Sự phát triển pin natri-ion diễn ra vào những năm 1970, đầu những năm 1980. Nhưng đến những năm 1990, pin lithium-ion cho thấy nhiều hứa hẹn hơn về mặt thương mại, khiến mối quan tâm đến pin natri-ion giảm sút. Vào đầu những năm 2010, do chi phí nguyên liệu thô của pin lithium-ion tăng cao nên pin natri-ion có cơ hội phát triển trở lại.

Ưu điểm của pin natri-ion

Natri nằm cùng nhóm với lithium trong bảng tuần hoàn, có tính chất hóa học tương tự nên cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin natri-ion khá giống pin lithium-ion. Điểm khác nhau quan trọng là về loại ion mà chúng sử dụng, pin natri-ion sử dụng các ion natri (Na+) di chuyển qua lại giữa các điện cực dương và âm trong chu kỳ sạc và xả. Pin natri-ion là pin có thể sạc lại.

Pin natri-ion có một số ưu điểm như sau:

● Natri dồi dào, phong phú trong tự nhiên. Trong lớp vỏ Trái đất, hàm lượng natri cao hơn 1.000 lần so với lithium; ở biển, nó cao hơn 60.000 lần. Đây là điều khiến nguyên liệu thô đầu vào của pin natri-ion rẻ hơn. Một số thành phần khác cấu thành cho pin natri-ion như Cu, Fe, Mn cũng khá rẻ và có nhiều nguồn khác nhau. Điều này dẫn đến chi phí sản xuất pin natri-ion tương đối rẻ, giúp tăng tính cạnh tranh về mặt kinh tế.

● Cơ sở hạ tầng sản xuất pin lithium-ion có thể được sử dụng để sản xuất pin natri-ion sau khi cải tiến đơn giản, với ít đầu tư vào thiết bị và quy trình hơn, cung cấp hỗ trợ cơ bản cho việc chuyển đổi từ pin lithium sang pin natri.

● Pin natri-ion có dải nhiệt độ hoạt động rộng hơn (-20°C ~ 60°C), có nghĩa là chúng có thể sử dụng ở nhiệt độ khắc nghiệt hơn (cực cao hay cực thấp), mà không có nguy cơ thoát nhiệt, trong khi phạm vi nhiệt độ hoạt động tối ưu cho pin lithium là từ 0°C - 50°C.

● Pin natri đảm bảo an toàn cao vì các tế bào dựa trên nguyên tố hóa học này không dễ cháy, không dễ bị nổ hay đoản mạch. Pin natri-ion có thể được xả xuống 0V khi vận chuyển, giúp an toàn hơn.

● Pin natri-ion có thể được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng quy mô lớn, giúp tích hợp các nguồn năng lượng tái tạo.

● Pin natri-ion có thể giảm tác động nguy hại đến môi trường so với pin lithium-ion trong quá trình thải bỏ/tái chế.

Các thách thức trong phát triển pin natri-ion

Mặc dù có nhiều ưu điểm và lợi ích tiềm tàng, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức cho việc sản xuất đại trà để quá trình thương mại hóa pin natri-ion có thể phát triển nhanh chóng.

● Công nghệ sản xuất pin natri-ion vẫn còn trong giai đoạn phát triển ban đầu nên ít công ty hoạt động ở mảng này, dẫn đến mức độ phổ biến chưa cao.

● Một thách thức lớn cho pin natri-ion là mật độ năng lượng của chúng, hay nói cách khác là lượng năng lượng được lưu trữ so với thể tích của pin. Pin natri-ion có mật độ năng lượng dao động 100 - 160 Wh/kg, thấp hơn so với 120 - 260 Wh/kg của pin lithium-ion, đây là tồn tại đáng kể về khả năng lưu trữ năng lượng.

● Pin natri-ion có vòng đời còn thấp hơn đáng kể so với pin lithium. Điều này do khối lượng ion natri lớn (gấp 3 lần so với khối lượng ion lithium), các ion natri tạo ra ứng suất cơ học lớn hơn khi di chuyển giữa cực dương và cực âm, gây ra sự phân hủy than chì (vật liệu làm cực dương) sau một số chu kỳ.

● Cần tận dụng hơn nữa năng lượng hòa tan thấp của Na+ để đạt được khả năng sạc nhanh và phóng điện nhanh ở mức vài phút.

● Chuỗi cung ứng vật liệu được sử dụng trong pin cần được thiết lập rộng rãi, phổ biến hơn.

● Xây dựng các mô hình thoát nhiệt, va đập, hỏng hóc của pin natri-ion để cải thiện hơn nữa hiệu suất an toàn của pin natri-ion.

Trên thực tế, pin lithium-ion và pin natri-ion đều được thiết kế để lưu trữ và giải phóng năng lượng điện. Nếu muốn pin natri-ion trở thành xương sống của ngành lưu trữ năng lượng, các công ty sản xuất phải tiếp tục cải thiện hiệu suất kỹ thuật, giảm chi phí sản xuất, cũng như tăng cường thiết lập chuỗi cung ứng vật liệu sử dụng trong pin.