Натріє-іон проти твердотільних акумуляторів, які замінять літій-іон

Зростання відновлюваної енергії (РЕ) та швидке зростання електромобілів підвищили очікування щодо галузі зберігання енергії - включаючи більш високу ефективність, більшу безпеку, збільшення щільності енергії та в ідеалі, менші витрати. Акумулятори натрію та твердотільні строки мають на меті запропонувати альтернативні рішення. Кожен має свої переваги і потенційно може замінити існуючі технології зберігання літій-іонів у найближчі роки.

У цій статті ми досліджуємо, чому літій -іонні батареї можуть загрожувати припиненням - навіть якщо цей ризик все ще здається мінімальним. Ми зосереджуємось на двох нових технологіях з найсильнішим потенціалом для домінування в майбутньому зберігання енергії: іонні батареї та твердотільні батареї.

Літій-іонні батареї в даний час домінують у секторі зберігання енергії і, як очікується, підтримуватимуть це положення в середньостроковій перспективі. Від портативних пристроїв до масштабних проектів відновлюваної енергії + зберігання, літій-іонна технологія лідирує в усіх основних тенденціях.

Згідно з недавнім звітом, ринок літій-іонних акумуляторних матеріалів швидко розширюється через зростаючий попит у різних галузях. За прогнозами, він зросте з 41,9 млрд. Дол. США до 2024 року до понад 120 мільярдів доларів до 2029 року, при цьому складний річний темп зростання (CAGR) становить приблизно 23,6%.

Сьогодні ринок літій-іонних акумуляторів очолює основні гравці, такі як Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL та BYD. Зокрема, останні дві китайські компанії досягли значного прогресу за останні два роки.

Хоча зростання електромобілів є головним рушієм цього зростання,Стаціонарне зберігання енергіїОчікується, що ринок принесе ще більший попит у наступні роки.

Добре відомо, що літій-іонні батареї значною мірою покладаються на критичні мінерали, такі як літій, а часто також кобальт та нікель. Обмеження постачання призвели до значної нестабільності цін. Наприклад, вартість літієвого карбонату на батареї коливалася приблизно від 5,8 дол. США за кілограм до досягнення 80 доларів США за останні роки. Ця мінливість та дефіцит збільшили вартість літій-іонних акумуляторів і становлять довгостроковий ризик постачання.

Одним з термінових питань є відсутність надійної ланцюга поставок літію на основних ринках за межами Китаю. Наприклад, близько 77% графіту, що використовується в літій-іонних акумуляторах, отримує з Китаю. Це підкреслює велику залежність від китайської пропозиції в епоху глобальної торговельної напруги та підкреслює важливість диверсифікації пропозицій.

Необхідні ризики, такі як пожежі акумулятора в електромобілях, спричинених тепловим втікачами, додають ще один шар турботи.

Ці фактори прокладають шлях для нового покоління технологій зберігання енергії. У той час як компанії поза Китаєм активно шукають альтернативи, які не покладаються на літіум, лідери китайських ринку також знають, що їх домінування може бути під загрозою. Насправді, багато з них вже швидко перейшли в розвиток натрію та твердотільного акумулятора, щоб переконатися, що вони випереджають криву.

Твердотільні акумулятори (SSB) замінюють рідкі електроліти, що використовуються в літій-іонних акумуляторах з твердими електролітами-наприклад, кераміки, скло або твердих полімерів. Усунувши об'ємний анод графіту та використовуючи щільні тверді матеріали, SSB можуть зберігати значно більше енергії в одному об'ємі, потенційно розширюючи діапазон електромобілів (EVS) на широкий запас.

Кілька ключових гравців галузі вже визнали трансформаційний потенціал цієї технології. Наприклад, у 2024 році Quantumscape представив свій прототип твердотільного акумулятора (QSE -5) з щільністю енергії 844 Вт/л-істотно вище, ніж 300–700 Вт/л, типовий для комерційних літій-іонних акумуляторів. Компанія планує доставити свої перші комерційні 100+ шару шару (QSE -5) у 2025 році. Ця щільність енергії приблизно в 1,5 рази більше, ніж у найкращих літій-іонних клітин, що може перетворитися на збільшення на 20–50% у діапазоні руху без збільшення розміру акумулятора або ваги.

Китайський акумулятор, CATL (сучасна Amperex Technology Co. Ltd.), також значно збільшив свої інвестиції в розвиток SSB, розширивши свою спеціальну команду НДДКР до понад 1, 000 людей. CATL орієнтується на невелике виробництво акумуляторів із сулло-державою до 2027 року.

Toyota оголосила про часову шкалу комерціалізації для пасажирських EVS, оснащених твердотільними акумуляторами між 2027 та 2028 роками. Компанія стверджує, що ця інновація може збільшити діапазон водіння до 20%. У 2023 році тверда живлення постачала BMW з зразками клітин для використання у своїй програмі демонстраційного транспортного засобу. Інші великі лідери галузі - включаючи Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW та Toyota - також здійснили стратегічні інвестиції в твердотільний акумулятор.

Крім збільшення діапазону, твердотільні батареї також демонструють чудові можливості швидкої зарядки. Завдяки чудовій термічній стійкості та іонній провідності, SSBS може підтримувати ультрашвидкість зарядки, не пошкоджуючи клітини. Наприклад, Toyota очікує, що його твердотільна акумуляторна технологія забезпечить зарядку діапазону 300 км всього за 15 хвилин-в два-три рази швидше, ніж поточні швидкості швидкої зарядки більшості літій-іонів, які зазвичай займає близько 30 хвилин, щоб зарядитись від 10% до 80%.

Використання суцільних електролітів, які не є розпусними, усуває один із ключових ризиків безпеки традиційних акумуляторних комірок. Суцільні керамічні або скляні електроліти не загоряються і можуть працювати в більш широкому температурному діапазоні. Вони також залишаються стабільними при більш високих напругах, що дозволяє використовувати катодні матеріали з високою ємністю та придушити ріст дендриту літію - тим самим покращуючи як термін експлуатації циклу, так і безпеку.

Крім того, SSBS може бути простіше переробити через їх простішу конструкцію - без необхідності складних розчинників та сполучних сумішей - і уникати використання проблемних добавок та клеїв.

Маючи стільки переваг, можна припустити, що твердотільні батареї легко і швидко замінять літій-іонні акумулятори. Однак, якщо не дляїхня висока вартість, SSB, можливо, вже перейняли.

Вартість залишається найбільш значущим бар'єром для широкого прийняття. Наприклад, група BMW визнала цей виклик. Незважаючи на те, що компанія, як очікується, представить прототип транспортного засобу, оснащеного твердотільними акумуляторами пізніше цього року, він заявив, що комерційний запуск електромобілів, що працюють на SSB, навряд чи протягом наступного десятиліття.

Китайський виробник акумуляторів Sunwoda підрахував, що акумулятори твердотільного стану можуть коштувати навколо275 доларів за кВт / год, приблизно нарівні з напів твердими батареями. Однак черезВисокі витрати на обробку матеріалівіНизькі врожаї виробництва, фактична вартість може бути значно вищою на практиці.

Поки ці виклики не будуть вирішені - особливо при збільшенні виробництва та зменшення витрат на матеріал - твердотільні батареї, ймовірно, залишаться на ранній стадії або преміум -сегменті ринку, а не досягнення широкого комерційного розгортання.

Для порівняння, станом на грудень 2024 року середня ціна літій-іонних акумуляторних батарей у Китаї знизилася$ 94 за кВт / год. Ціни в США та Європі залишаються30% до 50% вище, але все -таки суттєвонижчий, ніж у твердотільних батареях.

Як такий,Вартість залишається головним вузьким місцемЦі прихильники твердотільних акумуляторних технологій повинні подолати, щоб по-справжньому порушити ринок зберігання енергії. У цьому плані,натрієві та літій-іонні батареї далеко попередутвердотільних акумуляторів.

Інші критичні виклики включаютьМасштабування виробництва, особливо вмасове виробництво керамічних електролітівіНадійна збіркатвердотільних клітин. УправлінняІнтерфейс між твердими електролітами та електродамиТакож викликає занепокоєння, оскільки це може призвести до високої міжфазної стійкості або розтріскування через множинні цикли зарядки-обидва з яких перешкоджають повномасштабній комерціалізації.

Більше того, забезпеченнядовговічність в реальних умовах стресу, наприклад, вібрація, коливання температури та швидка зарядка, залишається одним із найактуальніших технічних перешкод.

Твердотільні акумулятори покращують літій-іонну технологію за рахунок зміни електроліту та збільшення щільності енергії, але їх висока вартість залишається головною проблемою. На відміну від цього, батареї натрію (Na-ion) стикаються з протилежним питанням. Намагаючись замінити елементи, що використовуються в літій-іонних акумуляторах більш поширеними матеріалами, вартість акумуляторів натрію може значно знизитися, але вони стикаються з проблемами з точки зору щільності енергії.

Батареї натрію працюють приблизно так само, як і літій -іонні акумулятори - іони, що перевозяться між катодом та анодом, - але вони використовують іони натрію замість іонів літію. Ця зміна змінює все, відпростота пошуку сировинидодоступність- що є одним із ключових факторів, який визначатиме майбутню технологію акумуляторів.

Низька вартість натрію-іонних акумуляторів означає, що до 2030 року вони будуть враховуватиМенше 10% акумуляторів електромобілів, але їх частка вЗберігання енергіїОчікується, що заявки значно збільшаться. Батареї натрію використовуютьдешевші матеріалиі не потребують літію, а це означає, що їх виробничі витрати можуть бутиНа 30% нижчий, ніж у літієвому фосфаті заліза (LFP)батареї.

Найбільша привабливість технології натрію-іонів полягає у її здатності використовуватиБагаті та дешеві матеріализамінити більш дефіцитні. Запаси натрію в земній корі є1, 000 рази більшеніж у літію. Натрію можна навіть дешево витягнути звідносно невичерпна морська вода.

Завдяки інноваціям на місцях, акумулятори комерційного класу іонів (Na-ion) тепер досягли щільності енергії навколо130-160 WH/кг, що проходитьдві третиниТиповий літій-іонний NMC (нікель марганцевий кобальт). Однак вони вже досягли або навіть перевершили щільність енергіїсвинцеві батареї, і наближаютьсяЛітієвий фосфат заліза (LFP)батареї.

Експерти стверджують, що наступне покоління акумуляторів натрію досягнепонад 200 Вт/кг, потенційно перевершує теоретичну межу щільності енергіїБатареї LFP. Типовий термін експлуатації натрію-іонних акумуляторів коливається зВід 100 до 1, 000 цикли, а індійський розробник KPIT стверджує, що його батареї підтримують80% утримання ємності після 6, 000 циклів, порівняно з продуктивністю літій-іонного акумулятора.

Натрієві іонні батареї також вдосконалюютьсяпотужність та низькотемпературна продуктивність. Деякі конструкції здатніблизько 1 кВт/кг щільності потужності, що набагато перевищуєлітій-іонні батареї NMC або LFP. Крім того, акумулятори натрію демонструютьМінімальна деградація продуктивностіпри температурі настільки ж, як-20 ступінь, тоді як літій-іонні батареї борються за підтримку заряду або ефективно зарядитись у таких холодних умовах.

Також можуть бути іонні акумулятори натріюповністю виписаний на 0 Vне завдаючи шкоди, роблячи їх надзвичайно безпечними дляТранспорт та зберігання. Завдяки нижчій генерації тепла та використанням немічних матеріалів у багатьох конструкціях, іонні батареї також демонструютьЧудова термічна стійкість. НасправдіПожежний ризикочікуєтьсязначно нижченіж упаковки літій-іонних акумуляторів, покращуючибезпекаУ таких програмах, як електромобілі та зберігання сітки.

Ці особливості роблять акумулятори натрію привабливим варіантом навіть для лідерів літій-іонних акумуляторів у Китаї. Минулого року в Китаї перша масштабна станція зберігання енергії акумулятора натрію розпочала роботу-a10 МВт · год зберігання акумуляторів натрію, частина проекту 100 МВт. Цей об'єкт, побудований Китаєм Південної енергетичної мережі, використовує210 AH-іонні клітини натріюі має деякі вражаючі дані: акумулятор може бутизаряджається до 90% всього за 12 хвилин.

Глобальний гігант виготовлення акумуляторівСучасна Amperex Technology Co. Limited (CATL)явно прагне вивчити потенціал натрію-іонних акумуляторів. Наприклад, він інтегрує батареї натрію в своїінфраструктура та продукція літій-іонів. Компанія виявила, що в2023, Китайський автовиробникВиборчийстала першою компанією, яка використовувала батареї натрію CATL.

УСічень 2024 року, найбільший автовиробник у Центральній Азії та один з найбільших постачальників акумуляторів,Байд, оголошені плани побудувати1,4 мільярда доларівФабрика акумуляторів натрію з річною виробничою потужністю30 ГВт.

Європейські компанії також вивчають цю технологію. Зараз виробник акумуляторів, що знаходятьсяНортвольтзапустив a160 Вт/кг-іонний акумуляторУ листопаді 2023 року, який був перевірений для виконання. У Великобританії,Фарадіонвже десятиліття був піонером технології акумуляторної акумулятора натрію. Придбаний ІндієюReliance IndustriesУ 2021 році Фарадіон розвинув160 Вт/кг акумуляторі зараз розгортає вдосконалену версію, яка може похвалитися20% більша щільність енергіїі30% довший термін експлуатації циклу. Reliance Industries також оголосив про плани побудуватиБагатогвильовий фабрика акумуляторів натріюВ Індії, з виробничим виробництвом, можливо, розпочнеться в2025.

Ці розробки настійно вказують на те, що батареї натрію стають технологією, здатною кинути виклик домінуванням літій-іонних акумуляторів.

Під час нових технологій акумулятора -натрієві акумуляториітвердотільні батареї- Покажіть багатообіцяючий потенціал, важко передбачити, що в кінцевому рахунку буде домінувати. Враховуючи відповідні переваги, обидві технології можуть відігравати вирішальну роль у просуваннічиста енергіяіЧистий транспортв майбутньому.

Якщо вартість акумулятора твердого тіла зменшується - потенційно знижується від струму$ 150+/кВт/годдля літій-іонних акумуляторів навколо$ 80- $ 100/кВт/год- твердотільні батареї могли домінуватиВисокопродуктивні сегменти, наприклад, електромобілі, протягом наступного десятиліття. Це правдоподібний сценарій. ЗМіжнародне енергетичне агентство (IEA)містить оптимістичний вигляд наВитрати на твердотільні акумулятори POST -2030, підкреслюючи, що твердотільна технологія, ймовірно, досягне комерційної життєздатності.

З іншого боку, іонні батареї-це більшевитрата, зробити їх добре підходить дляЗберігання сіткиіРинки, що розвиваються, і вони, як очікується, досягнуть успіху швидше. Багато прихильників наполягають на будівництвімасштабні проектиу наступномудва -три роки. У 2024 роціСистема зберігання енергії акумулятора (BESS) Ринокзростав44%, з встановленою потужністю та кількістю розряду69 GW/161 GWH. Помітно,2030, очікується, що акумулятори будуть90% зростання зберіганнязустрітисяцілі мережевого нуля.

В результаті в майбутньому з’явиться цілий ряд акумуляторних технологійтвердотійнийінатрієві акумуляториймовірно, ведуть шлях.