Pin natri-ion – Một giải pháp thay thế khả thi cho pin lithium?

Trong khi giá pin lithium ion đang giảm trở lại, sự quan tâm đến lưu trữ năng lượng ion natri (Na-ion) vẫn không hề giảm sút. Với việc tăng cường năng lực sản xuất pin trên toàn cầu đang diễn ra, vẫn chưa rõ liệu công nghệ đầy hứa hẹn này có thể thay đổi cán cân cung cầu hay không. Marija Maisch đưa tin.

Pin ion natri đang trải qua giai đoạn thương mại hóa quan trọng khi các ngành công nghiệp từ ô tô đến lưu trữ năng lượng đặt cược lớn vào công nghệ này. Các nhà sản xuất pin lâu đời và những người mới tham gia đang tranh giành để đưa từ phòng thí nghiệm đến nhà máy với một giải pháp thay thế khả thi cho ion lithium. Với tiêu chuẩn sau cho khả năng di chuyển bằng điện và lưu trữ cố định, công nghệ mới phải cung cấp những lợi thế đã được chứng minh. Ion natri có vẻ như đang ở vị trí tốt, với độ an toàn vượt trội, chi phí nguyên liệu thô và chứng nhận thân thiện với môi trường.

Các thiết bị ion natri không cần vật liệu quan trọng, dựa vào natri dồi dào thay vì lithium, và không có coban hoặc niken. Khi giá ion lithium tăng vào năm 2022, trong bối cảnh dự đoán về tình trạng thiếu hụt vật liệu, ion natri được coi là đối thủ cạnh tranh và vẫn được quan tâm mạnh mẽ, ngay cả khi giá ion lithium bắt đầu giảm trở lại.

Evan Hartley, nhà phân tích cấp cao tại Benchmark Mineral Intelligence, cho biết: "Chúng tôi hiện đang theo dõi công suất sản xuất pin ion natri là 335.4 GWh đến năm 2030, điều này nhấn mạnh rằng vẫn còn cam kết đáng kể đối với công nghệ này".

Vào tháng 2023 năm 150, công ty tư vấn có trụ sở tại London đã theo dõi 2030 GWh đến năm XNUMX.

Giá rẻ hơn

Pin ion natri, được sản xuất ở quy mô lớn, có thể rẻ hơn từ 20% đến 30% so với lithium ferro/iron-phosphate (LFP), công nghệ pin lưu trữ cố định chiếm ưu thế, chủ yếu nhờ vào nguồn natri dồi dào và chi phí chiết xuất và tinh chế thấp. Pin ion natri có thể sử dụng nhôm cho bộ thu dòng điện anot thay vì đồng – được sử dụng trong lithium ion – giúp giảm thêm chi phí và rủi ro chuỗi cung ứng. Tuy nhiên, những khoản tiết kiệm đó vẫn còn tiềm năng.

Shazan Siddiqi, nhà phân tích công nghệ cấp cao tại công ty nghiên cứu thị trường IDTechEx có trụ sở tại Vương quốc Anh cho biết: “Trước khi pin ion natri có thể thách thức pin axit chì và pin lithium sắt phosphate hiện có, các công ty trong ngành sẽ cần phải giảm chi phí công nghệ bằng cách cải thiện hiệu suất kỹ thuật, thiết lập chuỗi cung ứng và đạt được quy mô kinh tế”. “Lợi thế về chi phí của Na-ion chỉ có thể đạt được khi quy mô sản xuất đạt đến quy mô sản xuất tương đương với pin lithium ion. Ngoài ra, việc giá lithium carbonate tiếp tục giảm có thể làm giảm lợi thế về giá mà natri mang lại”.

Ion natri khó có thể thay thế ion lithium trong các ứng dụng ưu tiên hiệu suất cao và thay vào đó sẽ được sử dụng cho lưu trữ cố định và xe điện siêu nhỏ. Các nhà phân tích của S&P Global dự kiến ​​ion lithium sẽ cung cấp 80% thị trường pin vào năm 2030, với 90% các thiết bị đó dựa trên LFP. Ion natri có thể chiếm 10% thị trường.

Lựa chọn đúng đắn

Các nhà nghiên cứu đã xem xét ion natri từ giữa thế kỷ 20 và những phát triển gần đây bao gồm những cải tiến về khả năng lưu trữ và vòng đời thiết bị, cũng như vật liệu anode và catot mới. Ion natri cồng kềnh hơn so với các ion lithium, do đó, các cell ion natri có điện áp thấp hơn cũng như mật độ năng lượng trọng lượng và thể tích thấp hơn.

Mật độ năng lượng trọng lượng ion natri hiện tại vào khoảng 130 Wh/kg đến 160 Wh/kg, nhưng dự kiến ​​sẽ đạt tới 200 Wh/kg trong tương lai, cao hơn giới hạn lý thuyết đối với các thiết bị LFP. Tuy nhiên, xét về mật độ công suất, pin ion natri có thể có 1 kW/kg, cao hơn pin niken-mangan-coban (NMC) từ 340W/kg đến 420 W/kg và pin LFP từ 175 W/kg đến 425 W/kg.

Trong khi tuổi thọ của thiết bị ion natri từ 100 đến 1,000 chu kỳ thấp hơn LFP, nhà phát triển KPIT của Ấn Độ đã báo cáo tuổi thọ có khả năng duy trì công suất 80% trong 6,000 chu kỳ - tùy thuộc vào thành phần hóa học của pin - tương đương với thiết bị ion lithium.

Siddiqi của IDTechEx cho biết: "Vẫn chưa có một loại hóa chất chiến thắng nào trong pin ion natri". "Nhiều nỗ lực nghiên cứu và phát triển đang được thực hiện để tìm ra vật liệu hoạt động anode/catot hoàn hảo cho phép mở rộng quy mô vượt ra ngoài giai đoạn phòng thí nghiệm".

Đề cập đến tổ chức khoa học an toàn Underwriter Laboratories có trụ sở tại Hoa Kỳ, Siddiqi nói thêm rằng “Do đó, việc chuẩn hóa UL cho pin ion natri vẫn còn là một chặng đường dài và điều này khiến các OEM [nhà sản xuất thiết bị gốc] ngần ngại cam kết sử dụng công nghệ như vậy”.

Prussian white, polyanion và layered oxide là những ứng cử viên catốt có vật liệu rẻ hơn so với lithium ion. Loại trước, được Northvolt và CATL sử dụng, có sẵn rộng rãi và rẻ nhưng có mật độ năng lượng thể tích tương đối thấp. Công ty Faradion có trụ sở tại Vương quốc Anh sử dụng layered oxide, hứa hẹn mật độ năng lượng cao hơn nhưng lại bị suy giảm công suất theo thời gian. Tiamat của Pháp sử dụng polyanion, ổn định hơn nhưng có vanadi độc hại.

Hartly của Benchmark cho biết: "Phần lớn các nhà sản xuất pin đang lập kế hoạch sản xuất pin ion natri sẽ sử dụng công nghệ catốt oxit nhiều lớp". "Trên thực tế, 71% đường ống [cell] là oxit nhiều lớp. Tương tự như vậy, 90.8% đường ống catốt ion natri là oxit nhiều lớp".

Trong khi catốt là yếu tố chính thúc đẩy chi phí cho ion lithium, thì anode là thành phần đắt nhất trong pin ion natri. Carbon cứng là lựa chọn tiêu chuẩn cho anode ion natri nhưng năng lực sản xuất lại chậm hơn so với cell ion natri, khiến giá tăng cao. Gần đây, vật liệu carbon cứng đã được lấy từ nhiều tiền chất khác nhau như chất thải động vật, bùn thải, glucose, xenluloza, gỗ, than và các dẫn xuất từ ​​dầu mỏ. Graphite tổng hợp, một vật liệu anode ion lithium phổ biến, hầu như chỉ dựa vào hai tiền chất sau. Với chuỗi cung ứng đang phát triển, carbon cứng đắt hơn graphite và là một trong những rào cản chính trong sản xuất cell ion natri.

Giảm một phần chi phí cao hơn, pin ion natri thể hiện khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn, đặc biệt là trong điều kiện dưới 30. Chúng an toàn hơn ion lithium vì chúng có thể được xả đến XNUMX vôn, giảm rủi ro trong quá trình vận chuyển và thải bỏ. Pin ion lithium thường được lưu trữ ở mức sạc khoảng XNUMX%. Ion natri có nguy cơ cháy thấp hơn vì chất điện phân của nó có điểm chớp cháy cao hơn - nhiệt độ tối thiểu mà hóa chất có thể bốc hơi để tạo thành hỗn hợp dễ cháy với không khí. Với cả hai loại hóa chất có cấu trúc và nguyên lý hoạt động tương tự nhau, ion natri thường có thể được thả vào dây chuyền và thiết bị sản xuất ion lithium.

Trên thực tế, nhà sản xuất pin hàng đầu thế giới CATL đang tích hợp ion natri vào cơ sở hạ tầng và sản phẩm lithium ion của mình. Pin ion natri đầu tiên của họ, được phát hành vào năm 2021, có mật độ năng lượng là 160 Wh/kg, với mức hứa hẹn là 200 Wh/kg trong tương lai. Vào năm 2023, CATL cho biết hãng sản xuất ô tô Trung Quốc Chery sẽ là hãng đầu tiên sử dụng pin ion natri của họ. CATL cho biết tạp chí pv vào cuối năm 2023, công ty đã phát triển một chuỗi công nghiệp cơ bản cho pin ion natri và thiết lập sản xuất hàng loạt. Quy mô sản xuất và lô hàng sẽ phụ thuộc vào việc triển khai dự án của khách hàng, CATL cho biết, đồng thời nói thêm rằng cần phải làm nhiều hơn nữa để triển khai thương mại ion natri trên quy mô lớn. "Chúng tôi hy vọng rằng toàn bộ ngành công nghiệp sẽ cùng nhau thúc đẩy sự phát triển của pin ion natri", nhà sản xuất pin cho biết.

Nạp natri

Vào tháng 2024 năm 10, nhà sản xuất ô tô lớn nhất và nhà cung cấp pin lớn thứ hai của Trung Quốc, BYD, cho biết họ đã bắt đầu xây dựng một nhà máy sản xuất pin ion natri trị giá 1.4 tỷ CNY (30 tỷ đô la), công suất 2022 GWh mỗi năm. Sản lượng sẽ cung cấp năng lượng cho các thiết bị "vi di động". HiNa, tách ra từ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, vào tháng XNUMX năm XNUMX đã đưa vào vận hành một dây chuyền sản xuất pin ion natri quy mô gigawatt-giờ và công bố một loạt sản phẩm pin ion Na và nguyên mẫu ô tô điện.

Nhà sản xuất pin châu Âu Northvolt đã công bố các cell pin ion natri đã được xác thực 160 Wh/kg vào tháng 2023 năm XNUMX. Được phát triển với Altris – tách ra từ Đại học Uppsala, Thụy Điển – công nghệ này sẽ được sử dụng trong thiết bị lưu trữ năng lượng thế hệ tiếp theo của công ty. Sản phẩm hiện tại của Northvolt dựa trên hóa học NMC. Tại buổi ra mắt, Wilhelm Löwenhielm, giám đốc cấp cao về phát triển kinh doanh hệ thống lưu trữ năng lượng của Northvolt, cho biết công ty muốn có một loại pin có khả năng cạnh tranh với LFP ở quy mô lớn. Ông cho biết: "Theo thời gian, công nghệ này dự kiến ​​sẽ vượt qua LFP đáng kể về khả năng cạnh tranh về chi phí".

Northvolt muốn có một loại pin “cắm là chạy” để nhanh chóng thâm nhập thị trường và mở rộng quy mô. Löwenhielm cho biết: “Các hoạt động chính để đưa công nghệ đặc biệt này ra thị trường là mở rộng chuỗi cung ứng vật liệu cấp pin, mà Northvolt hiện đang thực hiện, cùng với các đối tác”.

Các công ty nhỏ hơn cũng đang nỗ lực đưa công nghệ ion natri vào thương mại hóa. Faradion, công ty được tập đoàn Ấn Độ Reliance Industries mua lại vào năm 2021, cho biết hiện họ đang chuyển thiết kế cell thế hệ tiếp theo của mình vào sản xuất. "Chúng tôi đã phát triển một công nghệ cell mới và diện tích sử dụng với mật độ năng lượng cao hơn 20% và tăng vòng đời lên một phần ba so với thiết kế cell trước đây của chúng tôi", Tổng giám đốc điều hành (CEO) của Faradion James Quinn cho biết.

Các cell thế hệ đầu tiên của công ty đã chứng minh được mật độ năng lượng là 160 Wh/kg. Vào năm 2022, Quinn cho biết kế hoạch của Reliance là xây dựng một nhà máy ion natri công suất hai chữ số gigawatt tại Ấn Độ. Hiện tại, có vẻ như những kế hoạch đó vẫn đang được thực hiện. Vào tháng 2023 năm 2025, Chủ tịch Reliance Mukesh Ambani đã phát biểu tại cuộc họp cổ đông thường niên của công ty rằng doanh nghiệp "tập trung vào việc thương mại hóa nhanh chóng công nghệ pin ion natri của chúng tôi ... Chúng tôi sẽ phát huy vị thế dẫn đầu về công nghệ của mình bằng cách công nghiệp hóa sản xuất cell ion natri ở mức megawatt vào năm XNUMX và nhanh chóng xây dựng lên quy mô giga sau đó", ông cho biết.

Sản lượng

Công ty khởi nghiệp Tiamat đã tiến hành kế hoạch khởi công xây dựng nhà máy sản xuất 5 GWh tại vùng Hauts-de-France của Pháp. Vào tháng 2024 năm 30, công ty đã huy động được 32.4 triệu euro (150 triệu đô la) vốn chủ sở hữu và nợ và cho biết họ hy vọng sẽ hoàn tất việc tài trợ cho dự án công nghiệp của mình trong những tháng tới, nâng tổng số tiền tài trợ lên khoảng XNUMX triệu euro. Công ty, một công ty tách ra từ Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, ban đầu sẽ sản xuất pin ion natri cho các công cụ điện và các ứng dụng lưu trữ cố định tại nhà máy của mình, "để đáp ứng các đơn đặt hàng đầu tiên đã nhận được". Sau đó, công ty sẽ nhắm mục tiêu mở rộng sản xuất các sản phẩm thế hệ thứ hai cho các ứng dụng xe điện chạy bằng pin.

Tại Hoa Kỳ, các công ty trong ngành cũng đang đẩy mạnh nỗ lực thương mại hóa của họ. Vào tháng 2024 năm 2, Acculon Energy đã công bố sản xuất hàng loạt các mô-đun và bộ pin ion natri cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng cố định và di động và công bố kế hoạch mở rộng sản xuất lên 2024 GWh vào giữa năm 2023. Trong khi đó, Natron Energy, một công ty tách ra từ Đại học Stanford, có ý định bắt đầu sản xuất hàng loạt pin ion natri vào năm 600. Mục tiêu của công ty là sản xuất XNUMX MW pin ion natri tại cơ sở lithium ion Meadowbrook hiện tại của nhà sản xuất pin Clarios International, ở Michigan. Tuy nhiên, thông tin cập nhật về tiến độ vẫn còn hạn chế.

Tài trợ

Vào tháng 2023 năm 10, Peak Energy đã nổi lên với 2028 triệu đô la tiền tài trợ và một đội ngũ quản lý bao gồm các cựu giám đốc điều hành của Northvolt, Enovix, Tesla và SunPower. Công ty cho biết ban đầu họ sẽ nhập khẩu các cell pin và dự kiến ​​điều đó sẽ không thay đổi cho đến đầu năm 10. "Bạn cần khoảng một tỷ đô la cho một nhà máy sản xuất gigawatt quy mô nhỏ - hãy nghĩ đến ít hơn XNUMX GW", Giám đốc điều hành của Peak Energy, Landon Mossburg cho biết tại buổi ra mắt. "Vì vậy, cách nhanh nhất để đưa sản phẩm ra thị trường là xây dựng một hệ thống với các cell có sẵn từ bên thứ ba và Trung Quốc là nơi duy nhất xây dựng năng lực để vận chuyển đủ số lượng cell". Cuối cùng, công ty hy vọng sẽ đủ điều kiện nhận tín dụng nội địa theo Đạo luật Giảm lạm phát của Hoa Kỳ.

Một số nhà cung cấp, chẳng hạn như KPIT của Ấn Độ, đã tham gia vào lĩnh vực này mà không có bất kỳ kế hoạch sản xuất nào. Doanh nghiệp giải pháp kỹ thuật và phần mềm ô tô này đã công bố công nghệ pin ion natri của mình vào tháng 2023 năm 100 và bắt đầu tìm kiếm đối tác sản xuất. Ravi Pandit, chủ tịch của KPIT, cho biết công ty đã phát triển nhiều biến thể với mật độ năng lượng từ 170 Wh/kg đến 220 Wh/kg và có khả năng đạt tới XNUMX Wh/kg.

“Khi chúng tôi bắt đầu nghiên cứu về pin ion natri, kỳ vọng ban đầu về mật độ năng lượng khá thấp”, ông cho biết. “Nhưng trong tám năm qua, mật độ năng lượng đã tăng lên do những phát triển mà chúng tôi và các công ty khác đã thực hiện”. Những công ty khác đang tìm kiếm các quan hệ đối tác cung cấp. Năm ngoái, tập đoàn công nghệ Phần Lan Wärtsilä - một trong những nhà tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng bằng pin hàng đầu thế giới - cho biết họ đang tìm kiếm các quan hệ đối tác hoặc mua lại tiềm năng trong lĩnh vực này. Vào thời điểm đó, họ đang tiến tới thử nghiệm công nghệ này tại các cơ sở nghiên cứu của mình. Amy Liu, giám đốc phát triển giải pháp chiến lược tại Wärtsilä Energy Storage and Optimization, cho biết vào tháng 2024 năm XNUMX: “Nhóm của chúng tôi vẫn cam kết theo đuổi các cơ hội mới về mặt đa dạng hóa các công nghệ lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như kết hợp pin ion natri vào các giải pháp lưu trữ năng lượng cố định trong tương lai của chúng tôi”.

Cơ hội nearshoreing

Sau nhiều thông báo sản xuất hàng loạt, pin ion natri hiện đang ở thời điểm quyết định và sự quan tâm của nhà đầu tư sẽ quyết định số phận của công nghệ này. Phân tích thị trường của IDTechEx, được thực hiện vào tháng 2023 năm 40, cho thấy mức tăng trưởng dự kiến ​​ít nhất là 2030 GWh vào năm 100, với công suất sản xuất bổ sung 2025 GWh phụ thuộc vào sự thành công của thị trường vào năm XNUMX.

Siddiqi cho biết: “Những dự báo này giả định ngành công nghiệp [pin ion natri] sắp bùng nổ, phụ thuộc vào cam kết thương mại trong vài năm tới”.

Ion natri có thể cung cấp thêm một cơ hội nữa cho chuỗi cung ứng năng lượng sạch gần bờ, với các nguyên liệu thô cần thiết có sẵn trên toàn cầu. Tuy nhiên, có vẻ như chuyến tàu đã rời ga.

Hartley của Benchmark cho biết: “Cũng giống như giai đoạn đầu của thị trường pin lithium ion, nút thắt chính đối với ngành công nghiệp toàn cầu sẽ là sự thống trị của Trung Quốc”. “Tính đến năm 2023, 99.4% công suất pin ion natri có trụ sở tại Trung Quốc và con số này dự kiến ​​sẽ chỉ giảm xuống còn 90.6% vào năm 2030. Khi chính sách ở Châu Âu và Bắc Mỹ tìm cách chuyển chuỗi cung ứng pin lithium ion ra khỏi Trung Quốc do phụ thuộc vào sản xuất trong nước, thì thị trường ion natri cũng sẽ cần phải chuyển dịch để tạo ra chuỗi cung ứng nội địa hóa”.

Các quan điểm và ý kiến ​​được trình bày trong bài viết này là của riêng tác giả và không nhất thiết phản ánh những quan điểm và ý kiến ​​của tạp chí pv.

Nội dung này được bảo vệ bản quyền và không được phép sử dụng lại. Nếu bạn muốn hợp tác với chúng tôi và muốn sử dụng lại một số nội dung của chúng tôi, vui lòng liên hệ: editors@pv-magazine.com.

Nguồn từ tạp chí pv

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Thông tin nêu trên được cung cấp bởi pv-magazine.com độc lập với Chovm.com. Chovm.com không tuyên bố và bảo đảm về chất lượng và độ tin cậy của người bán và sản phẩm.