Pin natri-ion có thể thay thế pin lithium trên xe điện?

Pin natri-ion đang bước vào giai đoạn sản xuất thương mại, nhưng khó có thể thay thế ngay lập tức pin lithium. Công nghệ này nhiều khả năng huy hiệu quả rõ nhất tại những phân khúc coi trọng chi phí và độ bền hơn quãng đường di chuyển tối đa. Ảnh: CATL/Wikimedia Commons.

Nhiều năm qua, pin lithium-ion gần như thống trị hoàn toàn ngành xe điện, nhưng một đối thủ mới, pin natri-ion, đang nhanh chóng thu hút sự chú ý của ngành công nghiệp này. Từng chỉ là đề tài nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, pin natri-ion nay bước vào giai đoạn sản xuất thương mại, với các công ty như CATL giới thiệu thế hệ cell thứ hai, trong khi nhiều hãng xe đang cân nhắc đưa công nghệ này vào các mẫu xe tương lai.

Sự quan tâm ngày càng lớn kéo theo một câu hỏi hiển nhiên. Pin natri-ion liệu có thể thay thế hoàn toàn pin lithium-ion hay không? Pin natri-ion sở hữu nhiều ưu điểm hấp dẫn, nhưng khó có khả năng thay thế hoàn toàn lithium. Thay vào đó, công nghệ này nhiều khả năng trở thành một mảnh ghép quan trọng trong một hệ sinh thái pin đa dạng hơn.

Pin natri-ion vận hành ra sao và vì sao thu hút sự chú ý

Nhìn thoáng qua, pin natri-ion khá giống pin lithium-ion. Cả hai đều tạo ra điện bằng cách di chuyển các ion mang điện tích giữa điện cực dương và điện cực âm trong quá trình sạc và xả. Khác biệt cốt lõi nằm ở loại ion mà mỗi công nghệ sử dụng, pin lithium-ion dùng ion lithium, còn pin natri-ion dùng ion natri.

Thay đổi tưởng chừng nhỏ này lại kéo theo những hệ quả lớn. Natri là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất và có mặt rộng khắp ở nhiều khu vực, khác hẳn lithium, loại khoáng sản mà hoạt động khai thác và tinh luyện vẫn tập trung ở một số ít quốc gia. Chính vì vậy, pin natri-ion mang tiềm năng giảm rủi ro chuỗi cung ứng, đồng thời hạ thấp mức độ phụ thuộc vào các khoáng sản thiết yếu.

Sức hút lớn nhất nằm ở chi phí. Giá lithium biến động mạnh suốt thập kỷ qua khi nhu cầu xe điện tăng vọt, trong khi natri rẻ và dễ tìm, trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các nhà sản xuất muốn tạo ra loại pin giá cả phải chăng hơn.

Hóa học natri-ion cũng vận hành tốt trong thời tiết lạnh, môi trường mà pin lithium-ion thông thường hay sụt giảm rõ rệt về tốc độ sạc và quãng đường di chuyển. Một ưu điểm khác nằm ở độ an toàn, khi nhiều thiết kế pin natri-ion thể hiện độ ổn định nhiệt tốt, giúp giảm nguy cơ xảy ra hiện tượng thoát nhiệt mất kiểm soát so với một số hóa học pin lithium. Kết hợp lại, những đặc điểm này khiến pin natri-ion đặc biệt phù hợp với các mẫu xe điện giá rẻ, hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lưới điện và xe thương mại, những lĩnh vực mà chi phí và độ bền thường quan trọng hơn quãng đường di chuyển tối đa.

Rào cản mật độ năng lượng và hướng đi kết hợp hai loại pin

Câu trả lời cho việc vì sao natri chưa thể thay thế lithium nằm ở mật độ năng lượng. Lithium nhẹ hơn natri rất nhiều, giúp pin lithium-ion lưu trữ nhiều năng lượng hơn với cùng khối lượng. Pin lithium sắt phosphate hiện đại thường vượt mốc 200 Wh mỗi kg, trong khi các hóa học lithium giàu niken có thể đạt mức cao hơn nữa.

Dù công nghệ natri-ion cải thiện nhanh chóng, với các cell thương mại hiện tiệm cận 175 Wh mỗi kg, nó vẫn kém hơn những loại pin lithium-ion tốt nhất. Điều đó có nghĩa một chiếc xe điện dùng cell natri-ion thường cần một khối pin lớn hơn hoặc nặng hơn để đạt cùng quãng đường di chuyển. Với các mẫu xe đô thị nhỏ gọn, đây có thể không phải vấn đề lớn, nhưng với xe điện cao cấp tầm xa, từng kilogram đều có ý nghĩa.

Có lẽ diễn biến thú vị nhất lại không nằm ở việc thay thế pin lithium. Một số nhà sản xuất, trong đó có CATL, đang phát triển các khối pin lai kết hợp cell lithium-ion và cell natri-ion trong cùng một chiếc xe. Ý tưởng ở đây là để mỗi loại hóa học phát huy thế mạnh riêng, cell lithium mang lại mật độ năng lượng cao cho quãng đường dài, còn cell natri-ion đóng góp khả năng vận hành tốt trong thời tiết lạnh, độ bền cải thiện và chi phí thấp hơn. Hệ thống quản lý pin tiên tiến có thể cân bằng thông minh nguồn điện giữa hai loại hóa học tùy theo nhiệt độ, điều kiện lái xe và nhu cầu sạc.

Nếu thành công, các khối pin lai này có thể giảm hao hụt quãng đường mùa đông, đồng thời hạ chi phí sản xuất mà không đánh đổi hiệu năng tổng thể của xe.

Ứng dụng thực tế và câu trả lời cho câu hỏi lớn

Thay vì cạnh tranh trực diện với mọi loại pin lithium-ion, công nghệ natri-ion dường như phù hợp nhất với những ứng dụng mà chi phí và độ tin cậy quan trọng hơn quãng đường tối đa. Xe điện đô thị giá rẻ, xe tải giao hàng, xe buýt, xe hai và ba bánh, xe nâng, cùng hệ thống lưu trữ năng lượng cố định đều là những ứng viên tiềm năng. Ở phần lớn những ứng dụng này, xe thường quay về các điểm sạc cố định và dễ dự đoán, khiến mật độ năng lượng siêu cao trở nên bớt quan trọng. Trong khi đó, xe điện sang trọng tầm xa, xe hiệu năng cao và máy bay điện nhiều khả năng vẫn dựa vào các hóa học pin gốc lithium có năng lượng cao hơn trong tương lai gần.

Vậy pin natri-ion có phải bước ngoặt của ngành xe điện? Câu trả lời là có, nhưng có lẽ không theo cách nhiều người vẫn hình dung. Pin natri-ion khó có khả năng thay thế pin lithium-ion trên toàn ngành công nghiệp ôtô. Thay vào đó, công nghệ này đại diện cho một lựa chọn mới quan trọng, có thể giúp giao thông điện hóa trở nên rẻ hơn, ổn định hơn, và ít phụ thuộc hơn vào chuỗi cung ứng nguyên liệu thô vốn hạn chế.

Giống như những chiếc xe hiện đại sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau cho từng mục đích riêng, thị trường xe điện trong tương lai nhiều khả năng sẽ dựa vào nhiều loại hóa học pin, mỗi loại tối ưu cho một nhóm ứng dụng cụ thể. Nếu pin lithium-ion từng góp phần khởi động cuộc cách mạng xe điện, pin natri-ion có thể đóng vai trò quan trọng giúp cuộc cách mạng đó trở nên rẻ hơn, bền vững hơn và tiếp cận được với nhiều người hơn trên khắp thế giới.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng