Natri đang trở thành lời giải mới cho bài toán pin toàn cầu
TTrọng Hoàng
Chọn cỡ chữ
Trong cuộc đua năng lượng sạch toàn cầu, sự phụ thuộc vào lithium đang làm gia tăng áp lực về môi trường, chi phí và chuỗi cung ứng. Một nghiên cứu mới từ Ireland cho thấy natri- nguyên tố dồi dào trong muối biển - có thể mở ra thế hệ pin bền vững hơn khi được kết hợp với lithium…
Nghiên cứu mới từ Ireland cho thấy natri- nguyên tố dồi dào trong muối biển - có thể mở ra thế hệ pin bền vững hơn khi được kết hợp với lithium Ảnh: iStock/Love Employee
Thế giới hiện đại ngày nay vận hành
nhờ pin. Từ điện thoại thông minh, máy tính xách tay, xe điện cho tới hệ thống
lưu trữ năng lượng tái tạo, hầu như mọi công nghệ của thời đại số đều phụ thuộc
vào khả năng lưu trữ điện năng hiệu quả.
Trong hơn một thập kỷ qua, pinlithium-ion đã trở thành công nghệ thống trị nhờ khả năng lưu trữ năng lượng
lớn trong kích thước nhỏ gọn. Đây là lý do khiến loại pin này được sử dụng rộng
rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng cũng như ngành công nghiệp xe điện
đang tăng trưởng bùng nổ.
Tuy nhiên, phía sau thành công đó là
hàng loạt vấn đề ngày càng khó bỏ qua. Lithium là tài nguyên không phân bố đồng
đều trên thế giới mà tập trung chủ yếu tại một số khu vực như Australia, Nam Mỹ
hay Trung Quốc. Việc khai thác lithium cũng đòi hỏi lượng nước khổng lồ, tiêu
tốn năng lượng và gây ra nhiều tranh cãi liên quan tới môi trường.
NATRI
- NGUYÊN TỐ DỒI DÀO NHƯNG “YẾU THẾ” HƠN LITHIUM
Trong bối cảnh cạnh tranh địa chính
trị ngày càng gay gắt, lithium dần được xem như một loại “khoáng sản chiến
lược”, tương tự dầu mỏ trong thế kỷ trước. Điều này khiến các chuỗi cung ứng
pin toàn cầu liên tục chịu áp lực về giá cả, nguồn cung và rủi ro chính trị.
Chính vì vậy, các nhà khoa học trên
khắp thế giới đang nỗ lực tìm kiếm những vật liệu thay thế có chi phí thấp hơn,
dồi dào hơn và bền vững hơn.
Một trong những ứng viên nổi bật
nhất hiện nay là natri. Khác với lithium tương đối khan hiếm, natri có mặt rất
nhiều trong tự nhiên, đặc biệt trong muối biển và lớp vỏ Trái Đất. Điều này
đồng nghĩa nguồn cung natri gần như vô tận và rẻ hơn rất nhiều.
Pin sodium-ion vì thế được kỳ vọng
có thể giảm đáng kể áp lực khai thác tài nguyên và chi phí sản xuất pin trong
tương lai. Tuy nhiên, pin natri vẫn tồn tại một nhược điểm lớn khiến nó chưa
thể thay thế pin lithium-ion đó là mật độ năng lượng thấp hơn.
Mật độ năng lượng là chỉ số cho biết
lượng điện năng pin có thể lưu trữ so với trọng lượng hoặc kích thước của nó.
Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng đối với các thiết bị di động và phương tiện
giao thông điện hóa.
Nếu xe điện sử dụng loại pin có mật
độ năng lượng thấp, quãng đường di chuyển sau mỗi lần sạc sẽ giảm đáng kể hoặc
xe phải mang theo bộ pin lớn và nặng hơn. Tương tự, điện thoại, laptop hay máy
tính bảng cũng sẽ trở nên cồng kềnh hơn.
Đối với giới nghiên cứu, đây là một
nghịch lý khó giải quyết: natri rất bền vững và rẻ, nhưng hiệu suất lại chưa đủ
mạnh để đáp ứng yêu cầu của nền kinh tế điện hóa hiện đại.
Theo Syed Abdul Ahad - nhà nghiên
cứu thuộc Khoa Hóa học của Đại học Limerick - chính nghịch lý này đã thôi thúc
nhóm của ông tìm ra cách tiếp cận khác.
Thay vì cố gắng để natri cạnh tranh
trực tiếp với lithium, nhóm nghiên cứu đặt câu hỏi liệu hai nguyên tố này có
thể phối hợp với nhau hay không. Ý tưởng ấy được lấy cảm hứng từ triết lý “âm -
dương”, nơi những yếu tố tưởng chừng đối lập thực chất có thể bổ sung cho nhau.
Trong cách ví von của nhóm nghiên cứu, natri đại diện cho tính dồi dào nhưng
“yếu” hơn, còn lithium tượng trưng cho hiệu suất mạnh mẽ nhưng khan hiếm và đắt
đỏ hơn.
Từ đó, họ phát triển loại pin “dual
cation” - pin song cation - sử dụng đồng thời cả ion natri và ion lithium trong
cùng một hệ thống lưu trữ năng lượng. Đây được xem là một hướng đi mới trong
công nghệ pin, bởi phần lớn các hệ thống hiện nay thường chỉ dựa vào một loại
ion chính.
“VŨ
ĐIỆU HÓA HỌC” GIÚP PIN HOẠT ĐỘNG HIỆU QUẢ HƠN
Để kiểm chứng ý tưởng, nhóm nghiên
cứu trước tiên tạo ra một dạng pin thử nghiệm gọi là “half-cell”, tức chỉ có
một điện cực được ngâm trong chất điện phân thay vì đầy đủ hai điện cực như pin
hoàn chỉnh. Trong hệ thống này, chất điện phân chủ yếu chứa natri nhưng được bổ
sung thêm một lượng nhỏ muối lithium.
Kết quả đạt được khiến các nhà khoa học bất
ngờ khi dung lượng lưu trữ của pin gần như tăng gấp đôi so với các loại pin
sodium-ion tiên tiến hiện nay. Đồng thời, pin vẫn duy trì được sự ổn định qua
khoảng 1.000 chu kỳ sạc - xả ở cường độ dòng điện cao.
Trong ngành nghiên cứu pin natri,
đây là con số rất đáng chú ý. Trước đó, nhiều mẫu pin sodium-ion thường suy
giảm nhanh chỉ sau vài chục chu kỳ hoạt động.
Theo nhóm nghiên cứu, điều đặc biệt
nằm ở sự phối hợp hóa học giữa hai loại ion. Ion lithium nhỏ hơn ion natri nên
có khả năng di chuyển linh hoạt hơn trong vật liệu anode. Quá trình dịch chuyển
của lithium giúp mở ra những “đường dẫn” thuận lợi hơn cho natri di chuyển.
Điều này làm giảm “rào cản khuếch
tán” - lực cản vốn khiến pin natri hoạt động chậm và kém hiệu quả hơn pin
lithium-ion. Khi lực cản giảm xuống, nhiều ion natri hơn có thể đi vào anode để
lưu trữ điện tích, giúp nâng cao dung lượng pin.
Ở chiều ngược lại, natri cũng đóng
vai trò quan trọng trong việc ngăn lithium bị mắc kẹt bên trong vật liệu sau
quá trình xả điện. Sự trao đổi qua lại này giúp phản ứng hóa học duy trì tính
ổn định và khả năng đảo ngược qua nhiều chu kỳ, từ đó kéo dài tuổi thọ pin.
Nhóm nghiên cứu mô tả cơ chế này như một “vũ điệu hóa học” giữa lithium và natri, nơi không nguyên tố nào hoàn toàn áp đảo mà cả hai cùng hỗ trợ nhau để tạo ra hiệu suất tối ưu.
Sau thành công ở giai đoạn thử
nghiệm half-cell, các nhà khoa học tiếp tục phát triển tế bào pin hoàn chỉnh
với đầy đủ cathode và anode.
Kết quả cho thấy pin vẫn duy trì
được khoảng 70% dung lượng sau 200 chu kỳ sạc - xả. Trong khi đó, loại pin chỉ
sử dụng chất điện phân natri bắt đầu suy giảm đáng kể sau khoảng 50 chu kỳ.
Điều quan trọng là natri vẫn đóng
vai trò ion chủ đạo trong toàn bộ hệ thống. Điều này có nghĩa công nghệ mới về
bản chất vẫn là pin sodium-ion nhưng được “hỗ trợ chiến lược” bởi một lượng nhỏ
lithium để cải thiện hiệu suất.
TRIỂN
VỌNG MỚI CHO XE ĐIỆN VÀ LƯỚI ĐIỆN NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Các nhà khoa học cho rằng công nghệ
mới có thể mang lại ý nghĩa lớn đối với quá trình chuyển đổi năng lượng toàn
cầu.
Hiện nay, phần lớn pin lithium-ion
thương mại sử dụng cathode chứa cobalt và nickel – những vật liệu đắt đỏ, nguồn
cung hạn chế và gây nhiều tranh cãi về môi trường cũng như lao động khai thác.
Trong khi đó, thiết kế pin mới sử
dụng cathode sulphide sắt, kết hợp với natri là ion chính. Do natri và sắt đều
dồi dào hơn nhiều kim loại dùng trong pin hiện nay, chi phí sản xuất có thể
giảm đáng kể nếu công nghệ được thương mại hóa.
Lượng lithium trong hệ thống chỉ
đóng vai trò “tăng cường hiệu suất” chứ không phải nguyên liệu chủ đạo. Điều
này đồng nghĩa nhu cầu lithium có thể được cắt giảm đáng kể trong tương lai.
Một trong những lĩnh vực được kỳ
vọng hưởng lợi lớn nhất là lưu trữ năng lượng tái tạo. Khi điện mặt trời và
điện gió phát triển nhanh, nhu cầu lưu trữ điện quy mô lớn cũng tăng mạnh để
giải quyết tính gián đoạn của nguồn năng lượng tái tạo. Đây là thị trường mà
pin sodium-ion được đánh giá có nhiều tiềm năng nhờ giá thành thấp và nguồn
nguyên liệu dồi dào.
Nếu đạt được hiệu suất đủ cao, pin natri - lithium có thể được sử dụng cho lưới điện quốc gia, trung tâm dữ liệu, khu công nghiệp và các hệ thống lưu trữ điện quy mô lớn với chi phí thấp hơn pin lithium-ion hiện nay.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cũng thừa
nhận vẫn còn nhiều thách thức phía trước. Hiện tại, vật liệu anode của pin thử
nghiệm được làm từ germanium - nguyên tố khá đắt đỏ. Vì vậy, mục tiêu tiếp theo
là thay thế germanium bằng silicon, vật liệu rẻ hơn và cũng có khả năng lưu trữ
đồng thời ion natri và lithium. Nếu thành công, mật độ năng lượng của pin natri
có thể tiếp tục được cải thiện đáng kể.
Ngoài ra, các nhà khoa học cũng đang
nghiên cứu thêm những “cặp ion” khác như lithium-magnesium hay potassium-sodium
để tìm kiếm những cấu trúc pin bền vững hơn trong tương lai.
Trong dài hạn, giới nghiên cứu cho
rằng tương lai của ngành pin có thể không nằm ở việc tìm ra “người thay thế
hoàn toàn” cho lithium, mà ở việc xây dựng các hệ thống lai kết hợp nhiều vật
liệu nhằm tối ưu đồng thời hiệu suất, chi phí và tính bền vững.
Bình quân thu nhập tăng thêm đạt 106 USD/ha; khoảng 52% lợi ích kinh tế thuộc về nông dân tại các nước đang phát triển... cho thấy công nghệ sinh học có khả năng đóng góp vào cải thiện sinh kế và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Trong khuôn khổ chuyến thăm chính thức Nhật Bản của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm cùng Phu nhân và Đoàn đại biểu cấp cao Việt Nam từ ngày 8-11/11, Việt Nam và Nhật Bản đã ký kết các Bản ghi nhớ hợp tác trong lĩnh vực môi trường, nông nghiệp, kinh tế biển...
Dự thảo Nghị định của Chính phủ quy định chi tiết một số điều của Luật Bảo vệ môi trường về ứng phó với biến đổi khí hậu đang được xây dựng tập trung các quy định mới về thích ứng với biến đổi khí hậu, quản lý phát thải khí nhà kính, chuyển đổi xanh, phát triển thị trường carbon, hoàn thiện cơ chế phân bổ, đấu giá hạn ngạch phát thải và xây dựng tiêu chuẩn tín chỉ carbon trong nước…
Nhu cầu hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS) gia tăng, cùng xu hướng đa dạng hóa chuỗi cung ứng pin tại Bắc Mỹ, đang thúc đẩy các nhà sản xuất vật liệu pin Hàn Quốc đẩy mạnh đầu tư vào lithium sắt phosphate (LFP)...
Quy trình mới bổ sung, điều chỉnh nhiều nội dung nhằm nâng cao hiệu quả điều tiết, cắt giảm lũ, bảo đảm an toàn vùng hạ du, an toàn cho công trình; đồng thời chủ động phân phối, sử dụng nguồn nước hiệu quả, hợp lý trong mùa cạn...
Báo cáo tình hình kinh tế - xã hội 10 tháng đầu năm 2026 ghi nhận nhiều con số kỷ lục. Tổng kim ngạch xuất nhập khẩu lần đầu tiên vượt mốc 1.000 tỷ USD, vốn FDI đăng ký đạt mức cao nhất kể từ năm 2009 đến nay (54,85 tỷ USD), vốn FDI thực hiện cũng đạt mức cao nhất trong 5 năm qua (24,08 tỷ USD). Cùng với sự phục hồi mạnh mẽ của sản xuất công nghiệp, bán lẻ và du lịch, nền kinh tế Việt Nam đang chứng tỏ đà tăng trưởng vững chắc…
Bình quân thu nhập tăng thêm đạt 106 USD/ha; khoảng 52% lợi ích kinh tế thuộc về nông dân tại các nước đang phát triển... cho thấy công nghệ sinh học có khả năng đóng góp vào cải thiện sinh kế và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Kỳ họp thứ 2, Quốc hội khoá XVI dự kiến kéo dài 28 ngày bắt đầu từ 17/10/2026. Kỳ họp với khối lượng công việc lớn, dự kiến xem xét, thông qua 43 luật, nghị quyết quy phạm pháp luật và quyết định...
Yêu cầu cốt lõi mà Nghị quyết 20 đặt ra là phải biến nước ta từ một quốc gia có biển thành một quốc gia biển mạnh, với kinh tế biển phát triển hiện đại, có năng lực cạnh tranh cao, đồng thời giữ vững...
Nhìn lại di sản và thành tựu của Thời báo Kinh tế Việt Nam - Tạp chí Kinh tế Việt Nam trong 35 năm qua, giá trị lớn nhất không chỉ đo bằng lượng thông tin phục vụ bạn đọc hàng ngày, hàng giờ, cũng...
Interactive là một sản phẩm báo chí mới của VnEconomy vừa được ra mắt bạn đọc từ đầu tháng 3/2023 đã gây ấn tượng mạnh với độc giả bởi sự mới lạ, độc đáo. Đây cũng là sản phẩm độc quyền chỉ có trên...