Nhiều kỹ sư pin và những người ủng hộ họ đã tìm cách trong nhiều năm để chế tạo pin rẻ hơn công nghệ lithium-ion đang thống trị, hy vọng sẽ chiếm được một phần thị trường lithium-ion trị giá 50 tỷ đô la một năm và đang phát triển. Đối thủ được các nhà nghiên cứu, công ty khởi nghiệp và nhà đầu tư mạo hiểm yêu thích mới nhất - pin natri-ion - đã nhận được nhiều sự chú ý sau khi những thách thức về chuỗi cung ứng khoáng sản do COVID gây ra đã khiến giá lithium tăng vọt.
Từ trái sang phải, các tác giả nghiên cứu William Chueh, Sally Benson và Adrian Yao. Tín dụng: Jim Gensheimer
Tuy nhiên, theo một nghiên cứu mới trên tạp chí Nature Energy , có thể phải mất nhiều năm nữa mới có thể tạo ra được loại pin natri-ion giá rẻ và sẽ cần đến một loạt tiến bộ công nghệ cũng như điều kiện thị trường thuận lợi .
Pin natri-ion thường được cho là có chi phí thấp hơn và chuỗi cung ứng bền vững hơn so với pin lithium-ion. Mặc dù có nhiều tiềm năng, pin natri-ion vẫn phải đối mặt với một cuộc đấu tranh gian nan. Lượng năng lượng mà chúng giữ trên một pound có xu hướng thấp hơn pin lithium-ion.
Vì vậy, ngoài giá vật liệu có thể thấp hơn, chi phí cho mỗi đơn vị năng lượng được lưu trữ vẫn cao hơn đối với pin natri-ion. Điều này có thể sẽ hạn chế việc áp dụng thương mại rộng rãi—trừ khi có thể tạo ra những đột phá trong nghiên cứu trước. Các lĩnh vực màu mỡ nhất để tiến bộ được nêu bật trong nghiên cứu, đầu tiên là quan hệ đối tác mới giữa Viện Năng lượng Precourt của Trường Phát triển Bền vững Stanford Doerr và Trung tâm Pin SLAC-Stanford.
Chương trình mới, STEER, đánh giá tiềm năng công nghệ và kinh tế của các công nghệ năng lượng mới nổi và tư vấn "nên xây dựng cái gì, đổi mới ở đâu và đầu tư như thế nào" cho quá trình chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu mới đã đánh giá hơn 6.000 kịch bản để kiểm tra tính vững chắc của lộ trình của họ đối với tiềm năng cạnh tranh của pin natri-ion.
"Giá pin lithium-ion đã tăng lần đầu tiên vào năm 2022, điều này đã gây ra báo động về khả năng cần một giải pháp thay thế. Pin natri-ion có lẽ là đối thủ hấp dẫn nhất trong tương lai gần đối với pin lithium-ion và nhiều công ty sản xuất pin đã công bố kế hoạch xây dựng cơ sở sản xuất pin natri-ion, hứa hẹn con đường giảm giá thành so với công ty hiện tại", Adrian Yao, tác giả chính của nghiên cứu cũng như là người sáng lập và trưởng nhóm của STEER, bắt đầu vào tháng 10 năm 2023 với sự hỗ trợ của ba văn phòng thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết.
Yao, một ứng viên tiến sĩ đã quay trở lại học viện sau tám năm làm người sáng lập và giám đốc công nghệ của một công ty khởi nghiệp về pin lithium-ion hiện đang sản xuất pin ở quy mô thương mại lớn, cho biết: "Chúng tôi nhận ra rằng liệu pin natri-ion có thể làm giảm giá pin lithium-ion hay không, khi nào và bằng cách nào phần lớn chỉ là suy đoán, đặc biệt là khi giá pin lithium-ion tiếp tục giảm".
Các cố vấn tiến sĩ của Yao là các tác giả chính của nghiên cứu mới và là đồng giám đốc của STEER: Sally Benson, Giáo sư Gia đình Precourt tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Năng lượng thuộc Trường Phát triển Bền vững Doerr; và William Chueh, phó giáo sư khoa học vật liệu tại Trường Kỹ thuật, khoa học photon tại SLAC và khoa học và kỹ thuật năng lượng tại Trường Doerr.
Benson cho biết: "Nghiên cứu về ion natri này là nỗ lực hoàn hảo để khởi động STEER như một cách mới để định hướng nghiên cứu và đầu tư theo lộ trình công nghệ đáng theo đuổi nhất và có lẽ quan trọng hơn là tránh xa những lộ trình không có khả năng thành công".
Những điều nên và không nên làm đối với ion natri
Để cạnh tranh về giá, cụ thể là với một biến thể giá rẻ của pin lithium-ion được gọi là lithium-iron-phosphate, nghiên cứu này nêu bật một số tuyến đường chính cho các nhà phát triển pin natri-ion. Quan trọng nhất là tăng mật độ năng lượng mà không cần sử dụng các khoáng chất quan trọng. Cụ thể, các nhà phát triển nên nhắm mục tiêu vào mật độ năng lượng lithium-iron-phosphate trong khi tránh xa niken. Hiện nay, hầu hết các thiết kế natri-ion hàng đầu đều dựa vào kim loại tương đối đắt tiền.
Chueh cho biết: "Tuy nhiên, mục tiêu chính của chúng tôi không phải là dự đoán những năm cụ thể mà chúng tôi kỳ vọng giá cả ngang bằng, mà là làm nổi bật tác động của nhiều kịch bản thị trường khác nhau đến khả năng tồn tại của các công nghệ cạnh tranh".
"Là những nhà công nghệ và nhà đầu tư, chúng tôi không thể cho rằng quy mô kinh tế sẽ luôn khiến giá giảm mạnh khi một thiết bị đạt đến sản xuất thương mại. Đúng, sẽ có một đường cong học tập, nhưng ở đây chúng tôi định lượng đường cong này và chỉ ra rằng nó không đủ", Chueh, cũng là giám đốc của Viện Năng lượng Precourt, cho biết. "Những tiến bộ về kỹ thuật có thể sẽ làm được nhiều hơn thế nữa để cắt giảm chi phí pin natri-ion so với việc chỉ đơn giản là mở rộng quy mô sản xuất".
Các nhà nghiên cứu cho biết những tiến bộ như vậy và hóa chất pin mới nói chung đáng để theo đuổi. Việc tiếp tục phụ thuộc quá nhiều vào pin lithium-ion khi cần nhiều năng lượng lưu trữ hơn cho quá trình chuyển đổi toàn cầu sang năng lượng bền vững sẽ gây ra rủi ro về an ninh, kinh tế và địa chính trị.
Ví dụ, nghiên cứu mô phỏng cách thức sức cạnh tranh của ion natri sẽ tăng tốc nếu cú sốc cung xảy ra với than chì - một vật liệu quan trọng được sử dụng trong pin lithium-ion, nơi Trung Quốc kiểm soát hơn 90% nguồn cung toàn cầu. Trên thực tế, vào ngày 3 tháng 12 năm 2024, Trung Quốc bắt đầu hạn chế đáng kể việc xuất khẩu than chì sang Hoa Kỳ, đồng thời cấm xuất khẩu ba loại khoáng sản quan trọng khác.
Nghiên cứu cũng xác định các lực lượng thị trường và điều kiện chuỗi cung ứng có thể gây tổn hại đến sự cạnh tranh của natri-ion với lithium-ion. Ví dụ, nếu giá lithium tiếp tục ở mức hiện tại gần mức thấp lịch sử, natri-ion có một bộ công nghệ hẹp hơn để trở nên có lợi thế về giá trong thập kỷ tới.
"Một điều quan trọng mà chúng tôi học được từ những người hành nghề trong ngành là mặc dù giá pin rất quan trọng, nhưng công nghệ chỉ thành công ở cấp độ hệ thống, chẳng hạn như xe điện hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng pin quy mô lưới điện. Đó là lý do tại sao chúng tôi hiện đang mở rộng phạm vi hoạt động để cung cấp góc nhìn toàn diện hơn, bao gồm cả việc hiểu rõ chi phí an toàn và các cân nhắc khác về hệ thống", Yao cho biết.
Tiếp theo
STEER đã bắt đầu áp dụng cách tiếp cận của mình vào các lĩnh vực công nghệ khác. Các nhà nghiên cứu của họ đang xem xét chuỗi cung ứng của khoáng sản quan trọng đã đề cập trước đó và thường bị bỏ qua: than chì. Các giám đốc điều hành ngành và các nhà lãnh đạo Bộ Năng lượng đã tư vấn về những câu hỏi đúng đắn để hỏi và trả lời tại một cuộc họp bàn tròn ở Washington, DC vào tháng 9. Hội thảo bao gồm hơn 40 tổ chức trong ngành, kết nối chuỗi giá trị từ các công ty khai thác đến các nhà sản xuất ô tô, cũng như mọi nhà sản xuất than chì.
"STEER có thể xác định những con đường có nhiều khả năng đóng góp nhất vào quá trình chuyển đổi năng lượng và những con đường có khả năng không dẫn đến đâu cả nhờ vào sự cộng tác của chúng tôi trong ngành công nghiệp, chính phủ và các tổ chức nghiên cứu khác", Benson cho biết. "Nhóm của chúng tôi kết hợp kinh nghiệm triển khai thương mại, lộ trình công nghệ và tư duy hệ thống".
Nhóm STEER cũng có kế hoạch phân tích lộ trình công nghệ trong lưu trữ năng lượng dài hạn cũng như các lĩnh vực chuyển đổi năng lượng khác như hydro và khử cacbon trong công nghiệp.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
