Ngày: 24/08/2025.

Pin natri-ion: Công nghệ của tương lai?

Ngành công nghiệp pin đang sôi động với những đổi mới không ngừng. Các nghiên cứu về công nghệ ngày càng hiệu quả và hiệu suất cao, mang lại giá trị gia tăng cho thị trường, chưa bao giờ dừng lại. Trong vài năm qua, pin natri-ion đã thu hút sự quan tâm trở lại, chủ yếu nhờ vào lợi ích kinh tế mà chúng mang lại. Các chuyên gia về điện khí hóa Marco Righi, Alan Pastorelli và Daniele Invernizzi đã thảo luận về chủ đề này trong tập 20 của Battery Weekly 2023, chương trình hàng tuần về thế giới pin, đi sâu vào xu hướng tăng trưởng đáng kể mà pin natri-ion đang chứng kiến và những yếu tố cản trở việc triển khai chúng trên quy mô lớn.

Pin natri-ion đang ngày càng phổ biến trong các lĩnh vực lưu trữ năng lượng và di động điện. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn gặp một số hạn chế cần được giải quyết trước khi có thể thương mại hóa cho nhiều ứng dụng. Hãy cùng tìm hiểu về pin natri-ion, cách chúng hoạt động, và triển vọng của chúng trong tương lai.

Pin natri-ion là gì và cách chúng hoạt động

Điểm tương đồng với pin lithium-ion

Giống như lithium, natri là một kim loại kiềm thuộc Nhóm 1 của bảng tuần hoàn, nằm ngay dưới lithium, nghĩa là chúng có nhiều đặc tính vật lý và hóa học tương tự. Chính sự tương đồng này đã thúc đẩy các nghiên cứu về pin natri-ion từ những năm 1970 đến 1990, gần như đồng thời với pin lithium-ion. Tuy nhiên, pin lithium-ion đạt được thành công lớn hơn và được thương mại hóa, đẩy pin natri-ion vào hậu trường.

Nguyên lý hoạt động của pin natri-ion và pin lithium-ion gần như giống nhau. Cả hai đều sử dụng ion để vận chuyển và lưu trữ năng lượng. Trong pin natri-ion, các ion natri di chuyển từ cathode (cực dương) đến anode (cực âm) qua chất điện giải và lớp ngăn cách trong giai đoạn sạc, được dẫn truyền bởi dòng điện. Trong quá trình phóng điện, các ion quay trở lại cathode, và một dòng electron, tức dòng điện, chảy trong mạch ngoài theo hướng ngược lại.

Cathode (cực dương) bao gồm vật liệu cathode (ví dụ: LFP, NMC) và bộ thu dòng. Anode (cực âm) thường được làm từ carbon hoặc graphit cùng bộ thu dòng. Một tế bào natri-ion cơ bản gồm một cathode chứa natri, một anode làm từ carbon, và một chất điện giải lỏng chứa các ion natri, đóng vai trò cầu nối giữa cathode và anode để cho phép ion di chuyển.

Điểm khác biệt so với pin lithium-ion

Mặc dù có nhiều điểm chung, natri và lithium khác nhau đáng kể về mặt hóa học. Bán kính nguyên tử của cation natri lớn hơn cation lithium khoảng 0,3 Å, dẫn đến khối lượng nguyên tử gấp 3 lần lithium. Điều này gây ra ứng suất cơ học lớn hơn khi ion natri di chuyển giữa anode và cathode, dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng của tế bào.

Do đó, pin natri-ion có tuổi thọ chu kỳ ngắn và không hoạt động tốt như pin lithium-ion. Graphit, vật liệu anode phổ biến trong pin lithium-ion, bị bong tróc không thể phục hồi khi tương tác với ion natri, tự phá hủy sau vài chu kỳ. Vì vậy, việc tìm kiếm một điện cực âm thay thế cho graphit để tăng tuổi thọ chu kỳ là một thách thức lớn.

Hơn nữa, điện thế khử chuẩn của ion natri thấp hơn lithium, nghĩa là khả năng nhận electron thấp hơn. Điều này dẫn đến điện áp định mức của pin natri-ion chỉ đạt 2,3–2,5V, so với 3,2–3,7V của pin lithium-ion. Dù mang cùng điện tích, pin natri-ion có mật độ năng lượng thấp hơn, chỉ lưu trữ được ít hơn 40% năng lượng so với pin lithium-ion.

Ưu và nhược điểm của pin natri-ion

Pin natri-ion đang nhận được sự quan tâm trở lại do nhu cầu về giải pháp thay thế lithium-ion trong các ứng dụng mà chi phí là yếu tố ưu tiên. Lithium tồn tại trong đá và nước muối nhưng không phải là tài nguyên vô hạn, và việc khai thác đòi hỏi năng lượng lớn. Nhu cầu cao và nguồn cung hạn chế đã khiến giá lithium tăng vọt, được mệnh danh là “vàng trắng”. Trong bối cảnh nhu cầu pin lithium-ion tăng, câu hỏi về tính sẵn có của nguyên liệu và tính bền vững của nền kinh tế dựa trên lithium trở nên cấp thiết.

Lợi ích của pin natri-ion

• Sẵn có: Natri là nguyên tố phong phú thứ sáu trong vỏ trái đất, dễ khai thác, giúp pin natri-ion cạnh tranh về kinh tế.

• Chi phí thấp: Quy trình khai thác và sản xuất natri tiêu tốn ít năng lượng, giảm chi phí sản xuất.

• An toàn cao: Pin natri-ion không dễ cháy, không dễ nổ hoặc chập mạch, đảm bảo mức độ an toàn cao.

• Khả năng chịu nhiệt độ khắc nghiệt: Hoạt động tốt trong khoảng −20°C đến 60°C, vượt trội so với pin lithium-ion (0°C đến 50°C).

• Tác động môi trường thấp: Khai thác natri tiêu tốn ít năng lượng, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững.

Hạn chế của pin natri-ion

• Mật độ năng lượng thấp: Pin natri-ion có mật độ năng lượng từ 140–160 Wh/kg, thấp hơn so với 180–250 Wh/kg của pin lithium-ion.

• Tuổi thọ chu kỳ ngắn: Khối lượng lớn của ion natri gây ứng suất cơ học, làm graphit anode bị phá hủy sau vài chu kỳ, dẫn đến tuổi thọ thấp.

Ứng dụng chính

Do chi phí thấp và mật độ năng lượng thấp, pin natri-ion phù hợp cho các ứng dụng cố định và hệ thống lưu trữ năng lượng, như trong năng lượng mặt trời và gió với đặc điểm sản xuất gián đoạn. Độ an toàn cao khiến chúng lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu chu kỳ sạc/phóng điện thường xuyên. Tuy nhiên, tuổi thọ chu kỳ thấp hiện là rào cản, khiến công nghệ này chưa phổ biến trong lĩnh vực này.

Triển vọng của công nghệ natri-ion

Theo dự báo, thị trường pin natri-ion sẽ tăng trưởng 27% mỗi năm trong thập kỷ tới, với sản lượng tăng từ 10 GWh vào năm 2025 lên khoảng 70 GWh vào năm 2033, tương ứng mức tăng 600%. Sự tương đồng trong công nghệ sản xuất pin natri-ion và lithium-ion cho phép chuyển đổi dây chuyền sản xuất dễ dàng, giúp tiết kiệm chi phí.

Sự quan tâm đến pin natri-ion đang tăng mạnh trong lĩnh vực điện khí hóa, đặc biệt trong ngành công nghiệp ô tô. CATL, nhà sản xuất pin lithium-ion lớn nhất thế giới, đã giới thiệu hóa học natri-ion vào năm 2021 như một công nghệ mới nổi để đa dạng hóa sản phẩm. CATL cho rằng việc thay thế một phần thị trường pin lithium-ion bằng pin natri-ion sẽ giúp giảm giá thành pin lithium-ion.

CATL đã đề xuất một giải pháp sáng tạo: gói pin lai kết hợp pin natri-ion và lithium-ion trong một hệ thống, sử dụng hệ thống quản lý pin thông minh (BMS) để điều khiển. Tùy theo nhu cầu, hệ thống có thể tận dụng hiệu suất nhiệt độ thấp của pin natri-ion hoặc mật độ năng lượng cao của pin lithium-ion. Dù vẫn trong giai đoạn thử nghiệm, ý tưởng này đã thu hút sự chú ý của toàn ngành.

Mặc dù còn một số vấn đề cần giải quyết, công nghệ natri-ion đang chiếm lĩnh một phần thị trường ngày càng lớn. Nghiên cứu về công nghệ này, cùng với các công nghệ mới như pin trạng thái rắn, đang rất sôi nổi. Các nguồn lực lớn đang được đầu tư để vượt qua những rào cản, đặc biệt là về tuổi thọ chu kỳ và mật độ năng lượng. Việc đưa công nghệ này ra thị trường có thể mang lại lợi ích rõ rệt cho các ngành ưu tiên yếu tố kinh tế hơn mật độ năng lượng, giảm sự phụ thuộc vào pin lithium-ion.

 Mọi thông tin tư vấn về điện mặt trời doanh nghiệp hay gia đình xin liên hệ:

 Thông qua Messenger của MPSe

 Điện thoại / Zalo: 0904 686 673

Youtube: https://www.youtube.com/@MaiPhuongSolar-MPSE/shorts

Tiktok: https://www.tiktok.com/@mpse27

Mai Phương Solar Energy – Giải pháp năng lượng sạch cho tương lai bền vững.