Pin natri-ion một lựa chọn tốt cho Nhật Bản khan hiếm tài nguyên
Việc chuyển từ lithium sang natri, một nguồn tài nguyên thiên nhiên thực tế không cạn kiệt, mang đến cho các công ty và nhà nghiên cứu Nhật Bản cơ hội đóng góp vào một tương lai khử cacbon.
Nguyên mẫu của pin natri-ion trạng thái rắn được phát triển bởi Nippon Electric Glass (ngày 29 tháng 6 năm 2020)
Khi sự quan tâm đến quá trình khử cacbon của xã hội ngày càng tăng, tiến bộ trong việc phát triển xe điện (EV) và sử dụng năng lượng tái tạo đang thúc đẩy nghiên cứu về các tế bào lưu trữ thế hệ tiếp theo, vốn không thể thiếu cho cả hai.
Pin Lithium-ion, hiện đang được ưa chuộng, đóng một vai trò quan trọng trong việc phổ biến điện thoại thông minh.
Nhưng lithium, nguyên liệu thô, được phân phối không đồng đều ở Nam Mỹ và các nơi khác, gây ra nguy cơ nguồn cung bị ảnh hưởng bởi các mối quan hệ quốc tế.
Trong bối cảnh này, natri, một nguyên liệu thô dồi dào trên trái đất, đang bắt đầu thu hút sự chú ý như một nguyên liệu thô khả thi. Kỳ vọng sử dụng pin EV cũng đang tăng lên.
Ở Nhật Bản khan hiếm tài nguyên thiên nhiên, những ý tưởng mới và sự khéo léo là chìa khóa dẫn đến câu chuyện thành công về sự phát triển của các tế bào lưu trữ thế hệ tiếp theo này.
‘Chia tay’ sau 5 năm
“Chúng tôi sẽ đưa pin natri-ion vào sử dụng vào năm 2023.”
Thông báo này của nhà sản xuất pin Trung Quốc Contemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL) vào tháng 7 năm 2021 đã gây ra làn sóng chấn động trong ngành. Đây sẽ là lần thương mại hóa pin natri-ion đầu tiên trên thế giới — một loại pin có thể nhanh chóng thay thế pin lithium-ion chính thống.
Giáo sư Shinichi Komaba của Đại học Khoa học Tokyo, một nhà nghiên cứu hàng đầu về pin natri-ion, lưu ý: “Chúng ta có thể nói lời‘ tạm biệt ’với lithium sau 5 năm nữa”. Vào năm 2009, Tiến sĩ Komaba đã phát triển thành công loại pin natri-ion đầu tiên trên thế giới có thể sử dụng ổn định và sạc lại hơn 100 lần.
Hiện nay, pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh, máy tính xách tay và máy ảnh kỹ thuật số. Pin đã thu hút sự chú ý khi chúng được giới thiệu lần đầu tiên vì có dung lượng lưu trữ lớn với kích thước nhỏ và là động lực trong việc sản xuất các thiết bị CNTT mới, như đồng hồ thông minh.
Tuy nhiên, chúng có một số rủi ro. Có nguy cơ cháy do hư hỏng hoặc sạc quá mức, và có những trường hợp đã được ghi nhận rằng điều này đã xảy ra.
Việc sử dụng nhiều hơn các năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã làm tăng nhu cầu về các tế bào lưu trữ dung lượng cao hơn nữa, làm tăng thêm sự cạnh tranh đối với lithium. Dữ liệu cho thấy giá nguyên liệu lithium cacbonat đã tăng gấp 5 lần trong năm qua.
Trong những trường hợp này, natri đã được sử dụng làm vật liệu mới cho pin. Được tìm thấy trên khắp trái đất, natri có thể được chiết xuất từ nước biển, khiến nó hầu như không cạn kiệt.
Lật lại kiến thức chung
Pin natri-ion hoạt động trên nguyên tắc tương tự như pin lithium-ion. Pin được sạc và xả khi các ion natri di chuyển giữa các điện cực âm và dương.
Mặc dù có cơ chế tương tự như lithium và natri có sẵn rất nhiều, pin sử dụng natri vẫn chưa được thương mại hóa do có một điểm yếu cơ bản khi so sánh với lithium.
Số nguyên tử của Lithium, được xác định bởi số proton trong hạt nhân, là 3, trong khi của natri là 11. Nói chung, số nguyên tử càng cao, vật liệu càng nặng. Về mặt lý thuyết, pin natri-ion sẽ nặng hơn pin lithium ion, ngay cả khi chúng có cùng dung lượng.
Tuy nhiên, những tiến bộ công nghệ đang cố gắng lật ngược thực tế như vậy. Hai năm trước, Tiến sĩ Komaba đã có thể cải thiện đáng kể dung lượng lưu trữ bằng cách xử lý đặc biệt vật liệu carbon được sử dụng trong điện cực âm.
“Nếu sự phát triển của điện cực dương tiến triển, chúng tôi có thể vượt quá khả năng của lithium,” Tiến sĩ Komaba tự tin báo cáo.
Hơn nữa, khi các ion natri di chuyển nhanh hơn các ion lithium, thời gian sạc cho pin natri-ion có thể được rút ngắn xuống còn một nửa đến một phần năm so với pin lithium-ion. Chúng cũng được cho là mạnh hơn trong môi trường nhiệt độ thấp, nơi sản lượng có xu hướng giảm.
Pin thể rắn
Pin natri-ion cũng có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển các loại pin có hình thức hoàn toàn khác với các tế bào lưu trữ thông thường.
Các tế bào lưu trữ thông thường có một dung dịch điện phân giữa các điện cực âm và dương. Khi chất lỏng này dễ cháy, có nguy cơ xảy ra hỏa hoạn và nó có thể đóng băng ở nhiệt độ thấp gây giảm sản lượng hoặc trục trặc.
Do những lo ngại này, nghiên cứu về pin thể rắn trong đó dung dịch điện phân được thay thế bằng vật liệu rắn đang được tiến hành. Những thứ này hoạt động ngay cả trong nhiệt độ thấp, và nguy cơ cháy cũng giảm đáng kể.
Các công ty nước ngoài và trong nước đang cạnh tranh để phát triển công nghệ này. Vào tháng 11 năm 2021, Nippon Electric Glass (Thành phố Otsu) thông báo rằng họ đã phát triển pin natri-ion rắn chắc chắn không có khả năng bắt lửa bằng cách sử dụng thủy tinh kết tinh cho các điện cực dương và âm.
Cấu trúc giống như tấm pin của pin có độ dày 0,3 mm. Sản lượng yêu cầu đạt được bằng cách xếp chồng nhiều tấm.
Công ty hiện đang nỗ lực để đạt được sản xuất hàng loạt vào giữa những năm 2020. Masaaki Kadomi, 57 tuổi, tổng giám đốc nghiên cứu và phát triển, lưu ý: “Nhật Bản khan hiếm tài nguyên không có gì để mất bằng cách tập trung nỗ lực của chúng tôi vào pin natri-ion. Chúng tôi đặt mục tiêu tạo dựng tên tuổi trong phong trào tiến tới khử cacbon ”.
