Natrijeve-ionske proti trdnemu stanju baterije, ki bodo nadomestile litij-ion

Porast obnovljive energije (RE) in hitra rast električnih vozil sta povečala pričakovanja za industrijo shranjevanja energije - vključno z večjo učinkovitostjo, večjo varnostjo, povečano gostoto energije in v idealnem primeru nižje stroške. Natrijeve-ionske in trdne baterije želijo ponuditi alternativne rešitve. Vsak ima svoje prednosti in bi lahko v prihodnjih letih nadomestil obstoječe tehnologije za shranjevanje litij-ionov.

V tem članku raziskujemo, zakaj lahko litij -ionske baterije ogrožajo, da bodo opuščene - tudi če se to tveganje še danes zdi minimalno. Osredotočamo se na dve nastajajoči tehnologiji z najmočnejšim potencialom za prevlado v prihodnosti shranjevanja energije: natrijeve-ionske baterije in baterije v trdnih stanju.

Litij-ionske a Od prenosnih naprav do obsežnih projektov obnovljive energije + skladiščenja, litij-ionska tehnologija vodi v vseh glavnih trendih.

Po nedavnem poročilu se trg litij-ionskih baterij hitro širi zaradi naraščajočega povpraševanja v več panogah. Predvidoma naj bi se povečal z 41,9 milijarde USD v letu 2024 na več kot 120 milijard USD do leta 2029, s skupno letno stopnjo rasti (CAGR) pa približno 23,6%.

Danes litij-ionski baterijski trg vodijo glavni igralci, kot so Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL in BYD. Zlasti sta zadnja dva kitajska podjetja v zadnjih dveh letih znatno napredovala.

Medtem ko je dvig električnih vozil glavni dejavnik te rasti,Stacionarno skladiščenje energijeTrg naj bi v prihodnjih letih ustvaril še večje povpraševanje.

Znano je, da se litij-ionske baterije močno zanašajo na kritične minerale, kot je litij, pogosto pa tudi kobalt in nikelj. Omejitve ponudbe so privedle do pomembne nestanovitnosti cen. Na primer, stroški litijevega karbonata iz baterije so v zadnjih letih nihali od približno 5,8 USD na kilogram do 80 USD. Ta nestanovitnost in pomanjkanje sta zvišala stroške litij-ionskih baterij in predstavljala dolgoročno tveganje za oskrbo.

Eno nujno vprašanje je pomanjkanje robustne litijeve dobavne verige na večjih trgih zunaj Kitajske. Na primer, približno 77% grafita, ki se uporablja v litij-ionskih baterijah, je pridobljeno s Kitajske. To poudarja močno odvisnost od kitajske oskrbe v dobi globalnih trgovskih napetosti in poudarja pomen diverzifikacije ponudbe.

Varnostna tveganja, kot so baterijski požari v električnih vozilih, ki jih povzroča toplotna bega, dodajo še eno plast.

Ti dejavniki utirajo pot novi generaciji tehnologij za shranjevanje energije. Medtem ko podjetja zunaj Kitajske aktivno iščejo alternative, ki se ne zanašajo na litij, se tudi vodje kitajskih trga zavedajo, da bi lahko ogrozila njihovo prevlado. Pravzaprav so se mnogi od njih že hitro premaknili v natrijev-ionski in trdni razvoj baterij, da bi zagotovili, da ostanejo pred krivuljo.

Trdne baterije (SSBS) zamenjajo tekoče elektrolite, ki se uporabljajo v litij-ionskih baterijah s trdnimi elektroliti-kot so keramika, stekleni ali trdni polimeri. Z odpravo zajetne grafitne anode in uporabo gostih trdnih materialov lahko SSB shrani bistveno več energije v isti glasnosti, kar potencialno razširi obseg električnih vozil (EV) s široko mejo.

Več ključnih akterjev v industriji je že prepoznalo transformativni potencial te tehnologije. Na primer, leta 2024 je QuantumsCape razkril svojo prototip baterijo trdnega stanja (QSE -5) z gostoto energije 844 WH/L-bistveno višjo od 300–700 WH/L, značilnih za komercialne litij-ionske baterije. Podjetje namerava dostaviti svoje prve komercialne 100+ plasti (QSE -5) leta 2025. Ta gostota energije je približno 1,5-krat večja od najboljših litij-ionskih celic, kar bi lahko pomenilo 20–50% povečanja vožnje v vožnji brez povečanja velikosti ali teže.

Kitajski baterijski velikan, CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.), je tudi znatno povečal naložbo v razvoj SSB in razširil svojo namensko raziskovalno ekipo na več kot 1, 000 ljudi. CATL cilja na majhno proizvodnjo baterij v vseh trdnih stanju do leta 2027.

Toyota je napovedala časovnico komercializacije za potnike EV, opremljene s trdnimi baterijami med letoma 2027 in 2028. Družba trdi, da bi ta inovacija lahko povečala obseg vožnje za do 20%. Leta 2023 je trdna moč oskrbovala BMW s celicami A-vzorce za uporabo v programu demo vozil. Drugi glavni voditelji industrije - vključno z Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW in Toyota - so prav tako vložili strateške naložbe v baterijski prostor v trdnem stanju.

Poleg povečanega dosega baterije v trdnih stanju kažejo tudi vrhunske zmogljivosti za hitro polnjenje. Zahvaljujoč odlični toplotni stabilnosti in ionske prevodnosti lahko SSB podpira ultra hitre stopnje polnjenja, ne da bi poškodoval celice. Toyota na primer pričakuje, da bo njegova tehnologija baterij v trdnem stanju omogočila 300 km polnjenja v samo 15 minutah-dva do trikrat hitreje kot trenutne hitrosti hitrega polnjenja večine litij-ionskih EV, ki običajno trajajo približno 30 minut, da se napolnijo od 10% do 80%.

Uporaba trdnih elektrolitov, ki niso vkrcani, odpravlja eno ključnih varnostnih tveganj tradicionalnih baterijskih celic. Trdni keramični ali stekleni elektroliti se ne zažgejo in lahko delujejo v širšem temperaturnem območju. Prav tako ostanejo stabilni pri višjih napetostih, kar omogoča uporabo katodnih materialov z visoko zmogljivostjo in zavira rast litijevega dendrita - kar izboljšuje tako življenjsko dobo kot varnost cikla.

Poleg tega je SSBS morda lažje reciklirati zaradi njihove enostavnejše zasnove - brez potrebe po zapletenih mešanicah topila in vezi - in se izognete uporabi problematičnih dodatkov in lepil.

S toliko prednosti bi lahko domnevali, da bi baterije v trdni državi enostavno in hitro zamenjale litij-ionske baterije. Vendar, če ne zanjihovi visoki stroški, SSBS bi morda že prevzel.

Stroški ostajajo najpomembnejša ovira za široko sprejetje. BMW Group je na primer priznala ta izziv. Medtem ko naj bi podjetje pozneje letos razkrilo prototipno vozilo, opremljeno s trdnimi baterijami, je navedlo, da v naslednjem desetletju ni verjetno komercialna lansiranje električnih vozil na SSB.

Kitajski proizvajalec baterij Sunwoda je ocenil, da lahko baterije v trdnih stanju stanejo naokoli275 USD na kWh, približno v primerjavi s poltrdnimi baterijami. Vendar zaradivisoki stroški obdelave materialainNizki proizvodni donosi, dejanski stroški bi lahko bili v praksi bistveno višji.

Dokler se ti izzivi ne odpravijo - zlasti pri povečanju proizvodnje in zmanjšanju materialnih stroškov - bodo baterije v trdnih stanju verjetno ostale v zgodnjem ali premijskem segmentu trga, namesto da bi dosegle široko komercialno uvajanje.

Za primerjavo je od decembra 2024 povprečna cena litij-ionskih baterijskih paketov na Kitajskem padla94 USD na kWh. Cene v ZDA in Evropi ostajajo30% do 50% višji, vendar še vedno pomembnonižje od tistih v trdnih baterijah.

Kot takStroški ostajajo glavno ozko grloDa morajo zagovorniki trdne tehnologije baterij premagati, da bi resnično motili trg shranjevanja energije. V zvezi s temNatrijeve in litij-ionske baterije so daleč naprejtrdnih baterij.

Drugi kritični izzivi vključujejoRazširjanje proizvodnje, zlasti vMnožična proizvodnja keramičnih elektrolitovinZanesljiva skloptrdnih celic. Upravljanjevmesnik med trdnimi elektroliti in elektrodamije tudi zaskrbljujoča, saj lahko povzroči visoko medfazno odpornost ali razpoke v več ciklih čiščenja naboja-oba ovirata polnosti komercializacije.

Poleg tega zagotavljanjetrajnost v resničnih stresnih pogojih, kot so vibracije, temperaturna nihanja in hitro polnjenje, ostaja ena najbolj perečih tehničnih ovir.

Trdno stanja baterije se izboljšajo na litij-ionski tehnologiji s spreminjanjem elektrolita in povečanjem gostote energije, vendar njihovi visoki stroški ostajajo velik izziv. V nasprotju s tem se natrijeve-ionske (Na-ionske) baterije soočajo z nasprotnim vprašanjem. S poskusom zamenjave elementov, ki se uporabljajo v litij-ionskih baterijah z pogostejšimi materiali, bi lahko stroški natrijevih baterij znatno padli, vendar se soočajo z izzivi glede na gostoto energije.

Natrijeve -ionske baterije delujejo na enak način kot litij -ionske baterije - ioni med katodo in anodo -, vendar uporabljajo natrijeve ione namesto litijevih ionov. Ta premik spremeni vse, odEnostavnost surovindoUgodnost- kar je eden ključnih dejavnikov, ki bo določil prihodnjo tehnologijo mainstream baterije.

Nizki stroški natrijevih baterij pomenijo, da bodo do leta 2030 upoštevalimanj kot 10% baterij električnih vozil, ampak njihov delež vShranjevanje energijePričakuje se, da se bodo aplikacije znatno povečale. Uporabljajo natrijeve-ionske baterijecenejši materialiin ne potrebujejo litija, kar pomeni, da bi lahko bili njihovi proizvodni stroški30% nižji od litijevega železovega fosfata (LFP)baterije.

Največja privlačnost natrijeve tehnologije je v njegovi sposobnosti vzvodaobilni in poceni materialiZa zamenjavo več redkih. Natrijeve rezerve v zemeljski skorji so1, 000 krat večjikot tisti iz litija. Natrij je mogoče celo poceni izvlečirazmeroma neizčrpna morska voda.

Zahvaljujoč inovacijam na terenu so baterije komercialne natrijeve ione (NA-ION) zdaj dosegle energijsko gostoto naokoli130-160 wh/kg, kar je približnoDve tretjinitipične litij-ionske NMC (nikelj manganov kobalt) baterij. Vendar so že dosegli ali celo presegli gostoto energijebaterije s svinčeno kislinoin se približujejolitijev železni fosfat (LFP)baterije.

Strokovnjaki trdijo, da bo naslednja generacija natrijevih-ionskih baterij doseglaVeč kot 200 WH/kg, potencialno presega mejo teoretične gostote energijeLFP baterije. Tipična življenjska doba natrijevih-ionskih baterij sega od100 do 1, 000 cikli, in indijski razvijalec KPIT trdi, da njegove baterije vzdržujejo80% zadrževanje zmogljivosti po 6, 000 cikli, primerljivo z zmogljivostjo litij-ionske baterije.

Natrijeve baterije prav tako se odlikujejozmogljivost moči in z nizko temperaturo. Nekateri modeli so sposobniPribližno 1 kW/kg gostota moči, kar daleč presegaLitij-ionski NMC ali LFP baterije. Poleg tega razstavljajo natrijeve baterijeMinimalna degradacija zmogljivostipri temperaturah tako nizke kot-20 stopnja, medtem ko se litij-ionske baterije v takšnih hladnih razmerah trudijo ohraniti naboj ali učinkovito polnjenje.

Natrijeve-ionske baterije so lahko tudiv celoti izpuščen na 0 vne da bi povzročili škodo, zaradi česar so izjemno varni zaprevoz in skladiščenje. Zaradi nižje nastajanja toplote in uporabe nežganih materialov v številnih modelih kažejo tudi natrijeve-ionske baterijeVrhunska toplotna stabilnost. V resnicipožarno tveganjenatrijevih baterijskih paketov naj bi bilobistveno nižjekot litij-ionske baterije, izboljšanjevarnostV aplikacijah, kot so električna vozila in shranjevanje omrežja.

Te funkcije naredijo natrijeve-ionske baterije privlačna možnost, tudi za vodje litij-ionskih baterij na Kitajskem. Lani se je začela delovati prva kitajska velika obsežna postaja za shranjevanje energije natrije-ionske baterije-a10 MWh natrijeva-ionska baterija za shranjevanje, del projekta 100 MWh. Ta objekt, ki ga je zgradil China Southern Power Grid, uporablja210 AH natrijevih ionskih celicin ima nekaj impresivnih podatkov: baterija je lahkozaračunano na 90% v samo 12 minutah.

Globalni velikan za proizvodnjo baterijSodobna Amperex Technology Co. Limited (CATL)očitno želi raziskati potencial natrijevih-ionskih baterij. Na primer, v svoje vgrajuje natrijeve-ionske baterijeLitij-ionska baterijska infrastruktura in izdelki. Družba je razkrila, da je v2023, Kitajski proizvajalec avtomobilovCherypostalo prvo podjetje, ki je uporabljalo Catl-ove natrijeve baterije.

VJanuar 2024, največji avtomobilski proizvajalec v Srednji Aziji in eden največjih dobaviteljev baterij,Byd, napovedali načrte za gradnjo1,4 milijarde USDTovarna natrije-ionske baterije z letno proizvodno zmogljivostjo30 GWh.

Tudi evropska podjetja raziskujejo to tehnologijo. Zdaj-prodajni proizvajalec baterijSeverni voltlansiran a160 WH/kg natrijeve-ionske baterijeNovembra 2023, ki je bil preverjen za uspešnost. V Veliki Britaniji,Faradionje že več kot desetletje pionir v tehnologiji natrije-ionskih baterij. Pridobil indijskoReliance panogeLeta 2021 je Faradion razvil a160 WH/kg baterijain zdaj uvaja izboljšano različico, ki se ponaša20% večja gostota energijein30% daljša življenjska doba. Reliance Industries je tudi napovedal načrte za gradnjoTovarna natrijeve-ionske baterije Multi-GWHv Indiji, pri čemer se bo začela proizvodnja2025.

Ti dogodki močno kažejo, da so natrijeve-ionske baterije postale tehnologija, ki bi lahko izzvala prevlado litij-ionskih baterij.

Med nastajajočimi akumulatorskimi tehnologijami -Natrijeve-ionske baterijeinTrdno stanje baterij- Pokažite obetaven potencial, težko je napovedati, kdo bo na koncu prevladoval. Glede na njihove prednosti lahko obe tehnologiji igrata ključne vloge pri napredovanjuČista energijainčist prevozv prihodnosti.

Če se stroški baterije v trdnem stanju zmanjšajo - potencialno padejo iz toka$ 150+/kWhza litij-ionske baterije$ 80- $ 100/kWh- Baterije v trdnem stanju lahko prevladujejo vvisokozmogljivi segmenti, kot so električna vozila, v naslednjem desetletju. To je verodostojni scenarij. TheMednarodna energetska agencija (IEA)ima optimističen pogled naStroški baterij v trdnem stanju -2030, ki poudarja, da bo trdna tehnologija verjetno dosegla komercialno sposobnost.

Po drugi strani so natrijeve-ionske baterije večStroškovno konkurenčno, zaradi česar so dobro primerniShranjevanje omrežjainnastajajoči trgi, in pričakuje se, da bodo hitreje dosegli uspeh. Številni podporniki si prizadevajo za gradnjoobsežni projektiv naslednjemDve do tri leta. Leta 2024, TheTrg za shranjevanje energije akumulatorja (BESS)zrasel44%, z nameščeno zmogljivostjo in količino izpusta69 GW/161 GWH. Zlasti, do2030, pričakuje se, da bodo baterije vozili90% rasti skladiščenjaza srečanjeNet-nič tarče.

Kot rezultat tega se bo v prihodnosti pojavila vrsta baterijskih tehnologijtrdno stanjeinNatrijeve-ionske baterijeverjetno vodil pot.