Project Description

Ắc quy hay Pin là một thiết bị phổ biến để lưu trữ năng lượng điện. Ắc quy được sử dụng rộng rãi của trong các sản phẩm công nghệ thông tin và truyền thông (điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay…), các phương tiện vận chuyển chạy điện (ô tô, xe máy, xe điện…), các thiết bị chuyển động không người lái, cũng như trong vô số loại thiết bị điện/điện tử dân dụng, công nghiệp, quân sự khác.

Dựa vào vật liệu chính để chế tạo ắc quy (bản cực dương/ bản cực âm, chất điện phân) có thể phân chia chúng thành nhiều loại như ắc quy chì – axit, ắc quy lithium, niken-cadmium hay natri-lưu huỳnh…So sánh giữa các loại thì ắc quy lithium-ion, đặc biệt là  ắc quy LiFePO4 đang được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay do có mật độ năng lượng lớn, độ tự xả thấp, thời gian sạc nhanh, tuổi thọ cao và có kích thước, trọng lượng nhỏ. Bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì ắc quy lithium-ion cũng tồn tại những hạn chế như giá thành sản xuất, vận chuyển cao, nhiều chất thải được tạo ra trong quá trình sản xuất, quá trình tái chế, tiêu hủy khá phức tạp.

Một số nước trên thế giới đang tìm cách thay thế Lithium bằng muối Natri (Sodium), loại nguyên liệu có sẵn và rẻ tiền hơn nhiều so với Lithium mà kết cấu hóa học lại gần tương đương.

Những đột phá về công nghệ ắc quy Sodium gần đây khiến sản phẩm này đã có thể sạc trong ngày và dùng liên tục nhiều năm, dung lượng ắc quy Sodium cũng đang dần được tăng lên. Trong khi ắc quy Lithium không thể giữ được năng lượng nếu nhiệt độ xuống dưới mức nước đóng băng quá sâu thì ắc quy Sodium hoàn toàn có thể làm được điều này, một lợi thế cực kỳ lớn cho sản phẩm ở các thị trường có mùa đông lạnh giá như Bắc Âu. Ngoài ra, hàng loạt ngành kinh doanh khác như cung cấp điện, điện gió, năng lượng mặt trời cũng đã quan tâm đến ắc quy Sodium do chúng có ưu điểm về chi phí rẻ, kháng thời tiết, trong khi trọng lượng nhẹ hay chỗ để tốn diện tích không thành vấn đề như đối với các thiết bị có tính cơ động cao (như ô tô, thiết bị bay, điện thoại di động …).

Nguyên lý hoạt động và cấu tạo cell của ắc quy Sodium-ion gần giống với ắc quy Lithium-ion, hiện được bán rộng rãi trên thị trường. Đây là một loại ắc quy có cực âm bằng vật liệu chứa natri, cực dương (không nhất thiết phải là vật liệu chứa natri) và chất điện phân lỏng chứa muối natri phân ly trong dung môi protic hoặc aprotic phân cực. Trong quá trình sạc, các ion Na+ được tách ra từ cực âm và đưa vào cực dương trong khi các electron di chuyển qua mạch bên ngoài. Trong quá trình phóng điện, quá trình ngược lại xảy ra khi các ion natri được tách ra khỏi cực dương và đưa lại vào cực âm với các điện tử di chuyển qua mạch bên ngoài thực hiện công việc phóng điện.

Ưu điểm lớn nhất của ắc quy Sodium-ion là giá thành, bởi natri là nguyên tố phổ biến thứ 6 trên trái đất, chiếm tỷ lệ khoảng 2,3%, gấp 1.000 lần so với lithium. Về mặt nguyên liệu thô, lithium có giá khoảng 570 nghìn US$ /tấn, trong khi natri chỉ là 3 nghìn US$, rẻ hơn 190 lần. Nhờ chi phí nguyên liệu rẻ, ắc quy Sodium có thể rẻ hơn 7 lần so với ắc quy Lithium tại thời điểm năm 2022. Cụ thể, ắc quy Tesla 4680 có chi phí khoảng 101 US$ cho mỗi kWh điện tạo ra, nhưng ắc quy Sodium chỉ là 15,15 US$. Một ưu điểm khác của ắc quy Sodium là tính ổn định và độ an toàn cao; ắc quy Sodium khó bị bắt lửa hơn ắc quy Lithium hiện nay, vượt xa các yêu cầu về an toàn đối với ắc quy kéo. Ngoài ra, hiệu năng của loại ắc quy này ở nhiệt độ thấp cũng tốt hơn so với ắc quy Lithium; Ắc quy Sodium-ion vẫn đạt hiệu năng hơn 90% ở âm 20 0C, và 70% ở âm 40 0C. Tốc độ sạc của ắc quy Sodium cũng rất nhanh khi có thể sạc từ 0 lên 80% chỉ trong 15 phút. Ngoài ra, ắc quy có thể được điều chỉnh linh hoạt cho các nhu cầu ứng dụng của tất cả các tình huống trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng.

Tuy nhiên, ắc quy Sodium có một số điểm yếu cơ bản. Giá thành rẻ nhưng chúng chỉ có thể lưu trữ khoảng 2/3 năng lượng so với ắc quy Lithium cùng kích thước, do đó sẽ hết nhanh hơn, phải thường xuyên sạc hơn. Hay nói cách khác, ắc quy Sodium không thể bền bằng pin Lithium. Để tận dụng ưu điểm riêng của từng loại ắc quy, một giải pháp đang được nghiên cứu triển khai, đó là kết hợp cả 2 loại ắc quy Sodium và Lithium với nhau vào cùng 1 hệ thống ắc quy thích ứng (AB), trong khi vẫn đảm bảo kiểm soát và điều khiển sự hoạt động của từng cell (có cấu trúc hóa học khác nhau) thông qua thuật toán chính xác về hệ thống quản lý ắc quy (BMS). Giải pháp hệ thống ắc quy AB có thể bù đắp cho sự thiếu hụt mật độ năng lượng hiện tại của ắc quy natri-ion, đồng thời mở rộng lợi thế của hệ thống về công suất và hiệu suất cao khi ở nhiệt độ thấp. Nhờ hệ thống cấu trúc sáng tạo này, các trường hợp ứng dụng cho hệ thống ắc quy lithium-sodium sẽ được mở rộng. Na-ion sẽ là một công nghệ bổ sung cho Li-ion, thay vì một công nghệ cạnh tranh. Hai công nghệ ắc quy có nhiều điểm chung về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và thậm chí có thể sử dụng cùng một dây chuyền, thiết bị sản xuất.