Quá trình chuyển đổi năng lượng tái tạo liên quan đến việc khai thác các lực lượng vĩ đại của tự nhiên. Các tấm pin mặt trời bóng bẩy được rèn từ bạc và silica từ sâu thẳm của Trái đất chuyển năng lượng ánh sáng rực rỡ của mặt trời thành điện. Các tuabin gió với mỗi cánh quạt có kích thước bằng một tòa nhà 12 tầng điểm xuyết đường chân trời của những cánh đồng bị gió thổi và giúp cung cấp năng lượng cho toàn bộ thành phố.
Một trong những công cụ có giá trị nhất để biến tất cả những điều này thành hiện thực là gì? Vũ khí bí mật nào là yếu tố quan trọng cho quá trình chuyển đổi năng lượng mạnh mẽ này?
Pin dòng chảy vanadi 1 megawatt (một công nghệ khác với lithium-ion, nhưng cũng được sử dụng để lưu trữ năng lượng) ở Pullman, Washington, được xây dựng bởi UniEnergy Technologies và thuộc sở hữu của Avista Utilities. Nguồn: UniEnergy Technologies.
Pin giúp lưu trữ năng lượng dư thừa. Khi lưới điện có tất cả năng lượng cần thiết tại một thời điểm nhất định, nhưng đó là một ngày nắng hoặc gió và hệ thống năng lượng mặt trời và gió vẫn đang tạo ra điện, pin sẽ giúp lưu trữ lượng dư thừa. Sau đó, khi mặt trời lặn và gió không thổi, pin có thể xả năng lượng dư thừa được lưu trữ để tiếp tục hỗ trợ nhu cầu điện. Trong khi hầu hết lưu trữ năng lượng cho lưới điện của Mỹ ngày nay là dưới dạng hệ thống thủy điện bơm, pin là một phần ngày càng tăng của miếng bánh lưu trữ.
Loại pin phổ biến nhất được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng lưới là pin lithium-ion. Tìm thấy thị trường ngách ban đầu của chúng trong máy tính xách tay và điện thoại di động, pin lithium-ion nhẹ và có thể sạc lại hàng nghìn lần mà không làm mất dung lượng đáng kể. Điều này làm cho chúng trở thành ứng cử viên hoàn hảo để cung cấp nhiên liệu cho xe điện (EV), vốn thống trị ngành công nghiệp pin lithium-ion ngày nay. Hiện tại, dung lượng pin lithium-ion trong xe điện lớn hơn khoảng 35 lần so với lưu trữ năng lượng lưới trên toàn cầu (700 gigawatt-giờ (GWh) so với 20 GWh). Do đó, hầu hết các loại pin lithium-ion được sử dụng để lưu trữ năng lượng ngày nay được chế tạo bằng cách sử dụng các chuỗi cung ứng và quy trình giống như xe điện, do quy mô kinh tế lớn hơn của ngành công nghiệp xe điện.
Hầu hết các loại pin lithium-ion lớn trên thế giới hiện nay được sử dụng trong xe điện nhưng ngày càng được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ pin cho lưới điện.
Các khối xây dựng của pin lithium-ion là gì?
Pin lithium-ion bao gồm năm thành phần: cực dương, cực âm, bộ phân tách giữa cực dương và cực âm, dung dịch điện phân vận chuyển các ion lithium và bộ thu dòng điện làm bằng đồng và nhôm kết nối pin với dây.
Cực dương thường được làm bằng than chì. Than chì được trộn cho đến khi hoàn toàn đồng đều, sau đó phủ lên giấy nhôm. Khi tạo cực âm, hai hóa chất phổ biến nhất là những hóa chất có chứa coban (niken-magiê-coban hoặc niken-coban-nhôm) hoặc những hóa chất không có và thay vào đó chứa lithium-sắt-phốt phát. Đối với một trong hai loại, hỗn hợp kim loại được trộn cho đến khi đồng nhất và phủ lên lá đồng. Các lá tráng sau đó được nén bằng con lăn, sau đó rạch thành dải.
Lắp ráp các thành phần
Trong pin lithium-ion điển hình, cực dương và cực âm được trộn riêng biệt với chất kết dính để tạo ra bùn, và bùn sau đó được phủ lên bộ thu dòng điện. Sau khi khô, các tấm cực dương và cực âm được xếp chồng lên nhau với các dải phân cách polyme được đặt giữa chúng. Để tạo ra một "tế bào túi", các lớp này được xếp chồng xen kẽ để tạo thành một hình chữ nhật. Để tạo thành một "tế bào hình trụ", ngăn xếp nhiều lớp được cuộn lại. Cực dương ở một đầu được hàn vào bộ thu dòng điện âm và cực âm ở đầu kia với bộ thu dòng điện dương. Sau đó, hệ thống được đặt trong vỏ tế bào và chất điện phân được thêm vào.
Thử nghiệm và kích hoạt
Sạc và xả pin đã lắp ráp — các bước kích hoạt và thử nghiệm chất lượng quan trọng — chiếm khoảng một phần ba thời gian của quy trình sản xuất.
Các bước sản xuất pin lithium-ion.
Để hiệu chỉnh pin đến dòng điện và điện áp chính xác cần thiết, tế bào được sạc và xả với lượng điện được điều chỉnh chính xác. Đồng thời, các ion lithium được thêm vào cực dương. (Cực âm đã chứa lithium từ bước đầu tiên xây dựng cực dương; các ion lithium bổ sung được thêm vào cực âm là để tăng độ ổn định.)
Buồng thủy tinh để kiểm tra pin lithium-oxy.
Thử nghiệm lithium-oxy trong buồng thủy tinh tại Phòng thí nghiệm .
Cuối cùng, các tế bào trải qua một quá trình "lão hóa", trông tương tự đối với cả xe điện và pin lưu trữ năng lượng lưới. Trong một khoảng thời gian thường kéo dài vài tuần, điện áp của pin được theo dõi để đảm bảo độ ổn định và kiểm tra bất kỳ trục trặc hoặc xuống cấp nào theo thời gian. Một khi pin tìm kiếm mã, nó sẽ được chuyển sang lưới điện để cung cấp năng lượng cho tương lai năng lượng tái tạo của chúng ta!
Lưu trữ năng lượng pin mạnh mẽ và đang phát triển
Lưu trữ năng lượng pin có thể giúp lưu trữ năng lượng sạch cho lưới điện. Ngoài ra, một lợi thế quy mô nhỏ hơn khác của pin là sử dụng chúng trong "lưới điện mini", có thể giúp các cá nhân và cộng đồng bật đèn thêm giờ khi lưới điện tạm thời ngừng hoạt động do mất điện hoặc thiên tai.
Pin cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ nhu cầu điện cao điểm; Hiện nay, thay vì pin, "nhà máy peaker" chạy bằng nhiên liệu hóa thạch thường được sử dụng để cung cấp năng lượng trong thời kỳ nhu cầu cao. Mặc dù không được sử dụng thường xuyên, nhưng những nhà máy này không hiệu quả và gây ô nhiễm cao, đồng thời góp phần vào lượng khí thải carbon của Hoa Kỳ. Thay thế các nhà máy peaker bằng hệ thống lưu trữ pin sẽ là một chiến thắng lớn cho hành động khí hậu và sức khỏe cộng đồng của Hoa Kỳ. Trong một ví dụ gần đây từ tháng 8 năm 2022, pin Tesla Powerwall trên hàng nghìn hộ gia đình ở California đã gộp điện và hỗ trợ lưới điện khi nhu cầu rất cao.
Các hạm đội pin — hàng mẫu và mẫu hộp kim loại cố định khiêm tốn — là chìa khóa để mở khóa tương lai năng lượng tái tạo. Nhưng bản thân pin có thể tái tạo không? Chúng có thể được tái sử dụng hoặc tái chế khi hết tuổi thọ không? Nguyên liệu thô của chúng đến từ đâu và làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo những thứ có giá trị của chúng được thu hồi thay vì lãng phí? Ta sẽ tim hiểu trobng một bài viết khác
Các vật liệu để chế tạo Pin Lithium ion:
Cực dương (Cathode) – Nơi đón nhận ion lithium khi pin xả
Vật liệu chính:
LiCoO₂ (Lithium Cobalt Oxide) – điện áp cao, phổ biến trong thiết bị điện tử.
LiFePO₄ (Lithium Iron Phosphate) – bền, an toàn, ít chai, rất được ưa chuộng trong hệ lưu trữ năng lượng.
LiNiMnCoO₂ (NMC) – hiệu suất cao, cân bằng giữa năng lượng và tuổi thọ.
LiNiCoAlO₂ (NCA) – dùng nhiều trong xe điện như Tesla.
> NMC và LiFePO₄ hiện là "kẻ thống trị" trong pin lưu trữ quy mô lớn, nhờ sự ổn định và tuổi thọ dài.
2. Cực âm (Anode) – Nơi giải phóng ion lithium khi pin xả
Vật liệu chính:
Than chì (Graphite) – phổ biến nhất hiện nay, rẻ, bền, dễ sản xuất.
Carbon (dạng vô định hình, graphene) – đang được nghiên cứu để tăng hiệu suất.
Silicon (Si) – trữ được nhiều lithium hơn graphite, nhưng dễ phồng rộp, chưa phổ biến thương mại quy mô lớn.
3. Chất điện phân (Electrolyte) – Con đường ion di chuyển
Dung dịch muối lithium (LiPF₆, LiBF₄, LiClO₄...) hòa tan trong dung môi hữu cơ như:
Ethylene Carbonate (EC)
Dimethyl Carbonate (DMC)
Diethyl Carbonate (DEC)
> Trong pin lưu trữ quy mô lớn, chất điện phân dạng gel hoặc solid-state (rắn) cũng đang được phát triển để giảm rủi ro cháy nổ.
4. Màng ngăn (Separator) – Người gác cổng thầm lặng
Là màng polymer siêu mỏng: polyethylene (PE), polypropylene (PP) hoặc kết hợp cả hai.
Giúp ngăn dòng điện trực tiếp nhưng vẫn cho phép ion lithium đi qua.