Натриевые ионы против твердотельных батарей, которые заменит литий-ион

Рост возобновляемой энергии (Re) и быстрый рост электромобилей повысили ожидания в отношении индустрии хранения энергии, включая повышенную эффективность, большую безопасность, повышенную плотность энергии и в идеале более низкие затраты. Натриевые и твердотельные батареи направлены на то, чтобы предложить альтернативные решения. У каждого есть свои преимущества и потенциально может заменить существующие технологии хранения литий-иона в ближайшие годы.

В этой статье мы исследуем, почему литий -ионные батареи могут быть подвержены риску выхода из строя - даже если этот риск все еще кажется минимальным сегодня. Мы сосредоточены на двух новых технологиях с самым сильным потенциалом для доминирования в будущем хранения энергии: батареи натрия и твердотельные батареи.

Литий-ионные аккумуляторы в настоящее время доминируют в секторе хранения энергии и, как ожидается, сохранят эту позицию в среднесрочной перспективе. Литий-ионная технология, от портативных устройств до крупномасштабных возобновляемых источников энергии + хранения, ведет все основные тенденции.

Согласно недавнему отчету, рынок литий-ионных аккумуляторных материалов быстро расширяется из-за растущего спроса в нескольких отраслях. Предполагается, что он будет расти с 41,9 млрд долларов в 2024 году до более чем 120 миллиардов долларов США к 2029 году, причем совокупный годовой темп роста (CAGR) составит приблизительно 23,6%.

Сегодня рынок литий-ионных аккумуляторов возглавляет крупные игроки, такие как Tesla, Panasonic, LG Chem, Catl и BYD. Примечательно, что последние две китайские компании добились значительного прогресса за последние два года.

В то время как рост электромобилей является основным фактором этого роста,Стационарное хранение энергииОжидается, что рынок будет вызывать еще больший спрос в предстоящие годы.

Хорошо известно, что литий-ионные батареи в значительной степени полагаются на критические минералы, такие как литий, а также кобальт и никель. Ограничения поставок привели к значительной волатильности цен. Например, стоимость карбоната лития батареи колебалась около 5,8 долларов США за килограмм до 80 долларов США в последние годы. Эта волатильность и нехватка повысили стоимость литий-ионных батарей и создали долгосрочный риск подачи.

Одной из неотложных проблем является отсутствие надежной цепочки поставок лития на основных рынках за пределами Китая. Например, около 77% графита, используемого в литий-ионных батареях, поступают из Китая. Это подчеркивает тяжелую зависимость от китайского предложения в эпоху мировой торговой напряженности и подчеркивает важность диверсификации поставок.

Риски по безопасности, такие как пожары аккумулятора в электромобилях, вызванных термическим сбежанием, добавляют еще один интересный уровень.

Эти факторы прокладывают путь для нового поколения технологий хранения энергии. В то время как компании за пределами Китая активно ищут альтернативы, которые не полагаются на литий, китайские лидеры рынка также знают, что их доминирование может подвергаться риску. Фактически, многие из них уже быстро перешли в развитие натрия и твердого батареи, чтобы обеспечить их опередить кривую.

Твердовые батареи (SSB) заменяют жидкие электролиты, используемые в литий-ионных батареях с твердыми электролитами, такими как керамика, стекло или твердые полимеры. Устранение громоздкого графитового анода и используя плотные твердые материалы, SSB могут хранить значительно больше энергии в том же объеме, потенциально расширяя диапазон электромобилей (EV) с широким отрывом.

Несколько ключевых игроков отрасли уже признали преобразующий потенциал этой технологии. Например, в 2024 году QuantumScape представила свою прототип твердого аккумулятора (QSE -5) с плотностью энергии 844 Вт/л-значительно выше, чем 300–700 Вт/л, типичные для коммерческих литий-ионных батарей. Компания планирует предоставить свои первые коммерческие 100+ ячейки слоя (qse -5) в 2025 году. Эта плотность энергии примерно в 1,5 раза больше, чем у лучших литий-ионных ячеек, что может привести к увеличению вождения на 20–50% без увеличения размера батареи или веса.

Гигант из Китая, Catl (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.), также значительно увеличил свои инвестиции в разработку SSB, расширив свою специальную команду R & D до 1, {1}}. CATL нацелен на мелкомасштабное производство батарей со всемирными государствами к 2027 году.

Toyota объявила о сроке коммерциализации для пассажирских электромобилей, оснащенных твердыми батареями в период с 2027 по 2028 год. Компания утверждает, что эта инновация может увеличить диапазон вождения до 20%. В 2023 году BMW поставлялась с твердой мощностью с ячейками A-образца для использования в своей программе демонстрации. Другие крупные лидеры отрасли, в том числе Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW и Toyota, также сделали стратегические инвестиции в сплоченное пространство аккумуляторов.

Помимо увеличения диапазона, твердотельные батареи также демонстрируют превосходные возможности быстрого зарядки. Благодаря превосходной тепловой стабильности и ионной проводимости, SSB могут поддерживать сверхбыстрые скорости зарядки, не повреждая ячейки. Например, Toyota ожидает, что ее твердотельная технология аккумулятора обеспечит перезарядку диапазона 300 км всего за 15 минут-в два-три раза быстрее, чем текущие скорости быстрого зарядки большинства EV-литий-ионных EV, которые обычно занимают около 30 минут, чтобы зарядить от 10% до 80%.

Использование твердых электролитов, которые являются неплощенными, устраняет один из ключевых рисков безопасности традиционных батарейных ячеек. Сплошные керамические или стеклянные электролиты не загораются и могут работать в более широком диапазоне температур. Они также остаются стабильными при более высоких напряжениях, что позволяет использовать катодные материалы с высокой пропускной способностью и подавлять рост литий -дендритов, что повышает как срок службы цикла, так и безопасность.

Кроме того, SSBS может быть легче переработать из -за их более простой конструкции - без необходимости в сложных смесях растворителя и связующих - и избегайте использования проблемных добавок и клея.

С таким большим количеством преимуществ можно предположить, что твердотельные батареи легко и быстро заменят литий-ионные батареи. Однако, если не дляих высокая стоимость, SSBS, возможно, уже захватили.

Стоимость остается наиболее значительным барьером для широкого распространения. Например, BMW Group признала эту проблему. В то время как компания, как ожидается, представит прототип, оснащенный твердыми батареями в конце этого года, она заявила, что коммерческий запуск электромобилей SSB-мощных электромобилей маловероятен в течение следующего десятилетия.

Китайский производитель аккумулятора SunWoda подсчитал, что твердотельные батареи могут стоить вокруг275 долларов за кВтч, примерно наравне с полусмысленными батареями. Однако из -заВысокие затраты на обработку материалаинизкая доходность производстваФактическая стоимость может быть значительно выше на практике.

До тех пор, пока эти проблемы не будут решены, особенно при расширении производства и снижении затрат на материалы, - твердотельные батареи, вероятно, останутся в сегменте рынка на ранней стадии или премии, а не в достижении широкого распространенного коммерческого развертывания.

Для сравнения, по состоянию на декабрь 2024 года средняя цена литий-ионных аккумуляторов в Китае упала до94 доллара за кВтчПолем Цены в США и Европе остаются30-50% выше, но все еще значительнониже, чем у твердотельных батарей.

Как таковой,Стоимость остается главным узким местомЭти сторонники сплошной технологии батареи должны преодолеть, чтобы по-настоящему нарушить рынок хранения энергии. В этом отношении,батареи натрия и литий-ионныхтвердых батарей.

Другие критические проблемы включаютмасштабирование производства, особенно вмассовое производство керамических электролитовинадежная сборкатвердых клеток. Управлениераздела между твердыми электролитами и электродамиТакже является проблемой, так как это может привести к высокой межфазной сопротивлению или растрескиванию в течение нескольких циклов разряда заряда-оба из которых препятствуют полномасштабной коммерциализации.

Более того, обеспечитьдолговечность в реальных условиях стрессаТакие, как вибрация, колебания температуры и быстрая зарядка, остаются одним из самых насущных технических препятствий.

Твердовые батареи улучшают технологию литий-ионной технологии, изменяя электролит и увеличивая плотность энергии, но их высокая стоимость остается серьезной проблемой. Напротив, батареи натрия ион (NA-ION) сталкиваются с противоположной проблемой. Попытка заменить элементы, используемые в литий-ионных батареях на более распространенные материалы, стоимость ионных батарей натрия может значительно упасть, но они сталкиваются с проблемами с точки зрения плотности энергии.

Аккумуляторы натрия ион работают во многом так же, как и литий -ионные батареи - ионы между катодом и анодом - но они используют ионы натрия вместо ионов лития. Этот сдвиг меняет все, изпростота поиска сырьявдоступность- который является одним из ключевых факторов, которые будут определять будущую основную технологию батареи.

Низкая стоимость батарей-ионных батарей означает, что к 2030 году они будут учитыватьМенее 10% батарей электромобилей, но их доля вХранение энергииОжидается, что заявления значительно увеличатся. Использование натрия ионных батарейболее дешевые материалыи не требует лития, что означает, что их производственные затраты могут бытьНа 30% ниже, чем у литий -фосфата (LFP)батареи.

Самая большая привлекательность технологий ионов натрия заключается в ее способности использоватьобильные и дешевые материалыЧтобы заменить более дефицитные. Запасы натрия в земной коре1, 000 раз большечем у лития. Натрий может быть даже дешево извлечен изОтносительно неиссякаемая морская вода.

Благодаря инновациям в этой области батареи коммерческого натрия (NA-ION) в настоящее время достигли плотности энергии вокруг130-160 wh/kg, что одве третиТипичные литий-ионные NMC (никелевый марганский кобальт) батареи. Тем не менее, они уже достигли или даже превзошли плотность энергиисвинцовые батареи, и приближаютсялитий -фосфат (LFP)батареи.

Эксперты утверждают, что следующее поколение аккумуляторов натрия достигнетБолее 200 ч/кг, потенциально превзойдя теоретический предел плотности энергииБатареи LFPПолем Типичная продолжительность жизни батарей натрия варьируется отОт 100 до 1, 000 циклови индийский разработчик KPIT утверждает, что его батареи поддерживают80% удержание мощности после 6, 000 циклов, сопоставимо с производительностью литий-ионной батареи.

Натрие-ионные батареи также преуспевают вмощность и низкотемпературная производительностьПолем Некоторые дизайны способныоколо 1 кВт/кг плотности мощности, который намного превышает то, что улитий-ионные батареи NMC или LFPПолем Кроме того, натрия-ионные аккумуляторы демонстрируютМинимальная деградация производительностипри температуре такими же, как-20 степень, в то время как литий-ионные батареи борются за поддержание заряда или эффективно заряжать быстрое зарядки в таких холодных условиях.

Батареи натрия также могут бытьПолностью разряжен в 0 Vбез повреждения, делая их чрезвычайно безопасными дляТранспорт и хранениеПолем Из-за более низкого тепла и использования неплощенных материалов во многих конструкциях, натриевые ионные батареи также демонстрируютпревосходная тепловая стабильностьПолем На самом делепожарный рискожидается, что аккумуляторы натриезначительно нижечем у литий-ионных аккумуляторов, улучшаябезопасностьВ таких приложениях, как электромобили и сетка.

Эти функции делают натриевые ионные батареи привлекательным вариантом, даже для литий-ионных лидеров аккумуляторов в Китае. В прошлом году первая крупномасштабная станция для хранения энергии батареи натриевых ионных аккумуляторов начала работу-10 МВтч натриевые батареи, часть проекта 100 МВтч. Этот объект, построенный в Китае Южной энергетической сетки, использует210 AH натриевые клеткии имеет несколько впечатляющих данных: батарея может бытьвзимается на 90% всего за 12 минут.

Глобальный гигант изготовления батареиСовременная Amperex Technology Co. Limited (CATL)явно стремится исследовать потенциал батарей-ионных батарей. Например, он интегрирует батареи натрия в своиИнфраструктура и продукты литий-ионной батареиПолем Компания показала, что в2023, Китайский автопроизводительЧеристал первой компанией, которая использовала натриевые ионные батареи CATL.

ВЯнварь 2024 года, крупнейший автопроизводитель в Центральной Азии и один из крупнейших поставщиков аккумуляторов,Поступок, объявлены планы по строительству1,4 миллиарда долларовнатрие-ионная аккумуляторная фабрика с годовой производственной мощностью30 ГВт.

Европейские компании также изучают эту технологию. Теперь производитель аккумуляторов теперьNorthvoltзапущен160 WH/кг батарея натриевой ионной батареив ноябре 2023 года, который был проверен на производительность. В Великобритании,Фарадионболее десяти лет был пионером в технологии батареи натриевых ионов. Приобретено ИндиейReliance IndustriesВ 2021 году у Faradion разработал160 WH/кг батареяи теперь разрабатывает улучшенную версию, которая может похвастатьсяНа 20% выше плотность энергиии30% более длительный велосипедный срок службыПолем Reliance Industries также объявил о планах построитьФабрика батареи на натриевой батареи с мульти-GWHв Индии, с производством, вероятно, начнется2025.

Эти разработки убедительно указывают на то, что натриевые ионные батареи становятся технологией, способной оспаривать доминирование литий-ионных батарей.

В то время как новые технологии батареи -натрие-ионные батареиитвердотельные батареи- Показать многообещающий потенциал, трудно предсказать, что в конечном итоге доминирует. Учитывая их соответствующие преимущества, обе технологии могут играть важную роль в продвижениичистая энергияиЧистый транспортв будущем.

Если затраты на твердотельный аккумулятор уменьшаются - потенциально падает с тока$ 150+/кВтчдля литий-ионных батарей вокруг$ 80- $ 100/кВтч- Твердовые батареи могут доминироватьВысокопроизводительные сегменты, например, электромобили, в течение следующего десятилетия. Это правдоподобный сценарий. АМеждународное энергетическое агентство (IEA)держит оптимистичный взгляд наЗатраты на твердотельные батареи post -2030Подчеркивая, что твердотельная технология, вероятно, достигнет коммерческой жизнеспособности.

С другой стороны, батареи натрия ионныеКонкурентоспособность затрат, делая их хорошо подходящими дляСетка храненияиразвивающиеся рынки, и они должны достичь успеха быстрее. Многие сторонники стремятся к строительствукрупномасштабные проектыв следующемдва -три годаПолем В 2024 годуРынок хранения энергии батареи (BESS)вырос44%, с установленной емкостью и количеством разряда69 ГВт/161 ГВтПолем Примечательно, по2030Ожидается, что батареи будут водить90% роста хранениячтобы встретитьсяцелевые цели.

В результате в будущем появится ряд технологий аккумуляторов, ствердый штатинатрие-ионные батареивероятно, проведет путь.