Natrijum-ion vs Solid-State baterije koje će zamijeniti litijum-jon

Rast obnovljive energije (R) i brz rast električnih vozila povećao je očekivanja za industriju skladištenja energije - uključujući veću efikasnost, veću sigurnost, povećanu gustoću energije i u idealnu, niže troškove. Natrijum-jon i solid-state baterije imaju za cilj ponuditi alternativna rješenja. Svaka ima svoje prednosti i potencijalno može zamijeniti postojeće litijum-jonske tehnologije skladištenja u narednim godinama.

U ovom članku istražujemo zašto litijum-jonske baterije mogu biti u opasnosti da budu ukinute - čak i ako se taj rizik i dalje čini minimalnim. Fokusiramo se na dvije tehnologije u nastajanju s najjačim potencijalom da dominirajumo u budućnosti skladištenja energije: natrijum-jonske baterije i čvrste staze baterije.

Litijum-jonske baterije trenutno dominiraju u sektoru skladištenja energije i očekuje se da održavaju ovaj položaj u srednjem roku. Od prijenosnih uređaja do velikih obnovljivih izvora energije + spremište, litijum-jonska tehnologija vodi put na svim glavnim trendovima.

Prema nedavnom izvještaju, tržište litijum-jonskih baterija brzo se širi zbog sve veće potražnje u više industrija. Projektira se da raste sa 41,9 milijardi USD u 2024. do preko 120 milijardi USD do 2029. godine, sa složenim godišnjim stopom rasta (CAGR) od oko 23,6%.

Danas tržište litijum-jonske baterije vode glavni igrači poput Tesle, Panasonic, LG Chem, CATL i BYD. Značajno su potonje dvije kineske kompanije učinile značajan napredak u posljednje dvije godine.

Dok je porast električnih vozila glavni pokretač ovog rasta, theStacionarno skladištenje energijeOčekuje se da će tržište generirati još veću potražnju u narednim godinama.

Poznato je da litijum-jonske baterije oslanjaju se u kritičnim mineralima poput litijuma, a često i kobalt i nikl. Ograničenja opskrbe dovele su do značajne nestabilnosti cijena. Na primjer, trošak litijum-karbonata od baterije krenuo je od oko 5,8 USD po kilogramu na čak 80 USD posljednjih godina. Ova volatilnost i oskudica su pokrenuli troškove litijum-jonskih baterija i predstavljaju dugoročni rizik opskrbe.

Jedno hitno pitanje je nedostatak snažnog litijumskog lanca opskrbe na glavnim tržištima izvan Kine. Na primjer, oko 77% grafita koji se koristi u litijum-jonskim baterijama se vrši iz Kine. To naglašava tešku ovisnost o kineskoj ponudi u eri globalne trgovinske napetosti i naglašava važnost diverzifikacije opskrbe.

Sigurnosni rizici, poput požara baterije u električnim vozilima uzrokovanim termičkim odbjegavanjem, dodajte još jedan sloj zabrinutosti.

Ovi faktori uvode put za novu generaciju tehnologija skladištenja energije. Dok kompanije izvan Kine aktivno traže alternative koje se ne oslanjaju na litijum, kineski tržišni lideri takođe su svjesni da bi njihova dominacija mogla biti u riziku. U stvari, mnogi od njih su se već brzo premještali u natrijum-jon i sa sobne-stanju razvoju baterije kako bi se osiguralo da ostanu ispred krivulje.

Solid-State baterije (SSB) Zamijenite tečni elektrolite koji se koriste u litijum-jonskim baterijama sa čvrstim elektrolitima - kao što su keramika, staklo ili čvrsti polimeri. Eliminiranjem glomaznog grafitnog anode i korištenjem gustih čvrstih materijala, SSBS može značajno više pohraniti više energije u istoj volumeru, potencijalno proširi raspon električnih vozila (EVS) širokom marginom.

Nekoliko igrača ključnih industrija već je prepoznalo transformativni potencijal ove tehnologije. Na primjer, 2024. kvantumscape predstavio je svoju prototip solid-state bateriju (QSE -5) s gustoćom energetske gustoće od 844 WH / l - znatno viši od 300-700 Wh / l tipične za komercijalne litijum-jonske baterije. Kompanija planira dostaviti svoju prvu komercijalnu komercijalnu stanicu (QSE -5) 2025. godine. Ova gustina energije je otprilike 1,5 puta veća od najboljih litijum-jonskih ćelija, koja bi mogla premjestiti u porast ili težine ili težine baterije.

Kineska baterija Giant, CATL (savremena amperex tehnologija Co. Ltd.), takođe je značajno povećala svoje ulaganje u razvoj SSB-a, širenje svog posvećenog istraživačkog i razvojnog tima na preko 1, 000 ljudi. CATL cilja male proizvodnje svih čvrstih državnih baterija do 2027. godine.

Toyota je najavila rok za komercijalizaciju za putnika EVS opremljenih solidnim državnim baterijama između 2027. i 2028. godine. Kompanija tvrdi da bi ova inovacija mogla povećati raspon vožnje do 20%. 2023. godine, čvrsta snaga isporučuje BMW sa uzorkom ćelija za upotrebu u svom programu demo vozila. Ostali glavni lideri industrije - uključujući Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW i Toyotu - također su izrađivali strateška ulaganja u solid-state bateriju.

Iza povećanog raspona, čvrste državne baterije takođe pokazuju vrhunske mogućnosti brzo punjenja. Zahvaljujući izvrsnoj toplotnoj stabilnosti i jonskoj provodljivosti, SSBS može podržati ultra brze cijene punjenja bez oštećenja ćelija. Toyota, na primjer, očekuje da će njegova tehnologija baterije Solid-State omogućiti punjenje 300 km u samo 15 minuta - dva do tri puta brže od trenutne brzine brzog punjenja većine litijum-jonskih EV-ova, što obično traje oko 30 minuta da naplati od 10% na 80%.

Upotreba čvrstih elektrolita, koji nisu zapaljivi, eliminira jedan od ključnih sigurnosnih rizika tradicionalnih ćelija baterija. Čvrsti keramički ili stakleni elektroliti ne uvlače se i mogu raditi preko šireg raspona temperature. Oni također ostaju stabilni na višim naponima, omogućavajući korištenje katodnih materijala velikog kapaciteta i suzbijanje rasta litijum-dendriti - na taj način poboljšavajući i životni vijek i sigurnost ciklusa.

Uz to, SSBS može biti lakše reciklirati zbog njihovog jednostavnijeg dizajna - bez potrebe za složenim mješavinama otapala i vezivo - i izbjegavati upotrebu problematičnih aditiva i ljepila.

Uz toliko prednosti, moglo bi se pretpostaviti da bi se baterije solidne države lako i brzo zamijenili litijum-jonske baterije. Međutim, ako ne zanjihovi visoki troškovi, SSBS je možda već preuzeo.

Trošak ostaje najznačajnija prepreka široko rasprostranjenoj usvajanju. BMW Grupa, na primjer, priznala je ovaj izazov. Iako se očekuje da će kompanija prepoznati prototipsko vozilo opremljeno solidnim baterijama kasnije ove godine, navelo je da je komercijalno pokretanje električnih vozila SSB-a malo verovatno u naredne decenije.

Kineski proizvođač baterije Sunwoda procijenila je da bi se baterije solidne države mogu koštati275 dolara po kWh, otprilike u par-u sa polučvrstim državnim baterijama. Međutim, zbogVisoki troškovi prerade materijalaiPrinosi niskog proizvodnog proizvodnja, stvarni trošak može biti znatno veći u praksi.

Sve dok se ovi izazovi ne obrate - posebno u smanjenju proizvodnje i smanjenju materijalnih troškova - čvrste statene baterije vjerovatno će ostati u ranom fazu ili premium segmentu tržišta, a ne da postignu raširenu privredno implementaciju.

U poređenju, na dan 2024. godine, prosječna cijena litijum-jonskih baterija u Kini pala je na94 dolara po kWh. Cijene u SAD-u i Evropi ostaju30% do 50% više, ali još uvijek značajnoniže od onih čvrstih državnih baterija.

Kao takav,Trošak ostaje glavni uska grlaDa su zagovornici solidne države tehnologije baterije moraju prevladati kako bi se zaista poremetilo tržište skladištenja energije. U tom pogledu,Natrijum-jon i litijum-jonske baterije su daleko ispredod čvrstih državnih baterija.

Ostali kritični izazovi uključujuskaliranje proizvodnje, posebno uMasovna izrada keramičkih elektrolitaiPouzdan montažaod čvrstih stanica. UpravljanjeSučelje između čvrstih elektrolita i elektrodaTakođer je zabrinutost, jer može rezultirati visokim međusobnim otporom ili pucanjem preko višestrukih ciklusa pražnjenja punjenja - obojica ometaju punu komercijalizaciju.

Štaviše, osiguravanjeizdržljivost pod stresnim uvjetima stvarnog svjetskog, poput vibracija, fluktuacije temperature i brzo punjenje, ostaje jedna od najprirodnijih tehničkih prepreka.

Solid-State baterije poboljšavaju se na litijum-jonskoj tehnologiji mijenjanjem elektrolita i povećanjem gustoće energije, ali njihovi visoki troškovi ostaju glavni izazov. U kontrastu, natrijum-jon (na-jon) baterije se suočavaju sa suprotnim izdatim. Pokušavajući zamijeniti elemente koji se koriste u litijum-jonskim baterijama sa češjim materijalima, troškovi natrijum-jonskih baterija mogu se značajno spustiti, ali suočavaju se sa izazovima u pogledu gustoće energije.

Natrijum-jonske baterije djeluju na više na isti način kao i litijum-jonske baterije - ioni prijevoz između katode i anode - ali koriste natrijum jone umjesto litijumskih jona. Ova pomak mijenja sve, odJednostavnost izvođenja sirovinanapristupačnost- Koji je jedan od ključnih faktora koji će odrediti buduću tehnologiju mainstream baterije.

Niska cijena natrijum-jonskih baterija znači da će do 2030. godine uzeti u obzirManje od 10% baterija električnih vozila, ali njihov udio uSkladište energijeOčekuje se da će se prijave značajno povećati. Koristite natrijum-jonske baterijeJeftiniji materijalii ne zahtijevaju litijum, što znači da bi njihovi troškovi proizvodnje mogli biti30% niže od litijum željeg fosfata (LFP)Baterije.

Najveća žalba natrijum-jonske tehnologije leži u svojoj sposobnosti iskorištavanjaobilni i jeftini materijalizamijeniti više oskudnih. Natrijum rezerve u zemljinoj kore su1, 000 puta većeod litijuma. Natrijum se može čak i vaditi jeftinoRelativno neiscrpna morska voda.

Zahvaljujući inovacijama na terenu, komercijalno-stupnjeve natrijum-jonske (na-jonske) baterije sada su postignute energetsku gustoću okolo130-160 Wh / kg, što se radidvije trećineonog tipičnog litijum-jonskog NMC-a (nikl manganese kobaltne) baterije. Međutim, već su dostigli ili čak su nadmašili gustoću energijeOlovne kiseline baterije, i približavaju se tomeLitijum gvožđe fosfat (LFP)Baterije.

Stručnjaci tvrde da će sljedeća generacija natrijum-jonskih baterija postićipreko 200 Wh / kg, potencijalno nadmašujući limit teorijske gustoće energijeLFP baterije. Tipični životni vijek natrijum-jonske baterije kreće se od100 do 1, 000 ciklusi, a indijski programer KPIT tvrdi da njegove baterije održavaju80% zadržavanja kapaciteta nakon 6, 000 ciklusa, uporedivo sa litijum-jonskim performansama baterije.

Natrijum-jonske baterije takođe se odlikujuIzvođenje snage i niskog temperature. Neki dizajni su sposobni zaOko 1 kW / kg gustoće snage, koji daleko prelazi onoLitijum-jonske NMC ili LFP baterije. Uz to, natrijum-jon baterije izložbaMinimalna degradacija performansina temperaturama nisko kao-20 Stupanj, dok se litijum-jonske baterije bore za održavanje punjenja ili efikasno punjenja u tako hladnim uvjetima.

Natrijum-jonske baterije mogu biti ipotpuno ispušteno u 0 vbez nanošenja štete, čineći ih izuzetno sigurnimTransport i skladištenje. Zbog niže generacije topline i upotrebe nezapaljivih materijala u mnogim dizajnom, natrijum-jonske baterije takođe pokazujuVrhunska termalna stabilnost. U stvari,rizik od požaraOčekuje se da će se očekivati ​​od natrijum-jonskih baterijaznačajno nižiod onog litijum-jonske baterije, poboljšavajući sesigurnostU aplikacijama kao što su električna vozila i spremište za rešetke.

Ove karakteristike čine natrijum-jonske baterije atraktivnu opciju, čak i za litijum-jonske lidere baterije u Kini. Prošle godine, kineska prva velika sloje za skladištenje energije natrijum-jon-jon-jon-jon-jon bateriju, a10 MWH Stit za skladištenje natrijum-jon baterije, dio projekta od 100 MWh. Ovaj objekat, sagradio Kina južna elektroenergetska mreža, koristi210 Ah natrijum-jonske ćelijei ima neke impresivne podatke: baterija može bitinaplaćuje se za 90% u samo 12 minuta.

Globalna divova za proizvodnju baterijeSavremena amperEx tehnologija Co. Limited (CATL)očito je željna istraživanja potencijala natrijum-jonskih baterija. Na primjer, integrira se natrijum-jonske baterije u svojeLitijum-jonska baterija Infrastruktura i proizvodi. Kompanija je to otkrila2023, Kineski proizvođač automobilaCherypostala prva kompanija koja koristi CATL-ove natrijum-jonske baterije.

UJanuar 2024. godine, najveći proizvođač automobila u srednjoj Aziji i jedan od najvećih dobavljača baterije,Byd, najavio planove za izgradnju a1,4 milijarde dolaraTvornica baterije natrijum-jon sa godišnjim proizvodnim kapacitetom od30 GWh.

Evropske kompanije istražuju ovu tehnologiju. Sada-bankrotirani proizvođač baterijaNorthvoltlansiran a160 Wh / kg natrijum-jonska baterijaU novembru 2023. godine koji je potvrđen za performanse. U Velikoj Britaniji,Faradionbio je pionir u natrijum-jonskoj bateriji tokom decenije. Stekao IndijaIndustries Reliance2021. Faradion je razvio a160 Wh / kg baterijai sada se vrti poboljšana verzija koja se može pohvaliti20% veća gustoća energijei30% duži život ciklusa. Industries Reliance takođe su najavili planove za izgradnju aTvornica baterije natrijum-jon bateriju s više GWHu Indiji, s proizvodnjom vjerovatno će započeti2025.

Ova kretanja snažno pokazuju da su natrijum-jonske baterije postavljene da postanu tehnologija koja može izazivati ​​dominaciju litijum-jonskih baterija.

Dok se pojavljuju baterijske tehnologije -Natrijum-jonske baterijeiSolid-State baterije- pokazati obećavajući potencijal, teško je predvidjeti što će u konačnici dominirati. S obzirom na njihove prednosti, obje tehnologije mogu igrati ključne uloge u napretkučista energijaiČisti prevozUbuduće.

Ako se smanjuje troškovi baterije sa čvrstim stanjem - potencijalno pada iz struje150+ / kWhZa litijum-jonske baterije do okolo$ 80- 100 $ / kWh- Solid-State baterije mogu dominirati uSegmenti visokih performansi, kao što su električna vozila, u naredne decenije. Ovo je vjerodostojan scenarij. TheMeđunarodna agencija za energetiku (IEA)drži optimističan pogled naTroškovi čvrstih državnih baterija Post -2030, ističući da će tehnologija solidne države vjerovatno postići komercijalnu održivost.

S druge strane, natrijum-jonske baterije su višeTrošak konkurentan, čineći ih dobro prilagođenimSkladište mrežeiTržišta u nastajanju, a očekuje se da brže postignu uspjeh. Mnogi pristaše guraju za izgradnjuVeliki projektiu sledećemDve do tri godine. 2024. godineSistem skladištenja baterije (Bess)porastao od44%, s instaliranim količinom kapaciteta i pražnjenja69 GW / 161 GWh. Posebno, po2030, očekuje se da će baterije voziti90% rasta skladištenjada se sastanemoNeto-nula ciljevi.

Kao rezultat toga, u budućnosti će se pojaviti niz tehnologija baterije u budućnostisolidansko stanjeiNatrijum-jonske baterijevjerovatno će voditi put.