Pin natri-Ion thay đổi cuộc chơi năng lượng tái tạo

Một giải pháp thay thế có thể là pin natri-ion, chủ yếu sử dụng muối ăn và sinh khối có nguồn gốc từ ngành lâm nghiệp làm nguyên liệu thô. Giờ đây, một nhóm nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers (Thụy Điển), cho thấy những pin natri-ion này có tác động đến khí hậu tương đương với các pin lithium-ion của chúng - mà không có nguy cơ cạn kiệt nguyên liệu thô.

Rickard Arvidsson, Phó giáo sư Phân tích Hệ thống Môi trường tại Chalmers, cho biết: “Các vật liệu chúng ta sử dụng trong pin trong tương lai sẽ rất quan trọng để có thể chuyển sang sử dụng năng lượng tái tạo và đội xe không sử dụng hóa thạch”.

Theo Đạo luật Nguyên liệu thô Quan trọng của Ủy ban Châu Âu, nhu cầu về nguyên liệu pin thô quan trọng dự kiến sẽ tăng theo cấp số nhân khi các nước trong Liên minh châu Âu (EU) chuyển đổi sang hệ thống năng lượng tái tạo và xe điện. Quá trình chuyển đổi xanh cũng sẽ đòi hỏi phải sản xuất pin tại địa phương nhiều hơn và các công nghệ mới không sử dụng hóa thạch khác, đồng thời cần có nguồn cung cấp nguyên liệu thô ổn định để đáp ứng nhu cầu. Đồng thời, hoạt động sản xuất như vậy có nguy cơ gián đoạn nguồn cung cao do số lượng nguồn nguyên liệu thô hạn chế.

Rickard Arvidsson bình luận: “Pin lithium-ion đang trở thành công nghệ thống trị trên thế giới và chúng tốt hơn cho khí hậu so với công nghệ dựa trên hóa thạch, đặc biệt là khi vận chuyển. Nhưng lithium đặt ra một nút thắt cổ chai. Bạn không thể sản xuất pin dựa trên lithium với tốc độ như bạn muốn sản xuất ô tô điện và có nguy cơ cạn kiệt trong thời gian dài. Ngoài ra, những vật liệu pin quan trọng như lithium và coban phần lớn chỉ được khai thác ở một số nơi trên thế giới, gây rủi ro cho nguồn cung”.

Pin natri-ion cung cấp công nghệ đầy hứa hẹn

Sự phát triển của các công nghệ pin mới đang tiến triển nhanh chóng trong nỗ lực tìm kiếm thế hệ lưu trữ năng lượng bền vững tiếp theo - tốt nhất là có tuổi thọ dài, mật độ năng lượng cao và dễ sản xuất. Nhóm nghiên cứu tại Chalmers đã chọn xem xét pin natri-ion, có chứa natri - một chất rất phổ biến được tìm thấy trong natri clorua thông thường - thay vì lithium. Trong một nghiên cứu mới, họ đã thực hiện cái gọi là đánh giá vòng đời của pin, trong đó họ đã kiểm tra tổng tác động đến môi trường và tài nguyên trong quá trình khai thác và sản xuất nguyên liệu thô.

Rickard Arvidsson báo cáo: “Chúng tôi đi đến kết luận rằng pin natri-ion tốt hơn nhiều so với pin lithium-ion về tác động đến sự khan hiếm tài nguyên khoáng sản và tương đương về tác động đến khí hậu. Tùy thuộc vào kịch bản mà bạn xem xét, chúng có dung lượng lưu trữ điện lý thuyết là từ 60 đến chỉ hơn 100 kg lượng carbon dioxide tương đương trên mỗi kilowatt giờ, thấp hơn so với báo cáo trước đây đối với loại pin natri-ion này. Đây rõ ràng là một công nghệ đầy hứa hẹn”. Nhóm nhà nghiên cứu cũng xác định một số biện pháp có khả năng làm giảm hơn nữa tác động của khí hậu - chẳng hạn như phát triển chất điện phân tốt hơn cho môi trường, vì nó chiếm phần lớn trong tổng tác động của pin.

Năng lượng xanh đòi hỏi phải lưu trữ năng lượng

Pin natri-ion ngày nay dự kiến sẽ được sử dụng để lưu trữ năng lượng cố định trong lưới điện và với sự phát triển không ngừng, chúng có thể cũng sẽ được sử dụng trong ô tô điện trong tương lai. Rickard Arvidsson giải thích: “Việc lưu trữ năng lượng là điều kiện tiên quyết cho việc mở rộng năng lượng gió và năng lượng mặt trời. Vì việc lưu trữ chủ yếu được thực hiện bằng pin, câu hỏi đặt ra là những viên pin đó sẽ được làm từ gì? Nhu cầu về lithium và coban ngày càng tăng, có thể là trở ngại cho sự phát triển này”.

Ưu điểm chính của công nghệ này là vật liệu chế tạo pin natri-ion rất dồi dào và có thể tìm thấy ở khắp nơi trên thế giới. Một điện cực trong pin - cực âm - có các ion natri làm chất mang điện và điện cực còn lại - cực dương - bao gồm carbon cứng, một trong những ví dụ mà nhóm nhà nghiên cứu Chalmers đã nghiên cứu có thể được sản xuất từ sinh khối từ ngành lâm nghiệp. Xét về mặt quy trình sản xuất và địa chính trị, pin natri-ion cũng là một giải pháp thay thế giúp đẩy nhanh quá trình chuyển đổi sang một xã hội không có hóa thạch. Rickard Arvidsson nhấn mạnh: “Pin dựa trên nguyên liệu thô dồi dào có thể giảm rủi ro địa chính trị và sự phụ thuộc vào các khu vực cụ thể, cho cả nhà sản xuất pin và quốc gia”.

Nghiên cứu này là đánh giá tiềm năng về vòng đời của hai loại pin natri-ion khác nhau, trong đó tác động đến môi trường và tài nguyên được tính toán từ đầu đến cuối - tức là từ khâu khai thác nguyên liệu thô đến sản xuất pin. Đơn vị chức năng của nghiên cứu là công suất lưu trữ điện lý thuyết ở cấp độ tế bào là 1 kWh. Cả hai loại pin đều chủ yếu dựa trên nguồn nguyên liệu thô dồi dào.

Cực dương được tạo thành từ carbon cứng dựa trên sinh học hoặc nguyên liệu hóa thạch, và cực âm được tạo thành từ cái gọi là “màu trắng Phổ” (bao gồm natri, sắt, carbon và nitơ). Chất điện phân chứa muối natri. Việc sản xuất được mô hình hóa để tương ứng với sản xuất quy mô lớn trong tương lai. Ví dụ, việc sản xuất pin thực tế dựa trên việc sản xuất pin lithium-ion quy mô lớn.

Hai tổ hợp điện khác nhau đã được thử nghiệm, cũng như hai loại phương pháp phân bổ khác nhau - tức là phân bổ tài nguyên và lượng khí thải. Một phương pháp trong đó tác động đến khí hậu và tài nguyên được phân bổ giữa các sản phẩm phụ dựa trên khối lượng và một phương pháp trong đó tất cả tác động được phân bổ cho sản phẩm chính (pin natri-ion cùng các thành phần và vật liệu của nó).