, cực dương của pin sodium-ion có thể được chế tạo từ nhiều loại vật liệu khác nhau, và các công ty đang thử nghiệm nhiều vật liệu hóa học trên cực dương để tạo ra những đặc tính pin phù hợp với từng ứng dụng. 

Nhìn chung, các vật liệu sử dụng trong pin sodium-ion có chi phí thấp hơn so với pin lithium-ion. Khoảng 80% chi phí của một cell sodium-ion đến từ vật liệu, và khi so sánh ở quy mô sản xuất lớn, chi phí vật liệu của pin sodium-ion thấp hơn đáng kể so với pin lithium-ion.

Tính bền vững và phân bố tài nguyênz
Ngoài việc không sử dụng lithium, pin sodium-ion cũng không cần đến các vật liệu quan trọng khác như cobalt. Natri có trữ lượng rất lớn và có mặt ở hầu khắp mọi nơi. Nó không chỉ sẵn có từ các nguồn như muối biển, mà còn tồn tại rộng rãi trong lớp vỏ Trái Đất trên toàn cầu. Ngược lại, lithium chủ yếu tập trung tại một số quốc gia như Australia, Trung Quốc và Chile, với chỉ một vài nước khác đang phát triển sản xuất. Khoảng 70% sản lượng cobalt toàn cầu hiện nay đến từ Cộng hòa Dân chủ Congo, và phần lớn cobalt này được tinh luyện tại Trung Quốc. Những yếu tố này có khả năng tạo ra các điểm nghẽn lớn trong chuỗi cung ứng pin.

Tuổi thọ chu kỳ và dải nhiệt độ vận hành
Một ưu điểm khác của pin sodium-ion là tuổi thọ chu kỳ dài hơn, nghĩa là pin có thể sạc và xả nhiều lần hơn so với pin lithium-ion thông thường. Pin sodium-ion cũng có khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ rộng hơn. Công nghệ này cho phép pin vận hành từ khoảng -30°C đến +60°C, và thậm chí đã chứng minh khả năng hoạt động ở mức +80°C, nhờ các đặc tính nội tại của chất điện phân và vật liệu được sử dụng.

An toàn vận chuyển và hạn chế về mật độ năng lượng
Vấn đề cháy pin đã là một thách thức lớn đối với công nghệ lithium-ion. Pin lithium-ion thường phải được duy trì ở mức sạc 30-40%, và đó là lý do khi đi máy bay, hành khách được yêu cầu mang pin ra khỏi hành lý ký gửi do nguy cơ mất ổn định và cháy nổ. Trong khi đó, pin sodium-ion có thể được vận chuyển ở mức 0 V, về bản chất giống như vận chuyển một túi chất điện phân thay vì một pin đang hoạt động, giúp giảm đáng kể rủi ro an toàn. 

Tuy nhiên, điểm yếu lớn nhất của pin sodium-ion là mật độ năng lượng, tức lượng điện năng có thể lưu trữ trên một đơn vị khối lượng. Để chứa cùng một lượng điện, pin sodium-ion cần kích thước lớn và nặng hơn pin lithium-ion, điều này gây bất lợi cho xe điện, nơi không gian và trọng lượng bị giới hạn. Các vật liệu hóa học của pin lithium-ion gồm nickel, mangan và cobalt vẫn có mật độ năng lượng cao nhất, từ đó mang lại tầm hoạt động lớn hơn cho xe điện.

Faradion và chiến lược thị trường lưu trữ năng lượng
Bất chấp hạn chế về tầm hoạt động, nhiều chuyên gia tin rằng pin sodium-ion có tương lai đầy hứa hẹn và các công ty đang đẩy nhanh tốc độ thương mại hóa. Faradion, được thành lập tại Anh năm 2011, là một trong những doanh nghiệp như vậy. Năm 2022, tập đoàn Reliance Industries của Ấn Độ đã mua lại Faradion với giá 135 triệu USD. Reliance sở hữu nhu cầu nội bộ rất lớn, bao gồm nhà máy lọc dầu lớn nhất thế giới đang chuyển sang năng lượng tái tạo, một trong những công ty viễn thông lớn nhất toàn cầu với Jio, và một mảng bán lẻ quy mô rất lớn. Những lĩnh vực này đều đòi hỏi lượng điện năng đáng kể, từ phương tiện giao hàng đến hạ tầng viễn thông.

Công nghệ pin của Faradion và các ứng dụng mục tiêu
Cell pin của Faradion sử dụng cực dương được làm từ chất hóa học gọi là sodium layered oxide, chứa natri, nickel, mangan, magie, titan và oxy. Cực âm được làm từ carbon cứng (hard carbon) có nguồn gốc từ vỏ dừa hoặc các vật liệu sinh khối khác. Faradion ban đầu tập trung vào thị trường lưu trữ năng lượng tĩnh, bao gồm cung cấp nguồn điện dự phòng cho các công ty viễn thông hoặc lưu trữ năng lượng dư thừa từ các nguồn tái tạo như gió và mặt trời, ở cả quy mô lưới điện và hộ gia đình. Sau đó, công ty dự định mở rộng sang các phương tiện điện tốc độ thấp như xe đạp điện, xe tay ga và xe lam điện. Các loại máy móc hạng nặng như xe nâng cũng là những ứng dụng tiềm năng.

Lộ trình cải thiện mật độ năng lượng và mở rộng sản xuất
Faradion đã lắp đặt hệ thống pin sodium-ion đầu tiên cho lưu trữ năng lượng tại Australia vào năm 2022 và cho biết pin của họ đã có khả năng cạnh tranh với công nghệ LFP (1). Trong các cell được sản xuất, Faradion đạt mật độ năng lượng khoảng 160 Wh/kg và đang phát triển để nâng con số này lên 190-200+ Wh/kg. Khi tiếp tục cải thiện mật độ năng lượng, Faradion nhìn thấy khả năng tiến vào thị trường xe điện, trước hết là các phương tiện thương mại như xe buýt và xe tải, vốn có nhiều không gian hơn cho các bộ pin lớn.
(1) Lithium iron phosphate (LFP) là một công nghệ pin lithium-ion sử dụng vật liệu LiFePO₄ làm cực dương. Hệ hoá học này được ưa chuộng nhờ độ an toàn rất cao, cấu trúc phosphate ổn định, khả năng chống quá nhiệt tốt và tuổi thọ chu kỳ dài.

Tuy nhiên, thị trường xe điện là một không gian cạnh tranh khốc liệt, đòi hỏi vốn lớn và chu kỳ thiết kế dài. Dù vậy, do sự quan tâm mạnh mẽ đối với công nghệ này, Faradion coi việc hợp tác và xuất hiện trong lộ trình của các nhà sản xuất xe là điều hết sức quan trọng. Thách thức lớn nhất hiện nay của công ty là mở rộng quy mô sản xuất, với các cơ sở R&D tại Anh và kế hoạch mở rộng nhà máy tại Ấn Độ, từ quy mô thử nghiệm hàng trăm tấn lên các gigafactory (nhà máy công suất lớn) với công suất hàng gigawatt-giờ mỗi năm.

Natron Energy và công nghệ Prussian blue
Natron Energy là một doanh nghiệp khác đang thương mại hóa pin sodium-ion. Được thành lập năm 2012 tại Santa Clara, California, Natron tập trung vào pin sodium-ion sử dụng vật liệu giàu natri dựa trên sắc tố Prussian blue. Prussian blue là một sản phẩm tiêu dùng phổ biến, được sử dụng trong sơn, quần jean xanh và nhiều ứng dụng khác, đồng thời cũng có khả năng lưu trữ năng lượng rất hiệu quả dưới dạng ion natri. Đây là một hợp chất tương đối đơn giản để tổng hợp, và bất kỳ nhà máy hóa chất nào có kiểm soát quy trình và chất lượng tốt đều có thể sản xuất vật liệu Prussian blue có độ tinh khiết cao.

Cấu trúc cell và chuỗi cung ứng của Natron
Trong các cell pin của Natron, cực dương sử dụng vật liệu chứa natri có hàm lượng sắt cao, trong khi cực âm sử dụng vật liệu chứa natri có hàm lượng magie cao. Cả hai điện cực đều được phủ lên lá nhôm tương tự loại nhôm dùng trong gia đình. Vỏ pin là vật liệu laminate gồm lá nhôm phủ nhựa. Giữa hai điện cực là màng ngăn (serapator), về bản chất là một lớp nhựa giống màng bọc thực phẩm, có trộn thêm một lượng nhỏ silica (tức bụi thủy tinh). Natron đã thuê ngoài việc sản xuất vật liệu điện cực cho công ty hóa chất chuyên dụng Arxada tại Thụy Sĩ, đồng thời duy trì các hoạt động R&D nội bộ và vận hành dây chuyền.

Sản xuất quy mô lớn và thị trường mục tiêu
Một lợi thế lớn của công nghệ sodium-ion là khả năng sử dụng chung các nhà máy sản xuất pin lithium-ion. Natron đang tận dụng điều này thông qua hợp tác với Clarios, sử dụng một phần nhà máy tại Michigan để bắt đầu sản xuất quy mô lớn pin sodium-ion từ mùa thu năm 2023. Nhà máy này có quy mô trung bình, cho phép Natron chứng minh rằng pin sodium-ion có thể được sản xuất trên dây chuyền lithium-ion hiện có trước khi xây dựng nhà máy toàn cầu. 

Thay vì nhắm ngay vào thị trường xe điện, Natron tập trung vào trung tâm dữ liệu, nơi pin có thể cung cấp nguồn điện dự phòng khi xảy ra sự cố. Trạm sạc nhanh cho xe điện cũng là một thị trường tiềm năng, và Natron đang thử nghiệm ứng dụng này cùng nhà đầu tư Chevron.

Ứng dụng mở rộng và đầu tư chiến lược
Trong mô hình trạm sạc, các bộ pin lưu trữ tĩnh lớn sẽ được lắp đặt để cung cấp các xung công suất cao khi nhiều xe sạc cùng lúc, thay vì tạo áp lực trực tiếp lên lưới điện. United Airlines cũng đã đầu tư vào Natron và có kế hoạch sử dụng pin của công ty để điện hóa các hoạt động mặt đất. Theo CEO Colin Wessells, Natron đã huy động được khoảng 175 triệu USD kể từ khi thành lập, với các nhà đầu tư bao gồm ABB và Khosla Ventures.

Trung Quốc và cuộc đua thống trị sodium-ion
Natron và Faradion chỉ là hai trong số nhiều công ty đang tìm cách thương mại hóa pin sodium-ion, trong bối cảnh ngày càng nhiều hãng xe công bố kế hoạch tích hợp công nghệ này vào sản phẩm của họ. Tương tự lithium-ion, Trung Quốc đang dẫn đầu trong việc triển khai pin sodium-ion. Trong số 20 nhà máy pin sodium-ion đã được lên kế hoạch hoặc đang xây dựng trên toàn cầu, có tới 16 nhà máy đặt tại Trung Quốc. Với vị thế dẫn đầu hiện nay trong chuỗi cung ứng lithium-ion, một số nhận định cho rằng Trung Quốc cũng sẽ mở rộng sự sự dẫn đầu này sang chuỗi cung ứng sodium-ion, tùy thuộc vào nơi năng lực sản xuất được triển khai trong tương lai.

Triển vọng dài hạn của pin sodium-ion
Hầu hết các chuyên gia cho rằng pin sodium-ion sẽ đóng vai trò bổ trợ, song hành cùng pin lithium-ion, giúp giảm bớt áp lực về nguồn cung thay vì thay thế hoàn toàn. Trong khoảng 10 năm tới, pin sodium-ion được kỳ vọng sẽ giữ vị trí quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp và lưu trữ năng lượng cho lưới điện. 

Đối với xe điện, công nghệ này có thể phù hợp với một số phân khúc nhất định, dù vẫn chưa rõ liệu nó có thể thâm nhập sâu vào thị trường xe du lịch phổ thông hay không. Một kịch bản khả dĩ là pin sodium-ion trở thành lựa chọn chi phí thấp cho các phiên bản cấu hình thấp, với tầm hoạt động ngắn hơn nhưng giá thành rẻ hơn. Nhiều ý kiến cho rằng ở những phân khúc hiện do công nghệ LFP chiếm lĩnh, pin sodium-ion sẽ dần giành thị phần. Tuy nhiên, lithium-ion đã có lợi thế phát triển sớm hàng chục năm, vì vậy trong tương lai gần, sodium-ion nhiều khả năng sẽ bổ sung và chia sẻ thị phần hơn là thay thế hoàn toàn. 

Thành công cuối cùng của công nghệ này, như mọi công nghệ mới khác, phụ thuộc lớn vào khả năng mở rộng quy mô sản xuất. Dù vậy, các nhà sản xuất pin sodium-ion vẫn lạc quan, coi quá trình chuyển đổi toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch sang năng lượng xanh là một bước ngoặt mang tính thế hệ, trong đó pin sodium-ion sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng.

Để xem các tin bài khác về “Pin Sodium-Ion”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: CNBC