Nātrija jons pret cietvielu baterijām, kas nomainīs litija jonu

Atjaunojamās enerģijas pieaugums (RE) un straujais elektrisko transportlīdzekļu pieaugums ir palielinājusi cerības uz enerģijas uzkrāšanas nozari - ieskaitot augstāku efektivitāti, lielāku drošību, palielinātu enerģijas blīvumu un ideālā gadījumā zemākas izmaksas. Nātrija jonu un cietvielu bateriju mērķis ir piedāvāt alternatīvus risinājumus. Katram ir savas priekšrocības un nākamajos gados varētu potenciāli aizstāt esošās litija jonu glabāšanas tehnoloģijas.

Šajā rakstā mēs izpētīsim, kāpēc litija jonu baterijas var riskēt tikt pārtrauktas - pat ja šis risks joprojām šķiet minimāls. Mēs koncentrējamies uz divām topošajām tehnoloģijām ar visspēcīgāko potenciālu dominēt enerģijas uzglabāšanas nākotnē: nātrija jonu baterijas un cietvielu baterijas.

Litija jonu akumulatori pašlaik dominē enerģijas uzkrāšanas nozarē, un paredzams, ka šo pozīciju saglabās vidējā termiņā. Sākot ar portatīvajām ierīcēm un beidzot ar liela mēroga atjaunojamās enerģijas + uzglabāšanas projektiem, litija jonu tehnoloģija ir visās galvenajās tendencēs.

Saskaņā ar neseno ziņojumu litija jonu akumulatoru materiālu tirgus strauji palielinās, jo pieaug pieprasījums vairākās nozarēs. Paredzams, ka tas pieaugs no USD 41,9 miljardiem 2024. gadā līdz vairāk nekā 120 miljardiem USD līdz 2029. gadam ar salikto gada pieauguma tempu (CAGR) aptuveni 23,6%.

Mūsdienās litija jonu akumulatoru tirgu vada tādi galvenie dalībnieki kā Tesla, Panasonic, LG Chem, Catl un BYD. Proti, pēdējie divi Ķīnas uzņēmumi pēdējos divos gados ir guvuši ievērojamu progresu.

Kaut arī elektrisko transportlīdzekļu pieaugums ir galvenais šīs izaugsmes virzītājspēks,Stacionāra enerģijas uzglabāšanaParedzams, ka tirgus nākamajos gados radīs vēl lielāku pieprasījumu.

Ir labi zināms, ka litija jonu baterijas lielā mērā balstās uz kritiskiem minerāliem, piemēram, litiju, kā arī bieži kobaltu un niķeli. Piegādes ierobežojumi ir izraisījuši ievērojamu cenu nepastāvību. Piemēram, akumulatora līmeņa litija karbonāta izmaksas ir svārstījušās no aptuveni USD 5,8 par kilogramu līdz USD 80 pēdējos gados. Šī nepastāvība un trūkums ir palielinājuši litija jonu bateriju izmaksas un rada ilgtermiņa piegādes risku.

Viena steidzama problēma ir izturīgas litija piegādes ķēdes trūkums lielākajos tirgos ārpus Ķīnas. Piemēram, aptuveni 77% no litija jonu baterijās izmantotā grafīta tiek iegūti no Ķīnas. Tas uzsver smago atkarību no Ķīnas piegādes globālās tirdzniecības spriedzes laikmetā un uzsver piegādes diversifikācijas nozīmi.

Drošības riski, piemēram, akumulatoru ugunsgrēki elektriskajos transportlīdzekļos, ko izraisa termiskā bēgšana, pievieno vēl vienu bažas.

Šie faktori paver ceļu jaunai enerģijas uzkrāšanas tehnoloģiju ražošanai. Kamēr uzņēmumi ārpus Ķīnas aktīvi meklē alternatīvas, kas nepaļaujas uz litiju, Ķīnas tirgus vadītāji arī zina, ka viņu dominance varētu būt apdraudēta. Faktiski daudzi no viņiem jau ir ātri pārcēlušies uz nātrija jonu un cietvielu akumulatora attīstību, lai nodrošinātu, ka viņi paliek priekšā līknei.

Cietā stāvokļa baterijas (SSB) nomainiet šķidros elektrolītus, ko izmanto litija jonu akumulatoros ar cietiem elektrolītiem-piemēram, keramiku, stiklu vai cietiem polimēriem. Izslēdzot apjomīgo grafīta anodu un izmantojot blīvus cietus materiālus, SSB var uzglabāt ievērojami vairāk enerģijas vienā un tajā pašā apjomā, potenciāli paplašinot elektrisko transportlīdzekļu diapazonu (EV) ar plašu malu.

Vairāki galvenie nozares dalībnieki jau ir atzinuši šīs tehnoloģijas pārveidojošo potenciālu. Piemēram, 2024. gadā QuantumScape atklāja tā cietvielu akumulatora prototipu (QSE -5) ar enerģijas blīvumu 844 WH/L-ievērojami augstāks nekā 300–700 WH/L tipiski komerciālo litija jonu baterijām. Uzņēmums plāno piegādāt savas pirmās komerciālās 100+ slāņa šūnas (QSE -5) 2025. gadā. Šis enerģijas blīvums ir aptuveni 1,5 reizes lielāks nekā labākajām litija jonu šūnām, kas varētu pārvērsties braukšanas diapazonā par 20–50%, nepalielinot akumulatora lielumu vai svaru.

Ķīnas akumulatoru gigants CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.) ir arī ievērojami palielinājis savus ieguldījumus SSB attīstībā, paplašinot savu specializēto R&D komandu līdz vairāk nekā 1, 000 cilvēkiem. CATL līdz 2027. gadam ir vērsta uz mazu stāvokļu bateriju maza mēroga ražošanu.

Toyota ir paziņojusi par komercializācijas laika grafiku pasažieru EV, kas aprīkots ar cietvielu baterijām no 2027. līdz 2028. gadam. Uzņēmums apgalvo, ka šis jauninājums varētu palielināt braukšanas diapazonu līdz 20%. 2023. gadā cietā jauda tika piegādāta BMW ar A-parauga šūnām, kuras izmanto tās demonstrācijas transportlīdzekļu programmā. Citi galvenie nozares vadītāji - tostarp Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW un Toyota - ir arī veikuši stratēģiskas investīcijas cietvielu akumulatora telpā.

Papildus palielinātam diapazonam cietvielu baterijas parāda arī augstākas ātras uzlādes iespējas. Pateicoties lieliskajai termiskajai stabilitātei un jonu vadītspējai, SSB var atbalstīt īpaši ātru uzlādes ātrumu, nesabojājot šūnas. Piemēram, Toyota sagaida, ka tā cietā stāvokļa akumulatora tehnoloģija nodrošinās 300 km diapazona uzlādēšanu tikai 15 minūtēs-divas līdz trīs reizes ātrāk nekā pašreizējais ātrās uzlādes ātrums lielākajā daļā litija jonu EV, kas parasti prasa apmēram 30 minūtes no 10% līdz 80%.

Cietu elektrolītu, kas nav uzlīmējami, izmantošana novērš vienu no galvenajiem tradicionālo akumulatora šūnu drošības riskiem. Cietie keramikas vai stikla elektrolīti nededzina un var darboties plašākā temperatūras diapazonā. Tie arī paliek stabili ar augstāku spriegumu, ļaujot izmantot augstas ietilpības katoda materiālus un nomāc litija dendrīta augšanu - tādējādi uzlabojot gan cikla dzīvi, gan drošību.

Turklāt SSB var būt vieglāk pārstrādāt to vienkāršākā dizaina dēļ - bez nepieciešamības pēc sarežģītiem šķīdinātāju un saistvielu maisījumiem - un izvairieties no problemātisku piedevu un līmju izmantošanas.

Izmantojot tik daudz priekšrocību, varētu pieņemt, ka cietā stāvokļa baterijas viegli un ātri aizstātu litija jonu baterijas. Tomēr, ja ne parViņu augstās izmaksas, SSB, iespējams, jau ir pārņēmis.

Izmaksas joprojām ir visnozīmīgākais šķērslis plaši izplatītai adopcijai. Piemēram, BMW grupa ir atzinusi šo izaicinājumu. Lai gan ir paredzams, ka uzņēmums vēlāk šogad atklās transportlīdzekli, kas aprīkots ar cietvielu akumulatoriem, tas ir paziņojis, ka nākamās desmitgades laikā maz ticams, ka nākamā desmitgadē ir komerciāla palaišana ar SSB darbināmu elektrisko transportlīdzekļiem.

Ķīniešu akumulatoru ražotājs Sunwoda ir aprēķinājis, ka cietā stāvokļa baterijas varētu maksāt apkārtUSD 275 par kWh, aptuveni līdzvērtīgi daļēji cietā stāvokļa baterijām. Tomēr dēļAugstas materiālu apstrādes izmaksasunZema ražošanas raža, faktiskās izmaksas praksē varētu būt ievērojami augstākas.

Kamēr netiks risināti šie izaicinājumi - īpaši, palielinot ražošanu un samazinot materiālu izmaksas, cietā stāvokļa baterijas, visticamāk, paliks tirgus agrīnā stadijā vai premium segmentā, nevis tiek sasniegta plaši izplatīta komerciāla izvietošana.

Salīdzinājumam, no 2024. gada decembra litija jonu akumulatoru vidējā cena Ķīnā bija pazeminājusies94 USD par kWhApvidū Cenas ASV un Eiropā paliek30% līdz 50% augstāks, bet tomēr ievērojamizemāks par cietvielu baterijām.

Kā tāds,Izmaksas joprojām ir būtisks sašaurinājumsŠim cietvielu akumulatora tehnoloģijas atbalstītājiem ir jāpārvar, lai patiesi izjauktu enerģijas uzkrāšanas tirgu. Šajā sakarā,nātrija jonu un litija jonu baterijas ir tālu priekšācietvielu bateriju.

Citas kritiskas problēmas ietverražošanas palielināšana, it īpašikeramikas elektrolītu masveida ražošanaunuzticama montāžacietvielu šūnu. Pārvaldotsaskarne starp cietajiem elektrolītiem un elektrodiemrada arī bažas, jo tas var izraisīt augstu interfeisa pretestību vai plaisāšanu vairākos lādēšanas izlādes ciklos-abi kavē pilna mēroga komercializāciju.

Turklāt nodrošinotIzturība reālās pasaules stresa apstākļos, piemēram, vibrācija, temperatūras svārstības un ātra uzlāde, joprojām ir viens no aktuālākajiem tehniskajiem šķēršļiem.

Cietā stāvokļa baterijas uzlabo litija jonu tehnoloģiju, mainot elektrolītu un palielinot enerģijas blīvumu, taču to augstās izmaksas joprojām ir galvenais izaicinājums. Turpretī nātrija jonu (Na-Ion) baterijas saskaras ar pretēju jautājumu. Mēģinot nomainīt litija jonu baterijās izmantotos elementus ar biežāk sastopamiem materiāliem, nātrija jonu bateriju izmaksas varētu ievērojami pazemināties, taču tie saskaras ar izaicinājumiem enerģijas blīvuma ziņā.

Nātrija jonu akumulatori darbojas tāpat kā litija jonu baterijas - joni pārvietojas starp katodu un anodu -, bet litija jonu vietā tās izmanto nātrija jonus. Šī maiņa maina visu, sākot noizejvielu iegūšanauzpieejamība- kas ir viens no galvenajiem faktoriem, kas noteiks nākotnes vispārējo akumulatora tehnoloģiju.

Zemās nātrija jonu bateriju izmaksas nozīmē, ka līdz 2030. gadam tās ņems vērāmazāk nekā 10% no elektrisko transportlīdzekļu baterijām, bet viņu daļaenerģijas uzkrāšanaParedzams, ka pieteikumi ievērojami palielināsies. Nātrija jonu bateriju lietošanalētāki materiāliun neprasa litiju, kas nozīmē, ka to ražošanas izmaksas varētu būtPar 30% zemāks nekā litija dzelzs fosfāta (LFP)baterijas.

Lielākā nātrija jonu tehnoloģijas pievilcība ir tā spēja izmantotbagātīgi un lēti materiāliLai aizstātu vairāk trūcīgu. Nātrija rezerves zemes garozā ir1, 000 reizes lielāksnekā litija. Nātriju var pat lēti iegūt nosamērā neizsmeļams jūras ūdens.

Pateicoties jauninājumiem šajā jomā, komerciālā līmeņa nātrija jonu (Na-jonu) baterijas tagad ir sasniegušas apkārtējo enerģijas blīvumu130-160 wh/kg, kas ir pardivas trešdaļastipiskām litija jonu NMC (niķeļa mangāna kobalta) baterijām. Tomēr viņi jau ir sasnieguši vai pat pārspējuši enerģijas blīvumusvina-skābes baterijas, un tuvojaslitija dzelzs fosfāts (LFP)baterijas.

Eksperti apgalvo, ka nākamās paaudzes nātrija jonu baterijas sasniegsVairāk nekā 200 WH/kg, potenciāli pārspēt teorētisko enerģijas blīvuma robežuLFP baterijasApvidū Tipiskais nātrija jonu bateriju dzīves ilgums svārstās no100 līdz 1, 000 cikli, un Indijas izstrādātājs KPIT apgalvo, ka tās baterijas uztur80% jaudas saglabāšana pēc 6, 000 cikliem, salīdzināms ar litija jonu akumulatora veiktspēju.

Nātrija jonu baterijas arī izceļasJaudas un zemas temperatūras veiktspējaApvidū Daži dizainparaugi ir spējīgiApmēram 1 kW/kg jaudas blīvums, kas ievērojami pārsniedzlitija jonu NMC vai LFP baterijasApvidū Turklāt nātrija jonu bateriju izstādeMinimāla veiktspējas degradācijatik zemā temperatūrā-20 grāds, tā kā litija jonu baterijas cīnās, lai saglabātu lādiņu vai efektīvi uzlādētu šādos aukstos apstākļos.

Var būt arī nātrija jonu baterijaspilnībā izrakstīts uz 0 vneradot bojājumus, padarot tos ārkārtīgi drošusTransports un uzglabāšanaApvidū Sakarā ar zemāku siltuma ģenerēšanu un nesaistītu materiālu izmantošanu daudzos dizainos, arī nātrija jonu baterijas demonstrēaugstākā termiskā stabilitāteApvidū Faktiskiuguns risksParedzams, ka nātrija jonu akumulatoru komplekti būsievērojami zemāksnekā litija jonu akumulatoru komplektiem, uzlabojotdrošībatādās lietojumprogrammās kā elektriskie transportlīdzekļi un režģa uzglabāšana.

Šīs funkcijas padara nātrija jonu baterijas par pievilcīgu iespēju pat litija jonu akumulatoru vadītājiem Ķīnā. Pagājušajā gadā Ķīnas pirmā liela mēroga nātrija jonu akumulatoru enerģijas uzglabāšanas stacija sāka darbību-a10 MWh nātrija-jonu akumulatora uzglabāšanas iekārta, daļa no 100 mWh projekta. Šī iekārta, kuru uzcēla Ķīnas dienvidu enerģijas tīkls, izmanto210 AH nātrija-jonu šūnasun tam ir daži iespaidīgi dati: akumulators var būtTiek iekasēts līdz 90% tikai 12 minūtēs.

Globālais akumulatoru ražošanas gigantsMūsdienu Amperex Technology Co Limited (CATL)skaidri vēlas izpētīt nātrija jonu bateriju potenciālu. Piemēram, tas integrē nātrija jonu baterijaslitija jonu akumulatora infrastruktūra un produktiApvidū Uzņēmums to atklāja2023, Ķīniešu autoražotājsRaibekļuva par pirmo uzņēmumu, kas izmantoja Catl nātrija jonu baterijas.

Iekšā2024. gada janvāris, lielākais autoražotājs Centrālāzijā un viens no lielākajiem akumulatoru piegādātājiem,BYD, paziņoja par plāniem uzbūvēt a1,4 miljardi USDnātrija jonu akumulatoru rūpnīca ar gada ražošanas jaudu30 gwh.

Arī Eiropas uzņēmumi pēta šo tehnoloģiju. Tagad bankrotējušais akumulatora ražotājsZiemeļvoltapalaists a160 wh/kg nātrija jonu akumulators2023. gada novembrī, kas tika pārbaudīts par sniegumu. Lielbritānijā,Faradionvairāk nekā desmit gadus ir bijis nātrija jonu akumulatoru tehnoloģijas pionieris. Iegādājies Indijas'sPaļāvība nozares2021. gadā Faradions izstrādāja a160 wh/kg akumulatorsun tagad izvērš uzlabotu versiju, ar kuru var lepoties20% lielāks enerģijas blīvumsun30% ilgāks cikla dzīveApvidū Reliance Industries ir arī paziņojusi par plāniem izveidot aMulti-GWH nātrija-jonu akumulatora rūpnīcaIndijā ar ražošanu, iespējams, sāksies2025.

Šīs norises stingri norāda, ka nātrija jonu baterijas ir paredzētas, lai kļūtu par tehnoloģiju, kas spēj izaicināt dominēt litija jonu akumulatoros.

Kamēr topošās akumulatoru tehnoloģijas -nātrija jonu baterijasuncieta stāvokļa baterijas- parādīt daudzsološu potenciālu, ir grūti paredzēt, kurš galu galā dominēs. Ņemot vērā to attiecīgās priekšrocības, abām tehnoloģijām var būt izšķiroša loma attīstībātīra enerģijauntīrs transportsnākotnē.

Ja cietā stāvokļa akumulatora izmaksas samazinās - potenciāli nokrīt no strāvas$ 150+/kWhlitija jonu baterijām apkārt$ 80- $ 100/kWh- cieta stāvokļa baterijas varētu dominētaugstas veiktspējas segmenti, piemēram, elektriskie transportlīdzekļi, nākamās desmitgades laikā. Šis ir ticams scenārijs. LīdzStarptautiskā enerģijas aģentūra (IEA)ir optimistisks skats uzCietā stāvokļa bateriju izmaksas Post -2030, izceļot, ka cietvielu tehnoloģija, visticamāk, sasniegs komerciālu dzīvotspēju.

No otras puses, nātrija jonu baterijas ir vairākizmaksu kompetitīvs, padarot tos labi piemērotusrežģa uzglabāšanaunJaunie tirgi, un paredzams, ka viņi ātrāk gūs panākumus. Daudzi atbalstītāji cenšas būvētliela mēroga projektinākamajāDivus līdz trīs gadusApvidū 2024. gadā,Akumulatora enerģijas uzkrāšanas sistēmas (BESS) tirguspieauga44%, ar uzstādīto ietilpības un izlādes daudzumu sasniedzot69 GW/161 GWHApvidū Proti, pēc2030, sagaidāms, ka baterijas vadīs90% no uzglabāšanas pieaugumasatiktNet-nulles mērķi.

Tā rezultātā nākotnē parādīsies virkne akumulatoru tehnoloģijucieta stāvokļaunnātrija jonu baterijasiespējams, rādīs ceļu.