VINACHEM

Trong thời gian qua, những tiến bộ trong công nghệ pin và ắc quy, đặc biệt là công nghệ ắc quy ion liti, đã để lại dấu ấn ở các thị trường tiêu thụ khác nhau, cụ thể là:

- Thiết bị điện tử cầm tay (điện thoại di động, máy tính bảng).

- Thiết bị quân sự và viễn thông.

- Thiết bị y học.

- Xe ôtô điện và xe ôtô lai điện.

- Các thiết bị cấp điện lưới và lưu trữ năng lượng tái sinh.

Xu hướng thị trường

Theo kết quả nghiên cứu của Công ty LUX Research, nhu cầu lưu trữ điện năng và công suất ắc quy sẽ tăng mạnh trong 3 lĩnh vực thị trường chính là giao thông vận tải, điện tử tiêu dùng và thiết bị lưu trữ điện tại chỗ.

Với sự tăng trưởng mạnh mẽ của các loại xe ôtô điện kiểu mới, giao thông vận tải sẽ tiếp tục là lĩnh vực tiêu thụ pin và ắc quy lớn nhất, đóng vai trò chi phối toàn bộ thị trường pin và ắc quy.

Bên cạnh xe ôtô điện, lĩnh vực thiết bị điện tử tiêu dùng là động lực lớn thứ hai cho sự phát triển của thị trường pin và ắc quy. Nhưng nhu cầu pin và ắc quy trên thị trường thiết bị điện tử tiêu dùng sẽ chỉ tăng trưởng ở mức vừa phải trong những năm tới. Ngày nay, khoảng 63% dân số trên Trái Đất đã sở hữu điện thoại di động - hầu như bất cứ ai cũng có thể mua 1 chiếc điện thoại di động, vì vậy tiềm năng tăng trưởng của thị trường không còn nhiều. Hơn nữa, máy tính xách tay đang thường xuyên được thay thế bằng máy tính bảng với những loại pin nhỏ hơn. Người tiêu dùng thường thay thế thiết bị điện tử công nghệ cao sau mỗi chu kỳ khoảng hai năm. Vì vậy, từ năm 2018 thị trường thiết bị điện tử cầm tay sẽ bị chi phối bởi nhu cầu thay thế các thiết bị hiện tại bằng những thiết bị nhỏ hơn nhưng có công suất lớn hơn, sử dụng những loại pin mới với công suất cao hơn.

Thị trường ắc quy cỡ lớn dùng cho các trạm lưu trữ điện năng có triển vọng sẽ tăng trưởng ổn định trong 2 năm tới, nhưng sau đó sẽ tăng trưởng mạnh hơn. Lĩnh vực lưu trữ điện lưới phải tuân theo những quy định chặt chẽ, việc đưa vào sử dụng những loại ắc quy mới sẽ phải mất một thời gian dài.

Công nghệ ắc quy ion Liti

Năm 1991, Công ty Sony đã sản xuất loại pin ion liti thương mại đầu tiên, tạo ra cuộc cách mạng để ngành sản xuất điện tử tiêu dùng chuyển sang sản xuất những loại điện thoại di động nhỏ đến mức có thể bỏ trong túi quần. Tuy được đánh giá là tương đối an toàn, nhưng chất điện ly trong pin ion liti khi đó là dung môi hữu cơ, có thể cháy trong một số điều kiện nhất định. Năm 2006, Sony đã phải thu hồi 10 triệu ắc quy máy tính xách tay do pin của chúng có nguy cơ bị đoản mạch và cháy. Năm 2017, Công ty Samsung cũng phải thu hồi hàng triệu điện thoại di động Note 7 sau một số trường hợp pin ion liti bắt lửa và cháy.

Sau đó, quá trình phát triển pin ion liti trạng thái rắn đã diễn ra trong nhiều năm. ở loại pin này, vật liệu rắn cho phép vận chuyển ion giữa các điện cực đồng thời giảm mạnh xu hướng gây đoản mạch và cháy. Đây là loại pin có thể thay thế những loại pin với chất điện ly lỏng dễ cháy. Một số nhà sản xuất dự định sẽ đưa ra thị trường pin ion liti trạng thái rắn vào cuối năm 2018.

Theo Công ty nghiên cứu thị trường LUX Research, Công ty Samsung có thể bắt đầu cung cấp pin ion liti trạng thái rắn cho thị trường điện thoại di động vào năm 2019 hoặc 2020. Đây sẽ là sự thay đổi lớn có tính đột phá đầu tiên trong lĩnh vực pin ion liti sau hơn 15 năm.

Ngoài các thiết bị cầm tay, pin và ắc quy ion liti cỡ lớn cũng được áp dụng ngày càng nhiều trong các hệ thống lưu trữ điện tại chỗ.

Năm 2017, sau khi siêu bão Maria tàn phá quần đảo Puerto Rico, Công ty Tesla - nhà sản xuất xe ôtô điện hàng đầu trên thế giới - đã lắp đặt một hệ thống điện Mặt Trời với ắc quy ion liti Powerpack để cung cấp điện cho bệnh viện nhi tại đây. Ngoài ra, Tesla công bố sẽ thực hiện 6 dự án năng lượng để giúp thiết lập lại hệ thống cấp điện cho Puerto Rico.

Cũng trong năm 2017, Tesla đã lắp đặt một loại ắc quy với công suất 129 MWh mà Công ty gọi là “ắc quy ion liti lớn nhất thế giới” để hỗ trợ phát điện ở Nam Ôxtrâylia.

Xu hướng công nghệ mới

Tuy nhiên, một số chuyên gia trong lĩnh vực ắc quy cho rằng, ắc quy ion liti có khả năng sẽ không đủ để đáp ứng nhu cầu của tương lai. Tại Trung tâm Nghiên cứu lưu trữ năng lượng thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne (Mỹ), các nhà nghiên cứu đang khảo sát những loại ắc quy với mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn, chế tạo từ những nguyên liệu sẵn có hơn như lưu huỳnh và magiê.

Tuy công nghệ ắc quy ion liti sẽ tiếp tục được cải tiến để tăng mật độ lưu trữ năng lượng và giảm giá thành sản xuất, nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng những kiểu ắc quy mới sẽ được phát triển và tối ưu hóa cho các ứng dụng chuyên môn, đặc biệt khi cần lưu trữ nhiều năng lượng hơn với tốc độ nạp - phóng điện nhanh hơn.

Phòng thí nghiệm quốc gia argonne đang nghiên cứu một loại ắc quy mới có nhiều triển vọng áp dụng cho các thiết bị lưu trữ điện quy mô lớn. Đây là ắc quy dòng chảy, rất thích hợp cho những ứng dụng như vậy. Loại ắc quy này có thể được nâng cấp quy mô một cách dễ dàng để sử dụng cho các trạm lưu trữ điện. ở ắc quy dòng chảy, vật liệu hoạt tính được lưu trữ ở hai bình riêng rẽ, vì vậy có thể đạt được công suất ắc quy cao hơn bằng cách sử dụng các bình chứa lớn hơn với nhiều vật liệu hoạt tính hơn.

Trên thực tế, ắc quy dòng chảy kẽm/clo đã được sử dụng từ năm 1884 cho khinh khí cầu La France chạy bằng động cơ điện của Charles Renard tại Pháp. Đây là kiểu thiết kế với hai dung dịch chất điện ly khác nhau, mỗi chất được bơm tuần hoàn qua một phần của ắc quy và được tách riêng bằng một màng trao đổi ion. Giới hạn duy nhất đối với lượng năng lượng lưu trữ là dung tích của các bình chứa chất điện ly.

Phần lớn các ắc quy dòng chảy đều sử dụng hai hóa chất trao đổi hóa trị (trạng thái oxy hóa khử), nhưng ắc quy dòng chảy vanađi sử dụng nhiều trạng thái hóa trị khác nhau của chính vanađi để cung cấp điện tử cần thiết, tạo thành dòng điện. ắc quy dòng chảy vanađi đang có nhiều triển vọng sẽ trở thành ắc quy hàng đầu cho xe ôtô điện trong tương lai, vì nó có thể cung cấp điện áp cao, giúp xe ôtô tăng tốc nhanh hơn cũng như di chuyển với tốc độ cao hơn.

Trên toàn thế giới, hiện nay đang có nhiều dự án sử dụng ắc quy dòng chảy các loại khác nhau cho các thiết bị lưu trữ điện lưới, đặc biệt là những ắc quy kết hợp với hệ thống phát điện bằng năng lượng tái sinh. Chất điện ly lỏng cho phép cách nhiệt tốt và ắc quy dòng chảy được sử dụng để cân bằng phụ tải, kiểm soát tần số trong lưới điện. ắc quy dòng chảy có công suất cao, có thể phóng ra 100% năng lượng mà không bị hư hại.

Những tiến bộ trong công nghệ pin và ắc quy, từ việc ứng dụng ắc quy ion liti trạng thái rắn cho thiết bị điện tử cầm tay cho đến phát triển tiếp ắc quy dòng chảy quy mô lớn dùng để lưu trữ điện lưới, là những yếu tố then chốt cho sự phát triển của các thiết bị điện tử cầm tay, người máy, thiết bị quân sự, viễn thông và hệ thống lưới điện. Tuy ắc quy ion liti đã chứng tỏ vai trò quan trọng của mình trong thập niên qua và sẽ tiếp tục đóng vai trò đó trong thời gian tới, nhưng các công nghệ pin và ắc quy đang được phát triển trong năm 2018 cũng như sau đó sẽ dẫn đến những loại pin và ắc quy mới, đáp ứng tốt hơn nhu cầu của từng lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

LH

Theo Chemistry & Industry, 3/2018