Натријум-јонска батерија за солид-стате које ће заменити литијум-јони

Подизање обновљивих извора енергије (РЕ) и брзи раст електричних возила покренуло је очекивања за енергетску индустрију - укључујући већу ефикасност, већу сигурност, повећану енергетску густину и идеално, нижи трошкови. Натријум-јонски и чврсти батерије имају за циљ да понуде алтернативна решења. Свака има своје предности и потенцијално може заменити постојеће литијум-ионске технологије у наредним годинама.

У овом чланку истражујемо зашто литијум-јонске батерије могу бити у опасности да буду укинути - чак и ако се тај ризик и данас чини минимално. Фокусирамо се на две технологије у настајању са најјачим потенцијалом да доминирамо у будућности складиштења енергије: натријум-јонске батерије и батерије на чврстом стању.

Литијум-јонске батерије тренутно доминирају енергетским сектором за складиштење и очекује се да ће овај положај одржавати у средњорочном року. Од преносних уређаја до великих обновљивих извора енергије + складиштења, литијум-јонска технологија води пут свим главним трендовима.

Према недавном извештају, литијум-јонски батеријски материјал се брзо шири због растуће потражње у више индустрија. Пројектује се да расте од 41,9 милијарди долара у 2024. на преко 120 милијарди УСД до 2029. године, са сложеном годишњом стопом раста (ЦАГР) од око 23,6%.

Данас је литијум-јонским тржиштем батерије водио главне играче као што су Тесла, Панасониц, ЛГ Цхем, Цатл и Бид. Познатно, последња двије кинеске компаније оствариле су значајан напредак у последње две године.

Док је успон електричних возила главни покретач овог раста,Стационарно складиштење енергијеОчекује се да ће тржиште генерисати још већу потражњу у наредним годинама.

Познато је да литијум-јонске батерије у великој мери ослањају на критичне минерале као што су литијум, а често и кобалт и никл. Ограничења снабдевања довела су до значајне испарљивости цене. На пример, трошкови литијум карбоната батерије разводе са око 5,8 УСД по килограму на 80 УСД последњих година. Ова волатилност и оскудица су покренули трошкове литијум-јонских батерија и представљају дугорочни ризик снабдевања.

Једно хитно питање је недостатак робусног литијумског ланца снабдевања на великим тржиштима изван Кине. На примјер, око 77% графита који се користи у литијум-јонским батеријама изводи из Кине. Ово указује на тешку зависност од кинеске понуде у доба глобалних трговинских тензија и подвлачи важност диверзификације снабдевања.

Безбедносни ризици, попут батерије пожари у електричним возилима узрокованим термалним бежаком, додајте још један слој забринутости.

Ови фактори су авсистирајући пут нове генерације технологија за складиштење енергије. Иако компаније изван Кине активно траже алтернативе које се не ослањају на литијум, кинески тржишни лидери такође су свесни да њихова доминација може бити у ризику. У ствари, многи од њих су се већ брзо преселили у развој натријум-јон и чврсте државне батерије како би се осигурало да остану испред кривуље.

Батерије од чврстог стате (ССБС) Замените течне електролите који се користе у литијум-јонским батеријама са чврстим електролитама - као што су керамика, стакла или чврсте полимере. Елиминисањем гломазне графитне аноде и употребом густих чврстих материјала, ССБС може да складишти значајно више енергије у истој количини, потенцијално продужавајући низ електричних возила (ЕВС) широком маргином.

Неколико кључних играча у индустрији већ је препознало трансформативни потенцијал ове технологије. На пример, у 2024. години, Куантумсцапе је представио своју прототипну чврсту батерију (КСЕ -5) са енергетском густином од 844 Вх / Л - знатно веће од 300-700 Вх / Л типичне за комерцијалне литијум-јонске батерије. Компанија планира да испоручи своју прву комерцијалну ћелију 100+ слојеве (КСЕ {-5). Ова густина енергије је отприлике 1,5 пута од најбољих литијум-јонских ћелија, које би могло да се превезе у 20-50% повећање у возном распону без повећања величине или тежине батерије.

Кинески батеријски гигант, ЦАТЛ (савремена амперекциона технологија Цо. Лтд.), Такође је значајно повећала своје улагање у развој ССБ-а, ширила свој наменски тим за истраживање и развој на преко 1, 000 људи. Цатл циља на малу производњу све-чврстих батерија до 2027. године.

Тоиота је најавила временски оквир за комерцијализацију за путничке ЕВС опремљене батеријама од чврстог стате државе између 2027. и 2028. године. Компанија тврди да би ова иновација могла да повећате распон вожње до 20%. У 2023. години, чврста снага испоручена БМВ са ћелијама узорака за употребу у свом програму демо возила. Остали главни лидери индустрије - укључујући Волксваген, Хиундаи, Ниссан, БМВ и Тоиота - такође су направили стратешка улагања у простору батерије чврстог стања.

Поред повећаног распона, батерије од чврстог статета такође показују врхунске могућности брзог пуњења. Захваљујући одличној топлотној стабилности и јонској проводљивости, ССБС може да подржи ултра брзине пуњења без оштећења ћелија. Тоиота, на пример, очекује да је његова технологија батеријске батерије омогућити пуњење досека од 300 км - два до три пута бржа од тренутних брзина брзог пуњења већине литијум-јонских ЕВС-а, што обично траје око 30 минута да се укида око 30 минута.

Употреба чврстих електролита, који су незапаљиви, елиминише један од кључних безбедносних ризика традиционалних ћелија батерије. Чврсти керамички или стаклени електролитети не хватају се и могу да раде преко ширег опсега температуре. Они такође остају стабилни у вишим напонима, омогућавајући употребу катодног материјала високог капацитета и сузбијање раста литијум дендрита - на тај начин побољшавајући живот и сигурност циклуса.

Поред тога, ССБС је можда лакше рециклирати због свог једноставнијег дизајна - без потребе за сложеним растварачем и смешама за везивања - и избегавају употребу проблематичних адитива и лепкова.

Са толико предности, човек би могао да претпостави да би батерије од чврстог државе лако и брзо замене литијум-јонске батерије. Међутим, ако нењихове високе трошкове, ССБС је можда већ преузео.

Трошкови и даље остаје најзначајнија баријера за широко распрострањено усвајање. БМВ Гроуп, на пример, признао је овај изазов. Док се очекује да ће компанија представити прототипско возило опремљено батеријама од чврстог статета касније ове године, навели су да је комерцијално покретање електричних возила са напајањем ССБ-а мало вероватно у наредној деценији.

Кинески произвођач батерије Сунвода је проценио да би могле да коштају чврсте батерије275 УСД по кВх, отприлике парк са полу-чврстим батеријама. Међутим, збогТрошкови високог материјалаиПриноси ниске производње, Стварни трошкови могу бити значајно већи у пракси.

Док се ови изазови не обраћају - посебно у скалирању производње и смањење материјалних трошкова - чврсте батерије ће вероватно остати у раној фази или премиум сегменту тржишта, а не постизање широког комерцијалног распоређивања.

У поређењу, од децембра 2024. године, просечна цена литијум-јонских батерија у Кини пала је на94 долара по кВх. Цене у САД-у и Европи остају30% до 50% више, али ипак значајнониже од оних чврстих батерија.

Као такво,Трошак остаје главна уска грлаТај заговорници технологије батеријске батерије морају да превладају како би заиста пореметили тржиште складиштења енергије. С тим у вези,Натријум-јонски и литијум-јонска батерија су далеко испредбатерије од чврстог стања.

Остали критични изазови укључујускалирање производње, посебно уМасовна производња керамичких електролитаи тхе тхеПоуздана монтажачврсте ћелије. УправљањеИнтерфејс између чврстих електролита и електродаТакође је брига, јер може резултирати високом интерфацијском отпорношћу или пуцањем на више циклуса пражњења накнада - оба ометају комерцијализацију пуноправне.

Штавише, осигуравањеИздржљивост под условима стреса у стварном свету, као што су вибрација, флуктуације температуре и брзо пуњење, остаје једна од најтежих техничких препрека.

Солид-стате батерије се побољшавају на литијум-јонској технологији променом електролита и повећања густине енергије, али њихова висока цена остаје главни изазов. Супротно томе, натријум-јонски (на-јонски) батерије се суочавају са супротним питањем. Покушавајући да замените елементе који се користе у литијум-јонским батеријама са више заједничких материјала, трошкови натријум-јонских батерија могу значајно да падну, али се суочавају са изазовима у погледу густине енергије.

Натријум-јонске батерије раде на исти начин као и литијум-јонске батерије - јони шатл између катоде и аноде - али користе натријум јони уместо литијум јона. Ова смена мења све, одЈедноставност извора сировинанаприступачност- Који је један од кључних фактора који ће одредити будућу технологију батерије у главној батерији.

Ниска цена натријум-јонских батерије значи да ће до 2030. године уложитиМање од 10% електричних батерија возила, али њихов удео уСкладиштење енергијеОчекује се да ће се пријаве значајно повећати. Коришћење натријум-јонске батеријејефтинији материјалии не захтевају литијум, што значи да би њихови трошкови производње могли бити30% нижи од оне од литијум-гвожђе фосфата (ЛФП)Батерије.

Највећа жалба натријум-јонске технологије лежи у својој способности да користиобилни и јефтини материјалида замене више осјетних. Натријумске резерве у Земљиној коре су1, 000 пута већенего литијум. Натријум се може чак и издвојити јефтино изрелативно неисцрпна морска вода.

Захваљујући иновацијама на терену, комерцијални натријум-јонски натријум (на јонским) батеријама су сада постигле енергетску густину около130-160 Вх / кг, О чему се радидвије трећинето типично литијум-јонски НМЦ (ницкел манган цобалт) батерије. Међутим, они су већ достигли или чак премашили густину енергијеБатерије за оловне киселинеи приближавају се томеЛитијум-гвожђе фосфат (ЛФП)Батерије.

Стручњаци тврде да ће следећа генерација натријум-јонских батерија постићипреко 200 ВХ / кг, потенцијално надмашује теоријску границу густине енергије одЛФП батерије. Типични животни век натријум-јонске батерије се креће од100 до 1, 000 циклусии индијски програмер кпит тврди да су његове батерије одржавају80% задржавање капацитета након 6, 000 циклуса, упоредив са литијум-јонским перформансама батерије.

Натријум-јонске батерије такође се одликују уСнага и перформансе ниске температуре. Неки дизајни су способниОко 1 кВ / кг густина снаге, што далеко прелази то одЛитијум-јонски НМЦ или ЛФП батерије. Поред тога, натријум-јонске батерије изложбаМинималне разградње перформансина температурама ниским-20 степен, док се литијум-јонске батерије боре за одржавање накнаде или ефикасног наплате брзо у тако хладним условима.

Такође могу бити и натријум-јонске батеријепотпуно испуштен у 0 вбез наношења штете, чинећи их изузетно сигурним заТранспорт и складиштење. Због ниже производње топлоте и употребе незапаљивих материјала у многим дизајну, натријум-јонске батерије такође демонстрирајуВрхунска топлотна стабилност. У стварипожарни ризикочекује се да ће бити натријум-јонски батеријски пакетизначајно нижиод оне од литијум-јонских батерија, побољшавајућибезбедностУ апликацијама као што су електрична возила и складиштење мреже.

Ове карактеристике чине натријум-јонске батерије атрактивна опција, чак и за литене литијум-јонске батерије у Кини. Прошле године је започела прва кинеска стална станица натријум-јонске станице натријум-јонске батерије - а10 МВх натријум-јонска опрема за складиштење батерије, део пројекта од 100 мВх. Овај објекат, изграђен у Кини јужној енергији, користи210 АХ натријум-јонске ћелијеи има импресивне податке: батерија може битинаплаћује се на 90% за само 12 минута.

Глобални див за производњу батеријеСавремени амперекто Тецхнологи Цо. Лимитед (ЦАТЛ)очигледно је жељан истраживања потенцијала натријум-јонске батерије. На пример, интегрише натријум-јонске батерије у својеЛитијум-јонска инфраструктура и производи. Компанија је то открила2023, Кинески произвођач аутомобилаЦериПостао је прва компанија која је користила ЦАТЛ-ове натријум-јонске батерије.

УЈануар 2024, највећи произвођач аутомобила у централној Азији и једна од највећих добављача батерије,Бид, најављени планови за изградњу а1,4 милијарде долараФабрика натријум-јонске батерије са годишњим производним капацитетом30 ГВх.

Европске компаније такође истражују ову технологију. Произвођач батерије са садаНортхволтлансирао а160 ВХ / кг натријум-јонска батеријаУ новембру 2023., који је верификован за перформансе. У Великој Британији,ФаладионБио је пионир у натријум-јонској технологији батерија већој деценији. Стекао ИндијуРелианце Индустриес2021. године Фарадион је развио а160 ВХ / кг батеријаи сада преврће побољшану верзију која се може похвалити20% већа густина енергијеи30% дуже животни век. Релианце Индустриес је такође најавио планове за изградњу аФабрика батерије са натријум-јонском батеријом натријуму Индији, са производњом који ће вероватно почети2025.

Ови догађаји снажно указују на то да су натријум-јонске батерије постављене да постану технологија способна да изазове доминацију литијум-јонских батерија.

Док се појављују батеријске технологије -натријум-ион батеријеиСолид-стате батерије- Покажите обећавајући потенцијал, тешко је предвидети што ће на крају доминирати. С обзиром на њихове предности, обе технологије могу играти пресудне улоге у унапређењучиста енергијаиЧиста транспорту будућности.

Ако се на смањење трошкова батерије од чврстог батерије - потенцијално опадају из струје$ 150+ / кВхза литијум-јонске батерије на около$ 80- 100 УСД / кВх- батерије од чврстог стања могу да доминирајуСегменти високих перформанси, као што су електрична возила, у наредној деценији. Ово је веродостојан сценариј. ТхеМеђународна енергетска агенција (ИЕА)Држи оптимистичан поглед наТрошкови чврстих батерија поста -2030, истицање да ће технологија чврсте државне државе ће вероватно постићи комерцијалну одрживост.

С друге стране, натријум-јонске батерије су вишеконкурентски, чинећи их добро одговарајућимСкладиште решеткеиПоновна тржишта у настајањуи очекује се да ће постићи брже успех. Многи присталице гурају за изградњуВелики пројектиу следећемДве до три године. 2024. годинеТржиште за складиштење енергије батерије (Бесс)порастао44%, са инсталираним капацитетом и износ испуштања69 ГВ / 161 ГВх. Значајно2030, очекује се да ће батерије одвести90% раста складиштењада се састанемоНето-нула мете.

Као резултат тога, у будућности ће се појавити низ технологија батеријечврсто стањеинатријум-ион батеријевероватно да ће водити пут.