Natrio jonų ir kietojo kūno baterijos, kurios pakeis ličio jonų

Atsinaujinančios energijos augimas (RE) ir spartus elektrinių transporto priemonių augimas padidino energijos kaupimo pramonės lūkesčius - įskaitant didesnį efektyvumą, didesnį saugumą, padidėjusį energijos tankį ir idealiu atveju mažesnes išlaidas. Natrio jonų ir kietojo kūno akumuliatorių siekiama pasiūlyti alternatyvius sprendimus. Kiekvienas iš jų turi savo pranašumų ir ateinančiais metais gali pakeisti esamas ličio jonų saugojimo technologijas.

Šiame straipsnyje mes tiriame, kodėl ličio jonų baterijoms gali kilti rizika palaipsniui panaikinti - net jei ši rizika vis tiek atrodo minimali šiandien. Mes sutelkiame dėmesį į dvi kylančias technologijas, turinčias stipriausią potencialą dominuoti energijos kaupimo ateityje: natrio jonų baterijos ir kietojo kūno baterijos.

Ličio jonų akumuliatoriai šiuo metu dominuoja energijos kaupimo sektoriuje ir tikimasi, kad laikys šią poziciją vidutinės trukmės laikotarpiu. Nuo nešiojamų prietaisų iki didelio masto atsinaujinančios energijos + saugojimo projektų, ličio jonų technologija pirmauja visose pagrindinėse tendencijose.

Remiantis naujausia ataskaita, ličio jonų akumuliatorių medžiagų rinka sparčiai plečiasi dėl didėjančios paklausos įvairiose pramonės šakose. Prognozuojama, kad 2024 m. Ji išaugs nuo 41,9 mlrd. USD iki 2029 m. Iki 120 mlrd. USD, o sudėtinis metinis augimo tempas (CAGR) yra maždaug 23,6%.

Šiandien ličio jonų akumuliatorių rinką vadovauja pagrindiniai žaidėjai, tokie kaip „Tesla“, „Panasonic“, „LG Chem“, „Catl“ ir „BYD“. Pažymėtina, kad pastarosios dvi Kinijos kompanijos per pastaruosius dvejus metus padarė didelę pažangą.

Nors elektrinių transporto priemonių kilimas yra pagrindinis šio augimo variklis, taiStacionarios energijos kaupimasTikimasi, kad ateinančiais metais rinka sukels dar didesnę paklausą.

Gerai žinoma, kad ličio jonų baterijos labai priklauso nuo kritinių mineralų, tokių kaip ličio, taip pat dažnai kobalto ir nikelio. Tiekimo apribojimai lėmė didelį kainų nepastovumą. Pvz., Ličio karbonato akumuliatoriaus lygio kaina svyravo nuo maždaug 5,8 USD už kilogramą iki tokio pat aukščio kaip 80 USD pastaraisiais metais. Dėl šio nestabilumo ir trūkumo padidėjo ličio jonų akumuliatorių išlaidos ir kelia ilgalaikę tiekimo riziką.

Viena iš skubių klausimų yra tvirtos ličio tiekimo grandinės trūkumas pagrindinėse rinkose už Kinijos ribų. Pavyzdžiui, apie 77% grafito, naudojamo ličio jonų baterijose, gaunama iš Kinijos. Tai pabrėžia didelę priklausomybę nuo Kinijos pasiūlos pasaulinės prekybos įtampos eroje ir pabrėžia pasiūlos įvairinimo svarbą.

Saugos rizika, pavyzdžiui, akumuliatorių gaisrai elektrinėse transporto priemonėse, kurias sukelia šiluminis bėgimas, prideda dar vieną susirūpinimą keliantį sluoksnį.

Šie veiksniai sudaro kelią naujos kartos energijos kaupimo technologijoms. Nors įmonės, esančios už Kinijos ribų, aktyviai ieško alternatyvų, kurios nesiremia ličio, Kinijos rinkos lyderiai taip pat žino, kad jų dominavimas gali kilti pavojus. Tiesą sakant, daugelis iš jų jau greitai perėjo į natrio jonų ir kietojo kūno akumuliatorių vystymąsi, kad užtikrintų, jog jie išliks prieš kreivę.

Kietojo kūno baterijos (SSB) pakeičia skystus elektrolitus, naudojamus ličio jonų baterijose kietų elektrolitų, tokių kaip keramika, stiklas ar kietas polimerai. Pašalindamas didelių gabaritų grafito anodą ir naudodamas tankias kietas medžiagas, SSBS gali kaupti žymiai daugiau energijos tame pačiame tūryje, potencialiai išplėsti elektromobilių diapazoną (EV) plačiai.

Keli pagrindiniai pramonės žaidėjai jau pripažino šios technologijos transformacinį potencialą. Pavyzdžiui, 2024 m. „Quantumscape“ pristatė savo kietojo kūno prototipo akumuliatorių (QSE -5), kurio energijos tankis yra 844 Wh/L-žymiai didesnis nei 300–700 Wh/L, būdingas komercinėms ličio jonų akumuliatoriams. Bendrovė planuoja pristatyti savo pirmąją komercinę 100+ sluoksnio ląstelės (QSE -5) 2025 m. Šis energijos tankis yra maždaug 1,5 karto didesnis nei geriausių ličio jonų ląstelių, kurios gali padidinti 20–50% važiavimo diapazoną, nedidinant akumuliatoriaus dydžio ar svorio.

Kinijos akumuliatorių milžinė CATL („Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.“) taip pat žymiai padidino savo investicijas į SSB plėtrą, išplėsdama savo specialią MTTP komandą iki daugiau nei 1, 000 žmonių. CATL iki 2027 m. Taiko nedidelio masto visos tvirtos būklės baterijų gamybą.

„Toyota“ paskelbė keleivių EV komercializacijos laiko juostą, aprūpintą kietojo kūno baterijomis nuo 2027 iki 2028 m. Bendrovė teigia, kad ši naujovė galėtų padidinti važiavimo diapazoną iki 20%. 2023 m. „Solid Power“ tiekė BMW su „A-Mample“ langeliais, skirtais naudoti demonstracinės transporto priemonės programoje. Kiti pagrindiniai pramonės lyderiai, įskaitant „Volkswagen“, „Hyundai“, „Nissan“, „BMW“ ir „Toyota“, taip pat padarė strategines investicijas į kietojo kūno akumuliatorių plotą.

Be padidėjusio diapazono, kietojo kūno baterijos taip pat demonstruoja puikias greito įkrovimo galimybes. Dėl puikaus šiluminio stabilumo ir jonų laidumo SSB gali palaikyti ypač greitą įkrovimo greitį, nepažeisdamas ląstelių. Pavyzdžiui, „Toyota“ tikisi, kad jo kietojo kūno akumuliatorių technologija įgalins 300 km diapazono įkrovimą vos per 15 minučių-du ar tris kartus greičiau nei dabartinis daugumos ličio jonų EV greičio įkrovimo greitis, kuris paprastai užtrunka apie 30 minučių nuo 10% iki 80%.

Naudojant kietus elektrolitus, kurie yra nedeglinami, pašalina vieną iš pagrindinių tradicinių akumuliatorių elementų saugos rizikos. Kietieji keraminiai ar stikliniai elektrolitai neužšega ir gali veikti platesniame temperatūros diapazone. Jie taip pat išlieka stabilūs esant aukštesnei įtampai, leidžiančiai naudoti didelės talpos katodo medžiagas ir slopindami ličio dendrito augimą - taip pagerindami tiek ciklo tarnavimo laiką, tiek saugumą.

Be to, SSB gali būti lengviau perdirbti dėl jų paprastesnio dizaino - nereikia sudėtingų tirpiklių ir rišiklių mišinių - ir išvengti probleminių priedų ir klijų naudojimo.

Turint tiek daug privalumų, galima manyti, kad kietojo kūno baterijos lengvai ir greitai pakeistų ličio jonų baterijas. Tačiau jei nejų didelės išlaidos, SSB jau galėjo būti perimti.

Išlaidos išlieka svarbiausia kliūtis plačiai pritaikyti. Pavyzdžiui, „BMW Group“ pripažino šį iššūkį. Nors tikimasi, kad įmonė vėliau šiais metais pristatys transporto priemonės, turinčios kietojo kūno baterijas, prototipą, ji pareiškė, kad per ateinantį dešimtmetį mažai tikėtina, kad komercinis SSB varomų elektrinių transporto priemonių paleidimas.

Kinijos akumuliatorių gamintojas „Sunwoda“ apskaičiavo, kad kietojo kūno baterijos gali kainuoti aplink275 USD už kWh, apytiksliai lygios pusiau kietos būklės baterijoms. Tačiau dėlDidelės medžiagos apdorojimo išlaidosirMažas gamybos pajamingumas, faktinės išlaidos praktikoje gali būti žymiai didesnės.

Kol nebus sprendžiami šie iššūkiai, ypač mažinant gamybą ir sumažinant medžiagų sąnaudas, kietojo kūno baterijos greičiausiai išliks ankstyvoje ar aukščiausios kokybės rinkos segmente, užuot pasiekę plačiai paplitusią komercinę diegimą.

Palyginimui, nuo 2024 m. Gruodžio mėn94 USD už kWh. Kainos JAV ir Europoje išlieka30–50% didesnis, bet vis tiek reikšmingaimažesnis nei kietojo kūno baterijų.

KaipKaina išlieka pagrindinė kliūtisTas kietojo kūno akumuliatorių technologijos šalininkai turi įveikti, kad iš tikrųjų sutrikdytų energijos kaupimo rinką. Šiuo atžvilgiuNatrio ir ličio jonų baterijos yra toli į priekįkietojo kūno baterijų.

Kiti kritiniai iššūkiai yraPajudinimas, ypačmasinis keraminių elektrolitų gamybairpatikimas surinkimaskietojo kūno ląstelių. ValdymasKietųjų elektrolitų ir elektrodų sąsajataip pat kelia susirūpinimą, nes tai gali sukelti didelį atsparumą tarp sąsajų ar įtrūkimų dėl kelių įkrovų ištraukimo ciklų-abu trukdo viso masto komercializavimui.

Be to, užtikrinsitepatvarumas realaus pasaulio streso sąlygomis, pavyzdžiui, vibracija, temperatūros svyravimai ir greitas įkrovimas, išlieka viena aktualiausių techninių kliūčių.

Kietojo kūno akumuliatoriai pagerėja pagal ličio jonų technologiją, keičiant elektrolitą ir padidindami energijos tankį, tačiau jų didelės išlaidos išlieka svarbus iššūkis. Priešingai, natrio jonų (Na-jonų) baterijos susiduria su priešinga problema. Bandant pakeisti ličio jonų akumuliatorių naudojamus elementus su įprastesnėmis medžiagomis, natrio jonų akumuliatorių kaina gali žymiai sumažėti, tačiau energijos tankio atžvilgiu jie susiduria su iššūkiais.

Natrio jonų akumuliatoriai veikia panašiai kaip ličio jonų baterijos - jonų šaudyklės tarp katodo ir anodo, tačiau vietoj ličio jonų jie naudoja natrio jonus. Šis poslinkis viską keičia nuopaprastas žaliavų tiekimasįĮperkamumas- Tai yra vienas iš pagrindinių veiksnių, leidžiančių nustatyti būsimą pagrindinę akumuliatorių technologiją.

Natrio jonų akumuliatorių kainos reiškia, kad iki 2030 m. Jie atsiskaitysMažiau nei 10% elektromobilių baterijų, bet jų dalisenergijos kaupimasTikimasi, kad paraiškos žymiai padidės. Naudojamos natrio jonų akumuliatoriaiPigesnės medžiagosir nereikalauja ličio, o tai reiškia, kad jų gamybos išlaidos gali būti30% mažesnis nei ličio geležies fosfato (LFP)Baterijos.

Didžiausias natrio jonų technologijos patrauklumas yra jos sugebėjimas panaudoti svertągausu ir pigios medžiagospakeisti daugiau nedaug. Natrio atsargos Žemės plutoje yra1, 000 kartų didesnisnei ličio. Natrio netgi galima išgauti pigiai išsantykinai neišsemiamas jūros vanduo.

Naujovių dėka šios srities komercinio lygio natrio jonų (NA-jonų) baterijos dabar pasiekė aplinkinio energijos tankį maždaug130-160 wh/kg, kas yra apiedu trečdaliaitipiškų ličio jonų NMC (nikelio mangano kobalto) baterijų. Tačiau jie jau pasiekė ar net pranoko energijos tankįšvino-rūgšties baterijosir artėja prie toLičio geležies fosfatas (LFP)Baterijos.

Ekspertai tvirtina, kad naujos kartos natrio jonų baterijos pasieksVirš 200 Wh/kg, potencialiai viršyti teorinę energijos tankio ribąLFP baterijos. Tipiška natrio jonų baterijų gyvenimo trukmė svyruoja nuoNuo 100 iki 1, 000 ciklai, ir Indijos kūrėjas KPIT teigia, kad jos akumuliatoriai prižiūri80% talpos išlaikymas po 6, 000 ciklų, palyginamas su ličio jonų akumuliatoriaus našumu.

Natrio jonų baterijos taip pat puikiai tinkagalia ir žemos temperatūros našumas. Kai kurie dizainai yra pajėgūsMaždaug 1 kW/kg galios tankis, kuris žymiai viršijaLičio jonų NMC arba LFP baterijos. Be to, natrio jonų akumuliatoriai pasižymiMinimalus veikimo pablogėjimasesant žemai temperatūrai-20 laipsnis, tuo tarpu ličio jonų baterijos stengiasi palaikyti įkrovimą arba greitai įkrauti tokiomis šaltomis sąlygomis.

Natrio jonų baterijos taip pat gali būtivisiškai išleistas į 0 vnesukeldami žalos, todėl jie yra labai saugūsTransportas ir saugojimas. Dėl mažesnio šilumos susidarymo ir daugelio dizainų naudojamų nedegų medžiagų, natrio jonų baterijos taip pat rodoAukščiausias šiluminis stabilumas. Tiesą sakant, TheGaisro rizikatikimasi, kad natrio jonų akumuliatorių pakuotės busžymiai žemesnisnei ličio jonų akumuliatorių pakuotės, patobulinimassaugumastokiose programose kaip elektrinės transporto priemonės ir tinklo saugykla.

Šios savybės daro natrio jonų baterijas patrauklia galimybe, net ličio jonų akumuliatorių lyderiams Kinijoje. Praėjusiais metais pirmoji Kinijos didelio masto natrio jonų akumuliatorių energijos kaupimo stotis prasidėjo operacijomis-a10 mWh natrio jonų akumuliatorių saugojimo įrenginys, 100 MWh projekto dalis. Šioje įstaigoje, kurią pastatė „China Southern Power Grid“, naudojama210 ah natrio jonų ląstelėsir turi keletą įspūdingų duomenų: akumuliatorius gali būtiįkrautas iki 90% vos per 12 minučių.

Pasaulinis akumuliatorių gamybos milžinas„Contemporary Amperex Technology Co. Limited“ (CATL)Aiškiai nori ištirti natrio jonų baterijų potencialą. Pavyzdžiui, jis integruoja natrio jonų baterijas į ITSLičio jonų akumuliatorių infrastruktūra ir produktai. Bendrovė tai atskleidė2023, Kinijos automobilių gamintojasČeryTapo pirmąja kompanija, naudojančia CATL natrio jonų baterijas.

Į2024 m. Sausio mėn, didžiausias automobilių gamintojas Vidurinėje Azijoje ir vienas didžiausių akumuliatorių tiekėjų,BYD, paskelbta planai kurti a1,4 milijardo doleriųNatrio jonų akumuliatorių fabrikas, kurio metinė gamyba yra30 GWh.

Europos įmonės taip pat tiria šią technologiją. Dabar bankroto akumuliatorių gamintojas„NorthVolt“paleido a160 Wh/kg natrio jonų akumuliatorius2023 m. Lapkričio mėn., Kuris buvo patikrintas dėl spektaklio. JK,FaradionasDaugiau nei dešimtmetį buvo natrio jonų akumuliatorių technologijos pradininkas. Įsigijo Indijos„Reliance Industries“2021 m. Faradionas sukūrė a160 Wh/kg baterijair dabar išleidžia patobulintą versiją, kuri gali pasigirti20% didesnis energijos tankisir30% ilgesnis ciklo gyvenimas. „Reliance Industries“ taip pat paskelbė planus kurti adaugialypė natrio jonų akumuliatorių gamyklaIndijoje greičiausiai prasidės gamyba2025.

Šie pokyčiai žymiai rodo, kad natrio jonų baterijos taps technologija, galinčia užginčyti ličio jonų akumuliatorių dominavimą.

Kol atsirandančios akumuliatorių technologijos -Natrio jonų baterijosirKietojo kūno baterijos- Parodykite perspektyvų potencialą, sunku nuspėti, kuris galiausiai dominuos. Atsižvelgiant į jų atitinkamus pranašumus, abi technologijos gali vaidinti lemiamą vaidmenį tobulinantšvari energijairŠvarus transportasateityje.

Jei mažėja kietojo kūno akumuliatoriaus išlaidos - potencialiai sumažėja nuo srovės$ 150+/kWhLičio jonų baterijoms$ 80- $ 100/kWh- gali dominuoti kietojo kūno baterijosAukštos kokybės segmentai, pavyzdžiui, elektrinės transporto priemonės, per ateinantį dešimtmetį. Tai yra patikimas scenarijus.Tarptautinė energetikos agentūra (TEA)turi optimistinį vaizdą apieKietojo kūno baterijų išlaidos Post -2030, pabrėžiant, kad kietojo kūno technologija greičiausiai pasieks komercinį gyvybingumą.

Kita vertus, natrio jonų baterijos yra daugiauKonkurencingas išlaidas, kad jie būtų tinkamiTinklelio saugyklairKylančios rinkos, ir tikimasi, kad jie greičiau pasieks sėkmę. Daugelis rėmėjų verčia kurtiDidelio masto projektaikitamedvejų iki trejų metų. 2024 mBaterijų energijos kaupimo sistemos (BESS) rinkaužaugo44%, su įdiegta talpa ir išmetimo suma69 GW/161 GWH. Ypač2030, tikimasi, kad baterijos vairuos90% saugojimo augimosusitikti„Net-Zero“ tikslai.

Dėl to ateityje atsiras įvairių akumuliatorių technologijų, naudojantKietosios būklėsirNatrio jonų baterijosgreičiausiai parodys kelią.