Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ và sự chuyển đổi của cơ cấu năng lượng toàn cầu, năng lượng tái tạo đã trở thành chìa khóa cho sự phát triển năng lượng trong tương lai. Pin lithium-ion, như nguồn pin thứ cấp, đã phát triển nhanh chóng kể từ những năm 1990. Ưu điểm của chúng là mật độ năng lượng cao, tuổi thọ chu kỳ dài và thân thiện với môi trường đã khiến chúng được sử dụng rộng rãi trong các phương tiện năng lượng mới, sản phẩm điện tử và hệ thống lưu trữ năng lượng. Ngoài ra, pin lithium-ion đã dần trở thành một công cụ nghiên cứu quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo, giúp thúc đẩy sự gia tăng của các hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà. Việc thiết lập các loại hệ thống này đã cải thiện tính ổn định của hệ thống điện cũng như tiết kiệm chi phí.
Ở đây, chúng ta sẽ đi sâu hơn vào ưu và nhược điểm của việc sử dụng pin lithium-ion để lưu trữ năng lượng tại nhà, bao gồm hiệu suất pin, chi phí, độ an toàn và tác động đến môi trường.
Mục lục
Cấu trúc pin lithium-ion
Phát triển pin lithium-ion cho lưu trữ gia đình
Các vấn đề với pin lithium-ion gia dụng
Nghiên cứu đang diễn ra về pin lithium-ion
Triển vọng thị trường pin lithium-ion trong nước
Khuyến khích chủ nhà sử dụng pin lithium-ion
Một số mẹo khi mua pin
Cấu trúc pin lithium-ion
Pin lithium-ion là một loại pin thứ cấp (pin sạc lại) chủ yếu dựa vào các ion lithium di chuyển giữa các điện cực dương và âm. Pin lithium-ion thường bao gồm các cell, cầu chì (hoặc PTC), bảng bảo vệ, vỏ và một số phụ kiện. Bảng bảo vệ chủ yếu bao gồm các chip bảo vệ, ống MOS, điện trở, tụ điện và bảng PCB. Trong khi đó, cell đề cập đến một cell điện hóa duy nhất chứa các điện cực dương và âm, chất điện phân, màng ngăn, v.v. Các chất hoạt động được sử dụng để tạo ra các điện cực dương thường là lithium manganate, lithium coban, lithium nickel coban manganate hoặc lithium iron phosphate. Graphite hoặc carbon có cấu trúc graphite tương tự, được sử dụng cho các điện cực âm. Chất điện phân hữu cơ là dung môi cacbonat hòa tan trong lithium hexafluorophosphate; pin lithium-ion polymer sử dụng chất điện phân dạng gel.
Xe đạp điện thường sử dụng lithium nickel cobalt manganate (còn gọi là ternary) cộng với một lượng nhỏ lithium manganate. Màng ngăn là một màng polyme định hình có cấu trúc vi xốp cho phép các ion lithium đi qua tự do nhưng chặn các electron. Các loại phổ biến được làm từ polyethylene (PE), polypropylene (PP) hoặc màng composite của nó, màng ngăn ba lớp PP/PE/PP. Vỏ pin thường được tạo thành từ vỏ thép, vỏ nhôm, vỏ sắt mạ niken, màng nhôm-nhựa, v.v., trong khi nắp có các cực dương và cực âm của pin.
Phát triển pin lithium-ion cho lưu trữ gia đình
Công nghệ sản phẩm
Trong những năm gần đây, với sự phát triển và trưởng thành dần dần của công nghệ pin lithium-ion, pin lithium-ion trong nước đã có những tiến bộ đáng kể về mặt kỹ thuật về dung lượng, độ an toàn, vòng đời, v.v. Hiện tại, mật độ năng lượng của pin lithium-ion gia dụng chính thống là 200-300Wh/kg, một số sản phẩm cao cấp thậm chí còn vượt quá 350Wh/kg. Ngoài ra, việc liên tục nâng cấp công nghệ hệ thống quản lý pin (BMS) có nghĩa là tính an toàn của pin lithium-ion cũng đang được cải thiện.
quy mô thị trường
Trong những năm gần đây, quy mô thị trường pin lithium-ion đã cho thấy xu hướng mở rộng nhanh chóng, với thị trường pin lithium-ion gia dụng toàn cầu tăng từ 1 tỷ đô la Mỹ năm 2010 lên 10 tỷ đô la Mỹ năm 2020. Hiện tại, thị trường pin lithium-ion chủ yếu tập trung ở Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc, theo các báo cáo có liên quan, với khu vực Châu Á - Thái Bình Dương chiếm hơn 70% thị phần toàn cầu. Trong khi đó, khu vực Châu Âu chỉ chiếm 10-15% thị trường toàn cầu, điều này cho thấy thị trường Châu Âu có tiềm năng phát triển rất lớn.
Giảm chi phí
Việc giảm chi phí pin lithium-ion liên quan đến nhiều khía cạnh, và các nhà sản xuất tiếp tục cải thiện hiệu suất pin và giảm chi phí pin thông qua công nghệ, cải tiến vật liệu và tối ưu hóa sản xuất. Trong tương lai, với việc nghiên cứu sâu hơn và công nghệ ngày càng hoàn thiện, chi phí sản xuất pin lithium-ion cũng sẽ giảm hơn nữa.
Các vấn đề với pin lithium-ion gia dụng
Phí Tổn
Với sự trưởng thành liên tục của công nghệ pin lithium-ion, chi phí sản xuất đã giảm dần theo từng năm. Nhưng do sự phân bổ không đồng đều của nguyên liệu thô, giá cả có thể biến động đáng kể, khiến chi phí của pin lithium-ion cao hơn pin truyền thống, điều này hạn chế khả năng cạnh tranh của nó trong các ứng dụng quy mô lớn.
Độ bền cao
Tuổi thọ của pin lithium-ion được xác định bởi số chu kỳ, tốc độ sạc và xả, nhiệt độ và các yếu tố khác. Khi số chu kỳ pin tăng lên, dung lượng và công suất đầu ra của pin có thể giảm.
Vấn đề môi trường
Trong khi pin lithium-ion dùng trong gia đình mang lại nhiều tiện ích, chúng cũng đi kèm với một số vấn đề nhất định về môi trường. Và mặc dù nhiều nhà sản xuất pin lithium-ion đã áp dụng các quy trình sản xuất xanh, vẫn có một số rủi ro nhất định về môi trường trong quá trình xử lý pin lithium-ion thải. Ví dụ, pin thải chứa kim loại nặng có hại, nếu không được xử lý đúng cách, có thể gây ô nhiễm đất, nguồn nước và hệ sinh thái.
Mối nguy hiểm an toàn
Pin lithium-ion trải qua quá trình sạc và xả quá mức, nhiệt độ cao, đùn ép và các điều kiện đặc biệt khác có thể gặp phải tình trạng mất kiểm soát nhiệt, cháy nổ và các tai nạn an toàn khác. Mặc dù công nghệ hệ thống quản lý pin (BMS) liên tục được cải thiện, nhưng tính an toàn của pin lithium-ion đã được cải thiện đáng kể; nhưng trong những trường hợp cực đoan, vẫn có khả năng xảy ra tai nạn an toàn.
Nghiên cứu đang diễn ra về pin lithium-ion
Là một thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu quả và tương đối thân thiện với môi trường, pin lithium-ion đã nhận được sự quan tâm và nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây. Nghiên cứu hiện tại chủ yếu hướng đến việc tối ưu hóa vật liệu, cấu trúc, quản lý pin, công nghệ sạc nhanh, an toàn và các khía cạnh khác.
Đổi mới vật liệu
Các nhà nghiên cứu đã và đang khám phá các vật liệu điện cực dương và âm mới để cải thiện mật độ năng lượng, tuổi thọ và độ an toàn của pin. Ví dụ, vật liệu silicon có thể sớm thay thế than chì truyền thống cho điện cực âm, do đó cải thiện mật độ năng lượng của pin. Đồng thời, các nhà nghiên cứu cũng đang khám phá các vật liệu catốt mới, chẳng hạn như vật liệu giàu lithium và vật liệu giàu lithium nhiều lớp, để cải thiện mật độ năng lượng và tuổi thọ của pin.
Chất điện phân rắn
Chất điện phân rắn là một trong những công nghệ then chốt trong pin thế hệ tiếp theo. So với chất điện phân lỏng được sử dụng trong pin lithium-ion truyền thống, chất điện phân rắn có độ an toàn cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu phát triển chất điện phân rắn có độ dẫn ion cao, giá thành thấp để thay thế chất điện phân lỏng truyền thống.
Hệ thống quản lý pin
Hệ thống quản lý pin là một thành phần quan trọng trong tỷ lệ sử dụng năng lượng của pin lithium-ion, kéo dài tuổi thọ pin và cải thiện tính an toàn. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các hệ thống quản lý pin thông minh hơn để đạt được khả năng kiểm soát chính xác và quản lý pin tối ưu.
Công nghệ sạc nhanh
Công nghệ sạc nhanh có thể rút ngắn thời gian sạc pin và cải thiện hiệu quả sử dụng. Các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các công nghệ sạc hiệu quả hơn, chẳng hạn như sạc xung và sạc không dây, để đạt được tốc độ sạc nhanh hơn và hiệu quả sạc cao hơn.
Triển vọng thị trường pin lithium-ion trong nước
Nhu cầu chuyển đổi năng lượng: Với sự tiến bộ của quá trình chuyển đổi năng lượng toàn cầu, các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và năng lượng gió đã dần trở nên phổ biến. Pin lithium-ion trong nước giúp lưu trữ các nguồn năng lượng không liên tục này, cho phép các hộ gia đình đạt được nguồn cung cấp năng lượng tự cung tự cấp và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống.
Sự phổ biến của xe điện: Với sự phát triển nhanh chóng của thị trường xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion gia dụng có thể được điều chỉnh để sử dụng làm cơ sở hỗ trợ cho xe điện, cung cấp giải pháp lưu trữ năng lượng và cải thiện hơn nữa phạm vi hoạt động và hiệu suất của chúng.
Chính sách giá điện vùng đỉnh-vùng thung lũng: Nhiều quốc gia và khu vực thực hiện chính sách giá điện cao điểm-thung lũng để khuyến khích người dùng tính phí với giá thấp và sử dụng điện vào giờ cao điểm. Pin lithium-ion gia đình có thể giúp người dùng tận dụng tối đa chính sách giá điện cao điểm-thung lũng để giảm chi phí năng lượng.
Thúc đẩy mục tiêu trung hòa carbon: Các quốc gia trên thế giới đã đề xuất các mục tiêu trung hòa carbon để thúc đẩy điều chỉnh cơ cấu năng lượng và giảm phát thải carbon. Hệ thống lưu trữ năng lượng pin lithium-ion hộ gia đình có thể cải thiện hiệu quả năng lượng, giảm phát thải carbon và giúp thế giới đạt được mục tiêu trung hòa carbon.
Tiến bộ khoa học: Với sự tiến bộ liên tục trong phát triển công nghệ pin lithium-ion, dung lượng, độ an toàn, vòng đời và các khía cạnh hiệu suất khác của pin sẽ được cải thiện hơn nữa, giảm chi phí và nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường.
Khuyến khích chủ nhà sử dụng pin lithium-ion
Nhật Bản
Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI), với ngân sách khoảng 98.3 triệu đô la Mỹ, cung cấp 66% trợ cấp cho các hộ gia đình và doanh nghiệp lắp đặt pin điện tử lithium. Lấy pin natri lưu huỳnh làm ví dụ, chính phủ Nhật Bản không chỉ hỗ trợ tài chính miễn phí trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu, cung cấp hơn 50% kinh phí, mà còn hỗ trợ bao gồm công nghệ, thị trường, dự án trình diễn và các khía cạnh khác, và tiếp tục trợ cấp sau khi hoạt động thương mại.
Hoa Kỳ
Tín dụng thuế liên bang: Chính phủ Hoa Kỳ cung cấp một loạt các khoản tín dụng thuế để thúc đẩy sự phát triển của năng lượng tái tạo và các hệ thống lưu trữ. Ví dụ, Tín dụng thuế đầu tư (ITC) và Tín dụng thuế sản xuất (PTC) có thể được sử dụng để giảm chi phí mua hệ thống lưu trữ năng lượng tại nhà. Trong khi đó, một số tiểu bang cung cấp các ưu đãi và trợ cấp đáng kể để thu hút đầu tư vào sản xuất pin, bao gồm các ưu đãi tiền mặt, ưu đãi thuế và quyền sử dụng đất. Một số tiểu bang cũng giảm hóa đơn tiền điện bằng cách thực hiện các chính sách "đo lường ròng" cho phép chủ sở hữu kho lưu trữ năng lượng tại nhà bán lại điện mặt trời dư thừa vào lưới điện.
Nước Đức
Từ năm 2013 đến năm 2018, chính phủ Đức đã cung cấp tới 30% trợ cấp cho vay trực tiếp để lưu trữ năng lượng trong hộ gia đình và do việc sử dụng năng lượng chủ yếu liên quan đến hệ thống quang điện trong hộ gia đình nên các chính sách quang điện có lợi cho hộ gia đình của Đức đã thúc đẩy việc lắp đặt hệ thống lưu trữ năng lượng trong hộ gia đình.
Một số mẹo khi mua pin
Hiểu thành phần hóa học
Pin lithium-ion thường được cấu thành từ các thành phần kim loại như lithium, coban và niken. Việc hiểu rõ nguồn gốc và quy trình chiết xuất các thành phần này rất quan trọng để đánh giá tác động của pin đối với môi trường. Người mua có thể yêu cầu nhà cung cấp cung cấp thông tin về vật liệu pin và cố gắng lựa chọn sản phẩm từ các nguồn bền vững sử dụng quy trình chiết xuất thân thiện với môi trường. Ngoài ra, người mua nên tìm kiếm các thương hiệu đã được chứng nhận về bảo vệ môi trường, chẳng hạn như chứng nhận RoHS của Liên minh Châu Âu và chứng nhận nền tảng quản lý truy xuất nguồn gốc pin xe năng lượng mới của Trung Quốc.
Hãy xem xét mật độ năng lượng và công suất
Người mua phải hiểu dung lượng và mật độ năng lượng của pin để chọn pin phù hợp với nhu cầu ứng dụng của mình. Nhìn chung, pin có dung lượng và mật độ năng lượng cao có thể cung cấp tuổi thọ pin dài hơn và nhẹ hơn. Tuy nhiên, người mua cũng nên cân nhắc các yếu tố như thời gian sạc và tuổi thọ.
Chú ý đến sự an toàn của pin
Pin lithium-ion có thể gây ra sự cố an toàn khi sử dụng hoặc xử lý không đúng cách. Do đó, người mua nên chọn một thương hiệu pin có hồ sơ an toàn tốt và đã được kiểm tra nghiêm ngặt. Trong quá trình vận chuyển và lưu trữ, người mua cũng nên tuân thủ các quy định và tiêu chuẩn an toàn có liên quan.
Hãy xem xét tốc độ sạc
Tốc độ sạc của pin lithium-ion cũng là một yếu tố cần cân nhắc. Công nghệ sạc nhanh có thể rút ngắn thời gian sạc pin và cải thiện hiệu suất, nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của pin. Người mua nên chọn tốc độ sạc phù hợp theo nhu cầu thực tế.
Hãy xem xét chu kỳ cuộc sống
Tuổi thọ chu kỳ của pin lithium-ion là số lần có thể sử dụng trong điều kiện sạc và xả nhất định. Pin có tuổi thọ chu kỳ dài có thể cung cấp tuổi thọ dài hơn, giúp giảm tần suất thay thế và phát sinh chất thải. Người mua có thể lựa chọn pin có tuổi thọ chu kỳ dài theo nhu cầu ứng dụng thực tế.
Để biết thêm các giải pháp thương mại, tổng quan về ngành và góc nhìn mới về ý tưởng kinh doanh, hãy đảm bảo đăng ký Bài đọc của Cooig.com.
