Ba lý do khiến pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion trở nên hấp dẫn
Đầu tiên, giá nguyên liệu thô lithium, đặc biệt là lithium cacbonat để sản xuất pin lưu trữ năng lượng mặt trời đã thất thường trong vài năm qua và xu hướng trong tương lai không dễ nắm bắt. Hơn 70% lithium của Xuất xứ Trung Quốc được nhập khẩu và quyền định giá được kiểm soát bởi các doanh nghiệp ở các nước sản xuất. Vì vậy đối với các hãng xe, việc tìm một sản phẩm thay thế trong tầm tay là điều cần thiết.
Thứ hai, nguyên tắc cơ bản của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium giống như nguyên tắc cơ bản của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion. Hầu hết các hệ thống kỹ thuật sản xuất hiện có của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion đều có thể được chuyển sang pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium. Tất nhiên, một số rào cản cần phải được vượt qua. Nói một cách tương đối, chi phí kỹ thuật của việc triển khai này thấp hơn chi phí và thời gian phát triển một loại pin lưu trữ năng lượng mặt trời hoàn toàn mới.
Thứ ba, tình trạng thiếu pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium hiện nay dường như đã được khắc phục hoàn toàn bằng pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium. Xem xét toàn diện tính khả thi kỹ thuật và chênh lệch chi phí, vì vậy, thay vì gắn bó với pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion, tốt hơn là các nhà sản xuất xe điện ở Nha Trang Khánh Hòa nên đi theo con đường khác.
Pin Lithium-ion và natri-ion có thể nói là anh em song sinh. Cả hai đều dựa vào một ion kim loại để di chuyển qua lại giữa cực âm và cực dương. Ngay từ những năm 1970, hai loại pin lưu trữ năng lượng mặt trời đã được phát minh đồng thời. Tuy nhiên, trong giai đoạn phát triển công nghiệp sau này, pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium không tìm được vật liệu catốt thích hợp và lý do tại sao các điều kiện nghiên cứu không trưởng thành là do không quan tâm. Nhưng ngược lại, pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion đã đạt được những bước đột phá về công nghệ đối với vật liệu cực âm và cực dương, màng ngăn cách và chất điện phân. Nó được Sony thương mại hóa vào năm 1991. Cho đến nay, có thể nói pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion đã hoàn thành việc phát triển hệ thống kỹ thuật thiết yếu, mọi người đã tìm ra nhiều chi tiết kỹ thuật, và với công nghệ sản xuất gia công và đóng gói pin, những thứ này đã tương đối trưởng thành. Nói cách khác, theo cách này, phần còn lại là thay thế các ion lithium bằng các ion natri, phải không? Có, nhưng pin lưu trữ năng lượng mặt trời bạn tạo ra theo cách này không thể được sử dụng để lái xe điện ở Nha Trang Khánh Hòa một mình.
Khả năng pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium thay thế pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion
Đầu tiên: Ưu điểm tuyệt đối của các ion natri là chi phí. Từ góc độ nguyên liệu thô cho cực dương, giá lithium cacbonat gần đây là 570.000 USD/tấn, trong khi giá natri cacbonat dưới 3.000 USD/tấn. Đây không chỉ là một thế giới của sự khác biệt. Hơn nữa, do muối natri có độ dẫn điện tốt hơn nên có thể giảm nồng độ của chất điện phân, điều này cũng làm giảm giá thành. Bên cạnh đó, loại pin lưu trữ năng lượng mặt trời này có chứa muối kim loại, cực dương của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion là nhôm và cực âm là đồng. Bộ thu dòng điện được sử dụng để kết nối các vật liệu hoạt động để thu thập dòng điện, vậy tại sao lại sử dụng đồng cho cực âm của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion?
Bởi vì các ion lithium sẽ phản ứng với đồng để tạo thành hợp kim nhưng các ion natri thì không, vì vậy nhôm có thể được sử dụng cho cả cực âm và cực dương của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion và chi phí có thể được hạ thấp hơn nữa. Nếu pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion có thể đạt được hiệu suất tương tự như pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion, giá xe điện ở Nha Trang Khánh Hòa sẽ giảm khoảng 50%. Bằng cách này, tài nguyên lithium không còn cơ hội độc quyền và tăng giá.
Thứ hai: Pin natri-ion không chỉ đơn giản là thay thế các ion lithium cơ bản. Có những thay đổi tương đối lớn trong vật liệu cực âm và cực dương. Về vật liệu cực dương, có ba loại tương tự như vật liệu cực dương của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion.
Loại I là một oxit kim loại chuyển tiếp phân lớp, tương tự như cái gọi là hợp chất lithium đơn nhất, nhị phân, bậc ba trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion, chẳng hạn như oxit mangan lithium niken-coban, v.v. Các nguyên tố chuyển tiếp được sử dụng bao gồm mangan, niken, crom, sắt, titan, vanadi, v.v. Nhưng nó không giống như lithium cobantate. Ion natri đơn nhất, natri oxit kim loại một lớp, không ổn định; nó phải được pha tạp với các kim loại khác để tạo thành một cấu trúc ổn định. Hiện tại, một công ty ở Vương quốc Anh sử dụng cấu trúc phân lớp bậc bốn Mn-Ni-Ti-Mg làm vật liệu cực dương với mật độ năng lượng là 160Wh/kg. Một doanh nghiệp Xuất xứ Trung Quốc áp dụng giải pháp ba thành phần Cu-Fe-Mn và mật độ năng lượng có thể đạt tới 135Wh/kg.
Vật liệu cực dương loại II có cấu trúc tinh thể tương đối mở, thuận lợi hơn cho việc xen kẽ và chiết xuất các ion natri, nhưng tính ổn định và hiệu suất chu kỳ của nó vẫn cần được cải thiện do một số tác dụng phụ. CATL đã nỗ lực rất nhiều vào vật liệu này và mật độ năng lượng pin lưu trữ năng lượng mặt trời của vật liệu mới được phát triển đã đạt tới 160Kw/kg sau khi thử nghiệm.
Loại III là hợp chất anion. Vật liệu này có cấu trúc mạng ba chiều, điện áp hoạt động cao và hiệu suất chu kỳ tốt nhưng mật độ năng lượng tương đối thấp.
Ba vật liệu catốt trên đều có ưu điểm và nhược điểm, và tất cả các nhà sản xuất đang nghiên cứu chúng. Vẫn chưa rõ cuối cùng cái nào sẽ trở thành xu hướng chủ đạo.
Thứ ba: Về vật liệu cực âm, vật liệu cực âm của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion là than chì và các ion natri không thể nhúng vào than chì do kích thước lớn của chúng. Nếu sử dụng than chì, khoảng cách giữa các lớp than chì phải được tăng lên. Điều này sẽ làm tăng chi phí sản xuất và giảm độ ổn định cấu trúc của cực âm. Điểm mấu chốt là tính khả thi của công nghệ này còn hạn chế.
Bây giờ người ta tin rằng vật liệu catốt tốt nhất cho các ion natri là cacbon vô định hình. Nó là một đồng phân của carbon, có cùng thành phần carbon nhưng cấu trúc khác nhau. Có hai loại carbon vô định hình, đó là carbon cứng (vật liệu carbon khó graphit hóa) và carbon mềm (vật liệu carbon dễ graphit hóa). Carbon cứng được công nhận là vật liệu cực âm tốt nhất, và mật độ năng lượng đơn vị của nó trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời ion natri tương đối cao khoảng 200-450mAh/g, hiệu suất tương đương với mật độ năng lượng của than chì trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion (375 mAh/g).
Nhưng giá của nó rất cao khoảng 100.000-200.000 USD/tấn. Đây là điểm mấu chốt để tối ưu hóa chi phí khi pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion được phổ biến.
Thứ tư: Chất điện phân của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion và lithium-ion tương tự nhau. Cả hai đều sử dụng dung dịch hữu cơ của este cacbonat, nhưng chất điện phân là khác nhau. Pin natri-ion có thể sử dụng natri hexafluorophosphate, tương tự như pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion sử dụng lithium hexafluorophosphate. Tuy nhiên, do một số vấn đề kỹ thuật và môi trường, ngành công nghiệp đang thúc đẩy việc không sử dụng chất điện phân flo hóa và pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion có thể sử dụng natri perchlorate chi phí thấp hơn.
Natri perchlorate cũng được coi là muối tiêu chuẩn cho pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium-ion và rất rẻ, rất phù hợp cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Tuy nhiên, vì perchlorate là một chất oxy hóa mạnh, khi hòa tan trong các chất hữu cơ sẽ tạo ra phản ứng hóa học mạnh, do đó, cả natri perchlorate và lithium perchlorate đều không trở thành lựa chọn hàng đầu cho chất điện phân.
Thứ năm: Về hiệu suất của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion, nó không có vấn đề phóng điện quá mức và về mặt lý thuyết có thể xả xuống mức 0 volt. Pin lithium-ion không thể xả hết. Nếu các ion lithium được chiết xuất hoàn toàn, cấu trúc xen kẽ của than chì catốt có thể bị phá vỡ và ảnh hưởng đến việc chèn thứ cấp của các ion lithium. Bên cạnh đó, hiệu suất nhiệt độ thấp của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion vượt trội hơn nhiều so với pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion. Nó vẫn duy trì tỷ lệ duy trì nguồn điện hơn 90% ở -20 độ và vẫn có tỷ lệ duy trì hơn 70% ở -40 độ. Vào mùa đông, vấn đề xe điện ở Nha Trang Khánh Hòa không thể hành trình sẽ không còn nữa.
Thứ sáu: Như đã đề cập trước đó, độ dẫn điện của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium-ion cao hơn và khả năng khuếch tán của các ion natri cũng mạnh hơn, điều đó có nghĩa là tốc độ C của nó tốt hơn. Pin natri-ion có tốc độ sạc-xả ít nhất là 3C, vì vậy nếu sử dụng pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion, năng lượng đầu ra của pin lưu trữ năng lượng mặt trời sẽ mạnh hơn và tốc độ sạc sẽ nhanh hơn. Tuy nhiên, mật độ năng lượng là một yếu tố quan trọng. Mặc dù chi phí thấp nhưng mật độ năng lượng cũng thấp; do đó để đạt được khả năng hành trình như cũ, có thể phải lắp thêm một số module nữa.
Điều này là dễ hiểu; chúng ta không cần phân tích các đặc tính vật liệu của cực dương và cực âm. Chúng ta chỉ cần nhìn vào dữ liệu của chính nguyên tố natri trên bảng tuần hoàn để hiểu. Natri là nguyên tố thứ 11 với khối lượng nguyên tử là 22,9g/mol, và nó chỉ có thể mang một điện tích trong phản ứng oxi hóa khử, so với nguyên tố liti là 6,9g/mol để mang điện tích, tỷ lệ này không chiếm ưu thế. Tham khảo sản phẩm thực tế, có thể thấy mật độ năng lượng hiện tại của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion thường vào khoảng 100-150Wh/kg, trong khi của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion là 120-180Wh/kg. Giữa họ vẫn còn một khoảng cách, và khoảng cách này vẫn rất khó để bù đắp.
Tuy nhiên, với sự phát triển của vật liệu cực dương, mật độ năng lượng của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion sẽ tiếp tục tăng. Nếu chúng có thể đạt được mức tương tự như pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium iron phosphate, tôi nghĩ chúng đủ điều kiện để lái xe điện ở Nha Trang Khánh Hòa một cách độc lập. Có thể thấy rằng mật độ năng lượng hiện tại của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion nói chung là khoảng 100-150Wh/kg, trong khi của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion là 120-180Wh/kg. Giữa họ vẫn còn một khoảng cách, và khoảng cách này vẫn rất khó để bù đắp.
Thứ bảy: Chiến lược trong tương lai của một số nhà sản xuất là tích hợp pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion với pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion để tạo thành pin lưu trữ năng lượng mặt trời lai nhằm gián tiếp giảm giá thành của pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion. Do đó, chúng ta vẫn nên lo lắng về việc sử dụng hoàn toàn pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion để điều khiển phương tiện. Tiếp theo, để xem xét hiệu suất an toàn, điện trở trong của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion tương đối cao. Khi gặp sự cố đoản mạch, khả năng sinh nhiệt tức thời nhỏ hơn so với các ion lithium và nhiệt độ tăng chậm nên tương đối an toàn.
Ngoài ra, đuôi gai lithium, một yếu tố quan trọng cần cân nhắc về an toàn của pin lưu trữ năng lượng mặt trời ion, tương đối ít quan trọng hơn trong pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion, vì xác suất đuôi gai được tạo ra bởi các ion natri-lithium là tương đối thấp, vì vậy nó có thể nâng cao hơn nữa tính an toàn. Tuy nhiên, nếu nguyên tố natri kim loại bị khử ở cực âm và gặp nước cũng sẽ gây cháy nổ. Nói một cách dễ hiểu, nó chỉ tương đối an toàn.
Hiệu suất chu kỳ vẫn chưa chắc chắn. Đánh giá từ các sản phẩm tương đối trưởng thành hiện tại, tuổi thọ của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion thấp hơn so với pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion, điều này ảnh hưởng nhiều đến độ ổn định kỹ thuật của chúng. Tuy nhiên, cũng có những giải pháp kỹ thuật tương ứng có thể làm cho vòng đời đạt tới hơn 4.000 lần, nhưng đây chỉ là một số giải pháp chưa được thương mại hóa.
Nói chung, trong nghiên cứu về vật liệu cực dương, cực âm và chất điện phân của pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-lithium, vẫn còn nhiều rào cản cần phải vượt qua. Tất nhiên, khó khăn này chủ yếu được phản ánh trong việc sử dụng pin lưu trữ năng lượng mặt trời năng lượng. Nếu đó là lưu trữ năng lượng quy mô lớn, việc cân nhắc chi phí là ưu tiên hàng đầu. Tại thời điểm này, đối thủ cạnh tranh của nó là pin lưu trữ năng lượng mặt trời axit-chì thay vì pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion.
Kết luận: Hiệu suất được ưu tiên
Tôi không nghĩ rằng pin lưu trữ năng lượng mặt trời natri-ion có thể thay thế pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion chỉ trong ô tô điện hoặc các cơ sở lưu trữ để thay thế pin lưu trữ năng lượng mặt trời axit-chì. Nhiều nhất, nó là một phương tiện để giảm chi phí và nó có thể được sử dụng cùng với pin lưu trữ năng lượng mặt trời lithium-ion để giảm chi phí cho toàn bộ bộ pin.
Một quan điểm quan trọng là cốt lõi của sự cạnh tranh giữa các loại pin lưu trữ năng lượng mặt trời nguồn phải là hiệu suất hơn là giá thành. Nó phải là hiệu suất đầu tiên và sau đó giảm chi phí, chứ không phải giảm chi phí trước và sau đó cải thiện hiệu suất.
