Natrijev-ion vs čvrste baterije koje će zamijeniti litij-ion

Porast obnovljivih izvora energije (RE) i brzi rast električnih vozila povećali su očekivanja za industriju skladištenja energije - uključujući veću učinkovitost, veću sigurnost, povećanu gustoću energije i idealno niže troškove. Natrijevi ionski i čvrsto-state baterije imaju za cilj ponuditi alternativne otopine. Svaka ima svoje prednosti i potencijalno bi mogla zamijeniti postojeće litij-ionske tehnologije skladištenja u narednim godinama.

U ovom članku istražujemo zašto litij -ionske baterije mogu biti u opasnosti da se ukinu - čak i ako se taj rizik i danas čini minimalnim. Usredotočeni smo na dvije nove tehnologije s najjačim potencijalom da dominiramo u budućnosti skladištenja energije: natrijeve ionske baterije i čvrste baterije.

Litij-ionske baterije trenutno dominiraju sektorom skladištenja energije i očekuje se da će taj položaj održavati u srednjoročnom razdoblju. Od prijenosnih uređaja do velikih projekata obnovljive energije + skladištenja, litij-ionska tehnologija vodi kroz sve glavne trendove.

Prema nedavnom izvješću, tržište litij-ionskih materijala za baterije brzo se širi zbog rastuće potražnje u više industrija. Predviđa se da će rasti s 41,9 milijardi USD u 2024. na više od 120 milijardi USD do 2029. godine, sa složenom godišnjom stopom rasta (CAGR) od oko 23,6%.

Danas tržište litij-ionske baterije vode glavni igrači kao što su Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL i BYD. Značajno je da su posljednje dvije kineske tvrtke postigle značajan napredak u posljednje dvije godine.

Dok je porast električnih vozila glavni pokretač ovog rasta,stacionarno skladištenje energijeOčekuje se da će tržište stvoriti još veću potražnju u godinama koje su pred nama.

Poznato je da se litij-ionske baterije uvelike oslanjaju na kritične minerale poput litija, a često i kobalta i nikla. Ograničenja opskrbe dovela su do značajne nestabilnosti cijena. Na primjer, troškovi litij karbonata na bateriji varirali su od oko 5,8 USD po kilogramu do visokih od 80 USD posljednjih godina. Ova volatilnost i oskudica povećali su troškove litij-ionskih baterija i predstavljali dugoročni rizik opskrbe.

Jedno hitno pitanje je nedostatak snažnog lanca opskrbe litijem na glavnim tržištima izvan Kine. Na primjer, oko 77% grafita koji se koristi u litij-ionskim baterijama dobiva se iz Kine. To naglašava veliku ovisnost o kineskoj opskrbi u doba globalnih napetosti trgovine i naglašava važnost diverzifikacije opskrbe.

Sigurnosni rizici, poput požara baterija u električnim vozilima uzrokovanim termičkim bijegom, dodaju još jedan sloj zabrinutosti.

Ovi čimbenici ubacuju put novoj generaciji tehnologija skladištenja energije. Iako tvrtke izvan Kine aktivno traže alternative koje se ne oslanjaju na litij, čelnici kineskog tržišta također su svjesni da bi njihova dominacija mogla biti u opasnosti. U stvari, mnogi od njih su se već brzo prešli u natrijev ion i čvrsti razvoj baterija kako bi osigurali da ostanu ispred krivulje.

STRUČKE BATERIJE (SSBS) Zamijenite tekuće elektrolite koji se koriste u litij-ionskim baterijama čvrstim elektrolitima-poput keramike, stakla ili čvrstih polimera. Eliminiranjem glomazne grafitne anode i korištenjem gustih čvrstih materijala, SSB -ovi mogu pohraniti značajno više energije u istom količini, potencijalno proširujući raspon električnih vozila (EVS) s širokom maržom.

Nekoliko ključnih industrijskih igrača već je prepoznalo transformativni potencijal ove tehnologije. Na primjer, 2024. godine, QuantumScape je otkrio svoju prototipsku bateriju s čvrstim stanjem (QSE -5) s gustoćom energije od 844 WH/L-znatno većim od 300–700 WH/L tipično za komercijalne litij-ionske baterije. Tvrtka planira isporučiti svoje prve komercijalne ćelije 100+ slojeva (qSe {-5) 2025. godine. Ova gustoća energije je otprilike 1,5 puta veća od najboljih litij-inskih ćelija, što bi moglo prevesti u povećanje vožnje ili povećanje baterije od 20–50%.

Kineski baterijski gigant, CATL (suvremeni Amperex Technology Co. Ltd.), također je značajno povećao ulaganje u razvoj SSB -a, proširivši svoj predani istraživački i razvojni tim na više od 1, 000. CATL cilja na malu proizvodnju baterija za sve-čvrsto države do 2027. godine.

Toyota je najavila vremensku traku komercijalizacije za EV-ove putnike opremljene baterijama čvrstog stanja između 2027. i 2028. godine. Tvrtka tvrdi da bi ova inovacija mogla povećati domet vožnje do 20%. 2023. godine, čvrsti napajanje isporučio je BMW s A-uzorkom ćelije za upotrebu u programu demo vozila. Ostali glavni lideri u industriji - uključujući Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW i Toyota - također su uložili strateška ulaganja u solidno stanje baterije.

Osim povećanog raspona, baterije s čvrstim stanjem također pokazuju vrhunske mogućnosti brzog punjenja. Zahvaljujući izvrsnoj toplinskoj stabilnosti i ionskoj vodljivosti, SSB-ovi mogu podržati ultra brze stope punjenja bez oštećenja stanica. Toyota, na primjer, očekuje da njegova tehnologija baterija od solidnog stanja omogućuje punjenje raspona od 300 km u samo 15 minuta-dva do tri puta brže od trenutnih brzina brzog nabijanja većine litij-ionskih EV-a, koja obično treba oko 30 minuta da napuni od 10% do 80%.

Upotreba čvrstih elektrolita, koji su nezapaljivi, eliminira jedan od ključnih sigurnosnih rizika tradicionalnih ćelija baterija. Čvrsti keramički ili stakleni elektroliti ne važu i mogu raditi na širem rasponu temperature. Oni također ostaju stabilni pri većim naponima, omogućujući uporabu katodnih materijala velikog kapaciteta i suzbijanje rasta litij dendrita - poboljšavajući tako život ciklusa i sigurnost.

Uz to, SSB -ovi se mogu lakše reciklirati zbog jednostavnijeg dizajna - bez potrebe za složenim mješavinama otapala i veziva - i izbjegavati uporabu problematičnih aditiva i ljepila.

Uz toliko prednosti, moglo bi se pretpostaviti da bi baterije od čvrstog stanja lako i brzo zamijenile litij-ionske baterije. Međutim, ako ne zaNjihova visoka cijena, SSBS je možda već preuzeo.

Trošak ostaje najznačajnija prepreka širokom usvajanju. BMW Group, na primjer, priznala je ovaj izazov. Iako se očekuje da će tvrtka kasnije ove godine otkriti prototipsko vozilo opremljeno čvrstim baterijama, izjavila je da je komercijalno pokretanje električnih vozila na SSB-u malo vjerovatno u sljedećem desetljeću.

Kineski proizvođač baterija Sunwoda procijenio je da bi baterije od čvrstog stanja mogle koštati275 dolara po kWh, otprilike u usporedbi s polu-čvrstim baterijama. Međutim, zbogvisoki troškovi obrade materijalainiski prinosi proizvodnje, stvarni trošak u praksi bi mogao biti znatno veći.

Sve dok se ovi izazovi ne riješe - posebno u smanjenju proizvodnje i smanjenju troškova materijala - solidne baterije vjerojatno će ostati u ranoj fazi ili premijskom segmentu tržišta, a ne u postizanju širokog komercijalnog raspoređivanja.

Za usporedbu, od prosinca 2024. godine, prosječna cijena litij-ionskih baterijskih paketa u Kini pala je na94 USD po kWh. Cijene u SAD -u i Europi ostaju30% do 50% više, ali još uvijek značajnoniže od onih iz čvrstog stanja baterija.

Kao takav,Trošak ostaje glavno usko grloTo zagovornici tehnologije baterija od čvrstog stanja moraju prevladati kako bi se istinski poremetilo tržište skladištenja energije. U tom pogledu,Natrijev ion i litij-ionske baterije su daleko ispredbaterija od čvrstog stanja.

Ostali kritični izazovi uključujuskaliranje proizvodnje, posebno uMasovna proizvodnja keramičkih elektrolitaIPouzdana montažastanica čvrstog stanja. UpravljanjeSučelje između čvrstih elektrolita i elektrodatakođer je zabrinutost, jer može rezultirati visokim međufaznim otporom ili pucanjem u više ciklusa punjenja naboja-oba ometaju komercijalizaciju u punoj mjeri.

Štoviše, osiguravanjetrajnost u stresnim uvjetima u stvarnom svijetu, poput vibracija, fluktuacija temperature i brzog punjenja, ostaje jedna od najsitnijih tehničkih prepreka.

Baterije u čvrstom stanju poboljšavaju se litij-ionskom tehnologijom promjenom elektrolita i povećanjem gustoće energije, ali njihovi visoki troškovi ostaju glavni izazov. Suprotno tome, baterije natrij-iona (na-ion) suočavaju se s suprotnim problemom. Pokušavajući zamijeniti elemente korištene u litij-ionskim baterijama češćim materijalima, troškovi natrijevih ionskih baterija mogli bi se značajno smanjiti, ali oni se suočavaju s izazovima u smislu gustoće energije.

Natrijeve ionske baterije djeluju na gotovo isti način kao i litij -ionske baterije - ioni šatl između katode i anode - ali koriste natrijeve ione umjesto litijevih iona. Ovaj pomak mijenja sve, izJednostavnost izvora sirovinanapristupačnost- što je jedan od ključnih čimbenika koji će odrediti buduću tehnologiju mainstream baterije.

Niski troškovi natrijevih ionskih baterija znače da će do 2030. godine uzeti u obzirManje od 10% baterija električnih vozila, ali njihov udio uskladištenje energijeOčekuje se da će se prijave značajno povećati. Natrijevi ionske baterije koristejeftiniji materijalii ne zahtijevaju litij, što znači da bi njihovi troškovi proizvodnje mogli biti30% niže od onog litij željeznog fosfata (LFP)baterije.

Najveća privlačnost tehnologije natrij-iona leži u njegovoj sposobnosti da utječeobilni i jeftini materijaliZamijeniti više oskudnije. Natrijeve rezerve u Zemljinoj kore su1, 000 puta većaod onih litija. Natrij se čak može i jeftino izvući izrelativno neiscrpna morska voda.

Zahvaljujući inovacijama na terenu, baterije natrijevog ion-iona komercijalnog stupnja (Na-ion) sada su postigle gustoću energije oko130-160 wh/kg, što se tičedvije trećineOne tipičnih litij-ionskih NMC (nikl manganski kobalt) baterija. Međutim, oni su već postigli ili čak nadmašili gustoću energijebaterije, i približavaju se onome odlitijev željezni fosfat (LFP)baterije.

Stručnjaci tvrde da će sljedeća generacija natrijevih ionskih baterija postićipreko 200 WH/kg, potencijalno nadmašujući granicu teorijske gustoće energije odLFP baterije. Tipični životni vijek natrijevih ionskih baterija kreće se od100 do 1, 000 ciklusi, a indijski programer KPIT tvrdi da svoje baterije održavaju80% zadržavanje kapaciteta nakon 6, 000 ciklusa, usporedivo s performansama litij-ionske baterije.

Natrijevi-ionske baterije također se izvrsnoUčinkovitost snage i niske temperature. Neki su dizajni sposobniOko 1 kW/kg gustoće snage, što daleko premašuje ono odLitij-ion NMC ili LFP baterije. Uz to, izlažu natrij-ionske baterijeminimalna degradacija performansina temperaturama niskim kao-20 stupanj, dok se litij-ionske baterije bore za brzo održavanje naboja ili učinkovito punjenje u tako hladnim uvjetima.

Baterije natrijevih iona također mogu bitiPotpuno otpušten na 0 Vbez nanošenja štete, čineći ih izuzetno sigurnimPrijevoz i skladištenje. Zbog niže stvaranja topline i uporabe nezapaljivih materijala u mnogim dizajnima, natrijeve ionske baterije također pokazujusuperiorna toplinska stabilnost. U stvari,rizik od požaraOčekuje se da će biti paketi natrijevih ionskih baterijaZnačajno nižinego onog litij-ionskih baterija, poboljšavajućisigurnostU aplikacijama kao što su električna vozila i skladištenja mreže.

Ove značajke čine natrijeve ionske baterije atraktivnom opcijom, čak i za litij-ionske lidere baterije u Kini. Prošle godine započela je operacijama prvog kineskog velikog natrijevog ionskog skladišta baterije-a10 MWh skladištenja baterije natrijevog iona, dio projekta 100 MWh. Ovaj objekt, koji je sagradila Kina Southern Ewer Grid, koristi210 AH natrijevi-ionske stanicei ima neke impresivne podatke: baterija može bitinaplaćeno na 90% u samo 12 minuta.

Globalni div za proizvodnju baterijaSuvremeni Amperex Technology Co. Limited (CATL)očito je željan istražiti potencijal natrijevih ionskih baterija. Na primjer, integrira natrij-ionske baterije u svojeLitij-ionska infrastruktura i proizvodi. Tvrtka je to otkrila u2023, Kineski proizvođač automobilaCheryPostala je prva tvrtka koja je koristila CATL-ove natrijeve ionske baterije.

USiječnja 2024, najveći proizvođač automobila u središnjoj Aziji i jedan od najvećih dobavljača baterija,BYD, najavili planove za izgradnju a1,4 milijarde dolaraTvornica baterija natrijevog iona s godišnjim proizvodnim kapacitetom30 GWh.

Europske tvrtke također istražuju ovu tehnologiju. Proizvođač baterije sada bankrotiraSjeverlansiran a160 WH/kg natrij-ion baterijaU studenom 2023., što je provjereno za izvedbu. U Velikoj Britaniji,Faradionbio je pionir u tehnologiji natrijevog ionske baterije već više od desetljeća. Stekao indijskiReliance Industries2021. Faradion je razvio a160 WH/kg baterijai sada razvija poboljšanu verziju koja se može pohvaliti20% veća gustoća energijei30% duži život ciklusa. Reliance Industries je također objavio planove za izgradnju aTvornica natrijevog ionskog baterije s multi-GWHu Indiji, s proizvodnjom vjerojatno započeti2025.

Ovi događaji snažno ukazuju na to da su natrijev-ionske baterije postavljene kao tehnologija koja može izazvati dominaciju litij-ionskih baterija.

Dok nastaju tehnologije baterija -natrijev-ionske baterijeibaterije od čvrstog stanja- Pokažite obećavajući potencijal, teško je predvidjeti koji će u konačnici dominirati. S obzirom na njihove prednosti, obje tehnologije mogu igrati ključnu ulogu u napredovanjučista energijaičist prijevozu budućnosti.

Ako se troškovi baterije od čvrstog stanja smanjuju - potencijalno pad od struje$ 150+/kWhza litij-ionske baterije okolo$ 80- 100 USD/kWh- baterije od čvrstog stanja mogle dominiratisegmenti visokih performansi, poput električnih vozila, u sljedećem desetljeću. Ovo je uvjerljiv scenarij. AMeđunarodna agencija za energiju (IEA)drži optimističan pogled naTroškovi baterija od čvrstog stanja Post -2030, ističući da će tehnologija čvrstog stanja vjerojatno postići komercijalnu održivost.

S druge strane, natrij-ionske baterije su višekonkurentski, čineći ih dobro prilagođenim zaskladištenje rešetkeitržišta u nastajanju, a očekuje se da će uspjeti postići brže. Mnogi navijači se zalažu za izgradnjuProjekti velikih razmjerau sljedećemDvije do tri godine. 2024.,Tržište sustava za skladištenje baterije (BESS)odrastao44%, s instaliranim kapacitetom i dostignućim količinama69 GW/161 GWH. Posebno, prema2030, očekuje se da će se baterije voziti90% rasta skladištenjana susretNeto-nule ciljevi.

Kao rezultat toga, ubuduće će se pojaviti niz baterijskih tehnologijačvrsto državainatrijev-ionske baterijevjerojatno da će voditi put.