Phát triển pin điện: Cần đầu tư vào sản phẩm gì? 

Những phức tạp và gợi mở của việc phát triển pin điện gợi mở rất nhiều cơ hội cho các nhà khởi nghiệp. Tuy nhiên, câu hỏi trước tiên dành cho họ là khởi nghiệp bằng những sản phẩm dạng gì?

Với pin, chúng tôi chọn sản phẩm khởi nghiệp là Sodium-ion batteries (tức Na-ion Batteries, viết tắt là NIB hay SIB). Nguyên lý hoạt động và cấu trúc của NIB giống như của LIB. Khác nhau cơ bản giữa hai loại pin này là: trong LIB, hạt tải mang dòng qua lại giữa hai điện cực bên trong pin là các ion Li+, còn trong NIB là Na+. Hai nguyên tố Li và Na đều thuộc nhóm kim loại alkali, nên Lithium và Sodium có các tính chất hóa học giống nhau. Đó chính là tiền đề để người ta phát triển NIB, nối tiếp sau LIB.

Thực ra, những thử nghiệm sớm về NIB đã có từ 1990. Nhưng, loại pin này mới chỉ phát triển nóng vài năm gần đây, khi các vật liệu chủ chốt dùng cho LIB, như Co, Ni, và cả Li nữa, trở nên ngày càng khan hiếm và đắt đỏ, khiến chuỗi sản xuất LIB bị gián đoạn và giá thành sản phẩm tăng mạnh [3].

Trong khi đó, Na rất phong phú, đâu cũng có (như nước biển) và rất rẻ. Các vật liệu khác cấu thành NIB, thường liên quan đến sắt (như NaFeO_2), cũng nhiều và rẻ. Hệ quả là giá của NIB chỉ bằng khoảng một nửa của LIB (tính trên kWh). Đây là ưu điểm lớn nhất của NIB so với LIB. Những ưu điểm rõ nét khác của NIB (so với LIB) là: an toàn hơn (ít bị cháy nổ) và thân thiện môi trường hơn (do không có các vật liệu độc hại).

Ngược lại, NIB thua LIB về mật độ năng lượng (với NIB: ~100-150 Wh/kg và ~250-375 Wh/l, còn LIB: ~120-260 Wh/kg và ~250-683 Wh/l) [3]. Nguyên do là, ion Na+ lớn và nặng hơn Li+ (Na+ có bán kính 116 pm, so với 90 pm của Li+), ảnh hưởng đến khả năng xâm nhập điện cực (intercalation) của các ion và chuyển động của chúng qua electrolyte, cũng như trọng lượng và kích thước của cell.

Dù sao, NIB đang được xem là rất phù hợp cho các dự án lưu giữ điện quy mô lớn, liên quan đến lưới điện quốc gia hay phát triển điện sạch. Ở ta, nhu cầu về pin cho các khu vực này hiện rất cao và cần được làm chủ bởi các nhà sản xuất trong nước. Vật liệu đầu vào nhiều và rẻ, giá thành thấp, và nhu cầu thị trường cao chính là cơ sở để NIB thực sự là sản phẩm khởi nghiệp tối ưu!

Hiện tại, hầu hết các ông lớn về pin trên thế giới đều tập trung phát triển NIB thương mại, như: HiNa và CATL (TQ), Faradion (Anh), Tiamet (Pháp), Natron Energy (Mỹ) Northvolt (Thụy Điển), hay Sodion Energy (Ấn Độ). Năm 2023 BYD đầu tư 1,4 tỷ USD xây dựng nhà máy sản xuất NIB ở Xuzhou (TQ).

Các công ty TQ cũng đi đầu trong dùng NIB cho ô-tô điện, khiến giá xe thấp bất ngờ, hấp dẫn quảng đại khách hàng, đa số chỉ dùng xe di chuyển trong nội đô, nên nhu cầu về mật độ năng lượng (liên quan với quãng đường đi được cho một lần nạp) không thật cấp thiết [3].

Ngoài ra, với ưu thế về độ an toàn cao, thời gian nạp điện nhanh (hơn LIB), và thời gian sống lên tới ~5000 cycles [3], chắc chắn NIB sẽ sớm được phát triển rộng rãi cho xe điện, một thị trường rất tiềm năng.

Ngay ở thời điểm này, NIB đã được xem là dòng pin lưu giữ năng lượng an toàn và kinh tế nhất. Thị trường NIB được dự đoán sẽ tăng nhanh, từ 0,5 tỷ USD năm 2023 lên 1,2 tỷ USD năm 2028.

Mặt khác, bởi NIB là sản phẩm mới nên rất cần được gia tăng nghiên cứu, mà trọng tâm vẫn là tìm kiếm vật liệu phù hợp hơn cho các điện cực cũng như electrolyte. Các NIB hiện diện trên thị trường thường có cathode từ Prussian white hay vanadium phosphate, anode từ hard carbon, metal alloys (như Na_15 Sn_4) hay oxides (như NaTiO_2), còn electrolyte gồm NaClO_4 hay NaPF_6 hòa tan trong hỗn hợp dung môi. Ưu tiên số một có lẽ là tìm vật liệu điện cực có thể cho mật độ năng lượng cao hơn. Việc này có thể làm ngay bằng phối hợp mô phỏng số (như động học phân tử kết hợp học máy) với thực nghiệm. Như đã nói ở trên, một khi muốn phát triển sản phẩm CN cao, nghiên cứu sâu và mạnh là yếu tố sống còn. Hướng tới tương lai gần, nên tập trung nghiên cứu các NIB trang thái rắn [4].

Thêm nữa, chúng tôi cho rằng, song song với phát triển NIB, nên triển khai ngay tái chế pin. Vì sao? Ngoài ý nghĩa (lo lớn) về bảo vệ môi trường, việc tái chế sẽ (1) dễ mang lại trợ giúp về tiền và chính sách từ chính phủ cũng như các tổ chức quốc tế, (2) cho sản phẩm ngay (vật liệu tái chế được), và (3) giúp học hỏi thêm về các loại pin. Trong tương lai, tái chế không dừng lại ở pin, mà nên mở rộng sang các linh kiện khác, trước hết là tấm PV (photovoltaics) trong sản xuất điện mặt trời. Đồng thời phát triển mới và tái chế cũ cần được xem là chiến lược lâu dài.

Sớm phát triển NIB thương mại để phục vụ nhu cầu trong nước, tổ chức nghiên cứu hướng tới sản phẩm có ứng dụng rộng và sức cạnh tranh cao hơn, đồng thời đẩy mạnh tái chế. Đó là những gì chúng tôi cho là một khởi nghiệp về pin ở ta vào thời điểm hiện tại nên làm.

Sớm phát triển NIB thương mại để phục vụ nhu cầu trong nước, tổ chức nghiên cứu hướng tới sản phẩm có ứng dụng rộng và sức cạnh tranh cao hơn, đồng thời đẩy mạnh tái chế. Đó là những gì chúng tôi cho là một khởi nghiệp về pin ở ta vào thời điểm hiện tại nên làm.

________________________

Tài liệu:

[1] Clive Hamilton, Silent Invasion: China’s Influence in Australia, Hardle Grant Books, 2018;

[2] CN (technology) là áp dụng hiểu biết KH vào thực tiễn. KHCN (technological science) về cơ bản như CN, nhưng cao hơn ở chỗ không chỉ đơn thuần là áp dụng hiểu biết KH, mà còn chứa các nội dung khác như quá trình thử nghiệm (xem S.O. Hansson, What is technological science, https://doi.org/10.1016/j.shpsa.2007.06.003), chú ý KHCN khác KH&CN;

[3] Nguyễn Văn Liễn, Pin xe điện: Mảnh đất màu mỡ cho cải tiến và tối ưu, Khoa học và Phát triển, 2024;

[4] Nguyễn Văn Liễn, Vì sao cần sớm phát triển pin điện, Khoa học và Phát triển, 2024.