Quá trình chuyển đổi sang một xã hội không có nhiên liệu hóa thạch đồng nghĩa với việc nhu cầu về pin đang tăng lên với tốc độ nhanh chóng. Đồng thời, sự gia tăng này sẽ đồng nghĩa với việc thiếu hụt các kim loại lithium và coban, những thành phần chính trong các loại pin phổ biến nhất. Một lựa chọn là pin natri-ion, trong đó muối ăn và sinh khối từ ngành lâm nghiệp là nguyên liệu thô chính.
Pin natri-ion chứa natri—một chất rất phổ biến được tìm thấy trong muối ăn—thay vì lithium. Tín dụng: Chalmers
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển, đã chứng minh rằng những pin natri-ion này có tác động đến khí hậu tương đương với pin lithium-ion mà không có nguy cơ cạn kiệt nguyên liệu thô. "Các vật liệu chúng ta sử dụng trong pin trong tương lai sẽ rất quan trọng để có thể chuyển sang năng lượng tái tạo và đội xe không dùng hóa thạch,”" Rickard Arvidsson, Phó Giáo sư Phân tích Hệ thống Môi trường tại Chalmers cho biết.
Theo Đạo luật Nguyên liệu thô Quan trọng của Ủy ban Châu Âu, nhu cầu về nguyên liệu pin thô quan trọng dự kiến sẽ tăng theo cấp số nhân khi các nước EU chuyển đổi sang hệ thống năng lượng tái tạo và xe điện. Quá trình chuyển đổi xanh cũng sẽ đòi hỏi phải sản xuất pin tại địa phương nhiều hơn và các công nghệ mới không sử dụng hóa thạch khác, đồng thời cần có nguồn cung cấp nguyên liệu thô ổn định để đáp ứng nhu cầu. Đồng thời, hoạt động sản xuất như vậy có nguy cơ gián đoạn nguồn cung cao do số lượng nguồn nguyên liệu thô hạn chế.
"Pin lithium-ion đang trở thành công nghệ thống trị trên thế giới và chúng tốt hơn cho khí hậu so với công nghệ dựa trên hóa thạch, đặc biệt là khi nói đến vận tải. Nhưng lithium đặt ra một nút thắt cổ chai. Bạn không thể sản xuất pin dựa trên lithium với tốc độ như bạn muốn sản xuất ô tô điện và tiền gửi có nguy cơ cạn kiệt trong thời gian dài”. Arvidsson nói. Ngoài ra, các vật liệu pin quan trọng như lithium và coban phần lớn chỉ được khai thác ở một số nơi trên thế giới, gây rủi ro cho nguồn cung.
Pin natri-ion cung cấp công nghệ đầy hứa hẹn
Sự phát triển của các công nghệ pin mới đang tiến triển nhanh chóng trong nỗ lực tìm kiếm thế hệ lưu trữ năng lượng bền vững tiếp theo—tốt nhất là có tuổi thọ dài, có mật độ năng lượng cao và dễ sản xuất.
Nhóm nghiên cứu tại Chalmers đã chọn xem xét pin natri-ion có chứa natri – một chất rất phổ biến được tìm thấy trong natri clorua thông thường – thay vì lithium. Trong một nghiên cứu mới, họ đã thực hiện cái gọi là đánh giá vòng đời của pin, trong đó họ đã kiểm tra tổng tác động đến môi trường và tài nguyên trong quá trình khai thác và sản xuất nguyên liệu thô.
Bài viết "Đánh giá tương lai vòng đời của pin natri-ion được làm từ các nguyên tố dồi dào" đã được xuất bản trên Tạp chí Sinh thái Công nghiệp.
"Chúng tôi đi đến kết luận rằng pin natri-ion tốt hơn nhiều so với pin lithium-ion về tác động đối với sự khan hiếm tài nguyên khoáng sản và tương đương về tác động đến khí hậu. Tùy thuộc vào kịch bản mà bạn xem xét, chúng có dung lượng lưu trữ điện lý thuyết là từ 60 đến chỉ hơn 100 kg lượng carbon dioxide tương đương trên mỗi kilowatt giờ, thấp hơn so với báo cáo trước đây đối với loại pin natri-ion này. Đây rõ ràng là một công nghệ đầy hứa hẹn”. Rickard Arvidsson nói.
Các nhà nghiên cứu cũng xác định một số biện pháp có khả năng làm giảm hơn nữa tác động của khí hậu, chẳng hạn như phát triển chất điện phân tốt hơn cho môi trường, vì nó chiếm phần lớn trong tổng tác động của pin.
Năng lượng xanh đòi hỏi phải lưu trữ năng lượng
Pin natri-ion ngày nay dự kiến sẽ được sử dụng để lưu trữ năng lượng cố định trong lưới điện và với sự phát triển không ngừng, chúng có thể cũng sẽ được sử dụng trong xe điện trong tương lai. "Lưu trữ năng lượng là điều kiện tiên quyết cho việc mở rộng năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Vì việc lưu trữ chủ yếu được thực hiện bằng pin, câu hỏi đặt ra là những viên pin đó sẽ được làm từ gì? Nhu cầu ngày càng tăng về lithium và coban có thể là trở ngại cho sự phát triển này”. Arvidsson nói.
Ưu điểm chính của công nghệ này là vật liệu chế tạo pin natri-ion rất dồi dào và có thể tìm thấy ở khắp nơi trên thế giới. Một điện cực trong pin – cực âm – có các ion natri làm chất mang điện và điện cực còn lại – cực dương – bao gồm carbon cứng, một trong những ví dụ mà các nhà nghiên cứu Chalmers đã nghiên cứu có thể được sản xuất từ sinh khối từ ngành lâm nghiệp .
Xét về mặt quy trình sản xuất và địa chính trị, pin natri-ion cũng là một giải pháp thay thế có thể đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang một xã hội không có hóa thạch. "Pin dựa trên nguồn nguyên liệu thô dồi dào có thể giảm rủi ro địa chính trị và sự phụ thuộc vào các khu vực cụ thể, cho cả nhà sản xuất pin và quốc gia" Rickard Arvidsson nói.
Thông tin thêm về nghiên cứu
Nghiên cứu này là đánh giá tiềm năng về vòng đời của hai loại pin natri-ion khác nhau, trong đó tác động đến môi trường và tài nguyên được tính toán từ đầu đến cuối, tức là từ khai thác nguyên liệu thô đến sản xuất pin. Đơn vị chức năng của nghiên cứu là công suất lưu trữ điện lý thuyết 1 kWh ở cấp độ tế bào. Cả hai loại pin đều chủ yếu dựa trên nguồn nguyên liệu thô dồi dào.
Cực dương được tạo thành từ carbon cứng từ lignin có nguồn gốc sinh học hoặc nguyên liệu hóa thạch, và cực âm được tạo thành từ cái gọi là "màu trắng Phổ"; (bao gồm natri, sắt, cacbon và nitơ). Chất điện phân chứa muối natri. Việc sản xuất được mô hình hóa để tương ứng với sản xuất quy mô lớn trong tương lai. Ví dụ, việc sản xuất pin thực tế dựa trên việc sản xuất pin lithium-ion quy mô lớn ngày nay tại các nhà máy giga.
Hai tổ hợp điện khác nhau đã được thử nghiệm, cũng như hai loại phương pháp phân bổ khác nhau, đó là phân bổ tài nguyên và lượng khí thải. Một phương pháp trong đó tác động đến khí hậu và tài nguyên được phân bổ giữa các sản phẩm phụ dựa trên khối lượng và một phương pháp trong đó tất cả tác động được phân bổ cho sản phẩm chính (pin natri-ion cùng các thành phần và vật liệu của nó).
