Xu hướng công nghệ
Pin ion natri: xu hướng mới của tương lai xe điện
Ngày 19 tháng 7 năm 2021
Chia sẻ:
Lý lịch
Chi phí pin xe điện
Tại sao xe điện cần pin tốt hơn?
Xe điện, đặc biệt là những xe sử dụng năng lượng tái tạo để sản xuất điện, được xem là mô hình tương lai giúp bảo vệ khí hậu toàn cầu. Tuy nhiên, trong nhiều năm qua, các nhà sản xuất ô tô đã sử dụng lithium, một nguyên tố quý hiếm và tương đối đắt tiền, trong công nghệ pin, làm chậm tốc độ phổ biến xe điện trên toàn thế giới.
Mặc dù xe điện, xe thương mại và xe đạp điện đang được sử dụng rộng rãi, nhưng việc ứng dụng chúng vẫn còn hạn chế. Giá thành cao, hệ thống trạm sạc cồng kềnh và quy trình sản xuất pin tiêu tốn nhiều nguyên liệu thô đang cản trở sự phát triển nhanh chóng của xe điện.
Để xe điện trở nên phổ biến rộng rãi, các nhà sản xuất ô tô phải giới thiệu các loại pin mạnh mẽ hơn, bền hơn, thân thiện với môi trường hơn và giá cả phải chăng hơn.
Natri thay thế liti
So sánh vật liệu
Natri thay thế cho Liti
Pin ion natri có thể là một lựa chọn khả thi, và những phát triển gần đây trong lĩnh vực pin ion natri đã có những bước tiến đáng ngạc nhiên. Trong tương lai gần, pin ion natri có thể thay thế pin lithium được sử dụng trong xe điện, điện thoại thông minh hoặc máy tính xách tay.
Liti và natri, hai kim loại kiềm, có tính chất hóa học rất giống nhau. Mặc dù natri có mật độ năng lượng thấp hơn so với liti hiếm hơn, nhưng natri dễ kiếm hơn và có giá thành tương đối rẻ.
Những bước đột phá đầy hứa hẹn
Tiến độ nguyên mẫu
Những bước đột phá đầy hứa hẹn
Hiệu năng của pin ion natri vẫn còn kém hơn pin lithium khoảng 20 năm. Lý do là trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu chỉ tập trung vào việc phát triển hiệu năng mạnh mẽ hơn của lithium.
Ngày nay, không chỉ có những ấn phẩm khoa học mang tính đột phá mà còn có cả những nguyên mẫu rất tiên tiến. Theo một báo cáo được công bố vào tháng Năm, một loại pin ion natri được phát triển ở Hàn Quốc đã trải qua khoảng 500 chu kỳ sạc đầy trước khi dung lượng giảm xuống còn 80% so với dung lượng ban đầu.
Một loại pin khác, được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu Mỹ-Trung, có thể sạc lại khoảng 450 lần với cùng dung lượng pin. Pin ion natri do Trung Quốc sản xuất có dung lượng nhỏ hơn, nhưng sau 1200 lần sạc nhanh 12 phút, nó vẫn còn 70% dung lượng pin.
Nghe có vẻ không đáng kể, nhưng trên thực tế, những viên pin này có thể chịu được nhiều lần sạc hơn vì chúng thường không được sạc lại sau khi hết điện trong sinh hoạt hàng ngày. Việc xả hết điện và sạc lại pin trong thí nghiệm sẽ gây hao mòn pin nhiều hơn.
Nguyên tố kim loại lithi hiếm và đắt hơn, nhưng hầu hết công nghệ pin hiện nay đều sử dụng pin lithi. Hình ảnh ban đầu cho thấy các quốc gia hàng đầu về trữ lượng lithi năm 2019.
Ngoài ra, công nghệ ion natri không yêu cầu sử dụng các nguồn tài nguyên khan hiếm. Không cần các loại muối lithi quý hiếm để chế tạo catốt, vì muối ăn thông thường là đủ. Anode hiệu suất cao có thể được làm từ than nâu, gỗ và các loại sinh khối khác. Không cần coban hoặc các chất quý hiếm tương tự trong quá trình sản xuất.
Nghiên cứu cơ bản
Graphene và ion natri
Một bước đột phá trong nghiên cứu cơ bản?
Natri có hai nhược điểm: nó nặng gấp ba lần lithi, vì vậy mặc dù pin lithi chỉ chiếm chưa đến 5% tổng trọng lượng pin, nhưng pin chứa ion natri vẫn nặng hơn pin lithi.
Ngoài ra, hiệu suất của pin natri yếu hơn. Vì ion natri mang điện áp thấp hơn 0,3 volt so với pin lithium, nên không thể tránh khỏi việc mất khoảng 10% mật độ năng lượng. Quan trọng hơn, cực dương than chì của các loại pin hiện nay không cho phép đủ lượng natri tích tụ.
Theo một báo cáo được công bố bởi một nhóm làm việc Đức-Nga do Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Helmholtz (HZDR) ở Dresden, Đức dẫn đầu, nanocarbon có thể giúp cải thiện vấn đề này. Báo cáo lưu ý rằng việc sử dụng vật liệu carbon siêu mỏng, graphene hai lớp, có thể lưu trữ nhiều ion natri hơn ở cực dương so với than chì.
Nếu trong tương lai, các điện cực graphene có thể được lắp đặt trong pin lithium, thay thế cho các cực dương than chì thường được sử dụng hiện nay, thì dung lượng pin có thể tăng lên đáng kể.
Krasheninkov, một nhà vật lý tại HZDR, đã so sánh điều này với việc đặt một quả bóng nhỏ giữa hai tờ giấy: cứ tiếp tục thêm những quả bóng nhỏ vào giữa hai tờ giấy, tờ giấy sẽ bị đẩy ra xa nhau hơn, và khoảng cách giữa hai tờ giấy sẽ tăng lên.
Công nghệ tương thích
Cấu trúc nhiều lớp
Công nghệ tương thích?
Nếu cấu trúc đa lớp cho pin lithium hoạt động hiệu quả, liệu nó có áp dụng được cho các kim loại kiềm khác như natri hay không? Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Dresden, Stuttgart và Moscow hy vọng sẽ tìm ra câu trả lời bằng cách sử dụng các mô phỏng siêu máy tính phức tạp.
Do các nguyên mẫu pin ion natri hiện tại hoạt động không hiệu quả vì natri chỉ có thể thâm nhập rất ít vào cực dương than chì, các tính toán trên máy tính cho thấy rằng natri, giống như liti, có thể được nhúng giữa các lớp graphene trong cấu trúc đa lớp.
Trong tương lai, nếu các điện cực graphene được lắp đặt trong pin ion natri thay vì các cực dương graphite hiện nay, dung lượng lưu trữ cao hơn có thể đạt được.
Kết quả của những nghiên cứu này có thể tạo ra bước đột phá trong việc phát triển pin natri giá rẻ. Krasheninkov cho biết công trình này hoàn toàn mang tính lý thuyết và không ủng hộ việc phát triển thế hệ pin mới trong tương lai gần chỉ dựa trên kết quả nghiên cứu, nhưng nó có thể cung cấp những ý tưởng mới thú vị cho các kỹ sư.
Pin của tương lai
Triển vọng tương lai
Pin của tương lai
Thật vui mừng, pin ion natri không còn chỉ là một khái niệm lý thuyết nữa. Một bước đột phá trong các công nghệ liên quan dường như sắp thành hiện thực.
Những phát hiện mới nhất cho thấy đã có những giải pháp thay thế thiết thực, giá cả phải chăng và tiết kiệm tài nguyên cho pin lithium đắt tiền, và thậm chí chúng có thể cải thiện hiệu suất thông qua cấu trúc nhiều lớp.
Chắc chắn sẽ mất một thời gian trước khi công nghệ pin ion natri sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt và sử dụng trong xe điện hoặc điện thoại di động. Nhưng một khi thời điểm chín muồi, việc chuyển đổi dây chuyền sản xuất từ pin lithium sang pin ion natri sẽ không gặp nhiều khó khăn vì công nghệ này tương đối giống nhau.
