Naatrium-ioon vs tahke oleku patareid, kes asendavad liitium-iooni

Taastuvenergia tõus (RE) ja elektrisõidukite kiire kasv on suurendanud ootusi energiasalvestusele - sealhulgas suurem tõhusus, suurem ohutus, suurenenud energiatihedus ja ideaaljuhul madalamad kulud. Naatrium-ioon- ja tahkispatareide eesmärk on pakkuda alternatiivseid lahendusi. Igal neist on oma eelised ja see võib lähiaastatel potentsiaalselt asendada olemasolevaid liitium-ioon ladustamistehnoloogiaid.

Selles artiklis uurime, miks võib liitium -ioonakudel olla oht, et nad on järk -järgulised - isegi kui see risk tundub tänapäeval minimaalne. Keskendume kahele arenevale tehnoloogiale, millel on kõige tugevam potentsiaal energiasalvestuse tuleviku domineerimiseks: naatrium-ioonakud ja tahkispatareid.

Litium-ioonpatareid domineerivad praegu energiasalvestussektoris ja eeldatakse, et nad säilitavad selle positsiooni keskpikas perspektiivis. Alates kaasaskantavatest seadmetest kuni suuremahuliste taastuvenergia + ladustamisprojektideni juhib liitium-ioontehnoloogia kõiki peamisi suundumusi.

Värske raporti kohaselt laieneb liitium-ioonaku materjalide turg kiiresti kasvava nõudluse tõttu mitme tööstuse vahel. Prognooside kohaselt kasvab see 2024. aastal 41,9 miljardilt USA dollarilt üle 120 miljardi dollarini 2029. aastaks, ühe liit kasvutempo (CAGR) umbes 23,6%.

Tänapäeval juhivad liitium-ioonaku turgu sellised suured mängijad nagu Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL ja BYD. Nimelt on viimased kaks Hiina ettevõtet viimase kahe aasta jooksul märkimisväärselt edusamme teinud.

Kui elektrisõidukite tõus on selle kasvu peamine mootor, siisstatsionaarne energiasalvestusEeldatakse, et turg toob järgmistel aastatel veelgi suuremat nõudlust.

On hästi teada, et liitium-ioonakud sõltuvad suuresti kriitilistest mineraalidest nagu liitium, sageli ka koobalt ja nikkel. Pakkumispiirangud on põhjustanud hindade volatiilsuse. Näiteks on akukvaliteediga liitiumkarbonaadi maksumus viimastel aastatel kõikunud umbes 5,8 dollarist kilogrammi kohta kuni 80 USD. See volatiilsus ja nappus on suurendanud liitium-ioonakude kulusid ja kujutanud endast pikaajalist tarneriski.

Üks kiireloomuline probleem on tugeva liitiumi tarneahela puudumine suurematel turgudel väljaspool Hiinat. Näiteks on Hiinast pärit umbes 77% liitium-ioonakudes kasutatavast grafiidist. See rõhutab Hiina pakkumise suurt sõltuvust globaalsete kaubanduspingete ajastul ja rõhutab pakkumise mitmekesistamise olulisust.

Termilise põgenemise põhjustatud elektrisõidukite ohutusriskid, näiteks akupõletik, lisavad veel ühe muret.

Need tegurid sillutavad teed uue põlvkonna energiasalvestustehnoloogiate jaoks. Kui väljaspool Hiinat asuvad ettevõtted otsivad aktiivselt alternatiive, mis ei tugine liitiumile, on Hiina turu juhid teadlikud ka, et nende domineerimine võib olla ohus. Tegelikult on paljud neist juba kiiresti naatrium-ioon- ja tahkis-aku arendamisse liikunud, et tagada, et nad püsivad kõvera ees.

Tahkispatareid (SSB) asendavad liitium-ioonakudes kasutatavad vedelad elektrolüüdid tahkete elektrolüütidega-näiteks keraamika, klaasi või tahkete polümeeridega. Kõrvaldades mahuka grafiidi anoodi ja kasutades tihedaid tahkeid materjale, saavad SSB -d säilitada samas mahus märkimisväärselt rohkem energiat, laiendades potentsiaalselt elektrisõidukite vahemikku (EV) laia äärega.

Mitmed peamised tööstuse mängijad on selle tehnoloogia ümberkujundavat potentsiaali juba tunnistanud. Näiteks avalikustas Quantumscape 2024. aastal oma tahke oleku aku (QSE -5) energiatihedusega 844 WH/L-oluliselt kõrgem kui 300–700 WH/L tüüpilised kaubanduslikud liitium-ioon-akud. Ettevõte kavatseb oma esimese kommertsliku 100+ kihtide lahtrid (QSE -5) aastas 2025. aastal toimetada. See energiatihedus on umbes 1,5 korda suurem kui parimad liitium-ioonrakud, mis võib tähendada sõiduvahemiku 20–50% suurenemist aku suurust või kaalu suurendamata.

Hiina akuhiiglane CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.) on samuti märkimisväärselt suurendanud oma investeeringut SSB arendusse, laiendades oma spetsiaalset teadus- ja arendustegevuse meeskonda üle ühe, 000 inimestele. CATL on suunatud 2027. aastaks kõigi tahkete olekute akude väikesemahulise tootmise.

Toyota on teatanud aastatel 2027–2028 tahkis-patareidega varustatud reisijate EV-de turustamise ajajoonest. Ettevõtte sõnul võib see uuendus suurendada sõidu ulatust kuni 20%. Aastal 2023 varustas tahke toide A-proovidega BMW kasutamiseks oma demosõiduki programmis. Teised suuremad tööstusharu juhid - sealhulgas Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW ja Toyota - on teinud ka strateegilisi investeeringuid tahkis -akuruumi.

Lisaks suurenenud levilale näitavad tahkispatareisid ka paremaid kiire laadimisvõimalusi. Tänu suurepärasele termilisele stabiilsusele ja ioonjuhtivusele saavad SSB-d toetada ülikiire laadimiskiirust ilma rakke kahjustamata. Näiteks ootab Toyota oma tahkis-akutehnoloogia, mis võimaldab 300 km kaugusel laadida vaid 15 minutiga-kaks kuni kolm korda kiiremini kui enamiku liitium-ioon EV-de praegune kiire laadimise kiirus, mille laadimiseks kulub tavaliselt umbes 30 minutit 10% -lt 80% -ni.

Tahkete elektrolüütide kasutamine, mis on mitteliistud, välistab traditsiooniliste akuelementide ühe peamise ohutusrisk. Tahked keraamilised või klaasist elektrolüüdid ei tekita tulekahju ja võivad töötada laiemas temperatuurivahemikus. Need püsivad ka kõrgematel pingetel stabiilsed, võimaldades kasutada suure mahutavusega katoodmaterjale ja pärssida liitium dendriidi kasvu - parandades sellega nii tsükli eluea kui ka ohutust.

Lisaks võib SSB -sid olla lihtsam nende lihtsama disaini tõttu - ilma keerukate lahusti ja sideaine segude vajaduseta - ning vältida probleemsete lisandite ja liimide kasutamist.

Nii paljude eelistega võib eeldada, et tahkis akud asendaksid liitium-ioonakud hõlpsalt ja kiiresti. Kui aga mittenende kõrge hind, SSBS oleks võinud juba üle võtta.

Maksumus on endiselt kõige olulisem takistus laialt levinud lapsendamisel. Näiteks BMW Group on seda väljakutset tunnistanud. Kuigi eeldatakse, et ettevõte avalikustab sel aastal tahkispatareidega varustatud prototüübi sõidukit, on ta teatanud, et SSB-toega elektrisõidukite kaubanduslik turuletoomine on järgmise kümnendi jooksul ebatõenäoline.

Hiina akutootja Sunwoda hinnangul võivad tahkispatareid maksta275 dollarit kWh kohta, laias laastus võrra võrreldav pool-tahkete akudega. Kuid tänuMateriaalse töötlemiskuludjaMadal tootmissaagis, võivad tegelikud kulud olla praktikas oluliselt kõrgemad.

Kuni nende väljakutsetega tegeletakse - eriti tootmise suurendamisel ja materiaalsete kulude vähendamisel - püsivad tahkis akud tõenäoliselt turu varases staadiumis või esmaklassilises segmendis, selle asemel et saavutada laialdane äriline kasutuselevõtt.

Võrdluseks, alates 2024. aasta detsembrist oli Hiinas liitium-ioonaku keskmine hind langenud94 dollarit kWh kohta. Hinnad USA -s ja Euroopas jäävad30–50% kõrgem, kuid siiski märkimisväärseltmadalam kui tahke oleku patareid.

Kui sellisenaMaksumus on endiselt suur kitsaskohtet tahkis akutehnoloogia pooldajad peavad energiasalvestusturu tõeliselt häirimiseks üle saama. Sellega seosesNaatrium-ioon ja liitium-ioon patareid on kaugel eestahke oleku patareidest.

Muud kriitilised väljakutsed hõlmavadtootmise suurendamine, eritiKeraamiliste elektrolüütide massiline tootminejausaldusväärne assambleetahkisrakkude arv. JuhtimineLiides tahkete elektrolüütide ja elektroodide vahelSamuti on mure, kuna see võib põhjustada kõrgeid pindade vastupidavust või pragunemist mitme laengulahenduse tsükli kohal-mõlemad takistavad täismõõtmelist turustamist.

Pealegi tagadesvastupidavus reaalsetes stressitingimustes, nagu vibratsioon, temperatuuri kõikumised ja kiire laadimine, on endiselt üks pakilisemaid tehnilisi tõkkeid.

Tahkispatareid parandavad liitium-ioontehnoloogiat, muutes elektrolüüti ja suurendades energiatihedust, kuid nende kõrge kulu on endiselt suur väljakutse. Seevastu naatrium-ioon (NA-iooni) akud seisavad vastupidise probleemiga. Püüdes asendada liitium-ioon-akudes kasutatud elemente tavalisemate materjalidega, võivad naatrium-ioonakud kulud märkimisväärselt langeda, kuid need seisavad silmitsi väljakutsetega energiatiheduse osas.

Naatrium -ioon akud töötavad peaaegu samamoodi nagu liitium -ioonakud - ioonide süstik katoodi ja anoodi vahel -, kuid nad kasutavad liitiumiioonide asemel naatriumiioone. See nihe muudab kõike,tooraine hankimine lihtsusjuurdetaskukohasus- Mis on üks peamisi tegureid, mis määrab tulevase peavoolu akutehnoloogia.

Naatrium-ioonpatareide madalad kulud tähendavad, et aastaks 2030 arvestavad nadVähem kui 10% elektrisõidukite akudest, aga nende osakaalenergiasalvestusEeldatakse, et rakendused suurenevad märkimisväärselt. Naatrium-ioon akud kasutavadodavamad materjalidja ei vaja liitiumi, mis tähendab, et nende tootmiskulud võivad olla30% madalam kui liitium -raudfosfaadil (LFP)Akud.

Naatrium-ioontehnoloogia suurim veetlus seisneb selle võimes võimendadarikkalikud ja odavad materjalidAsendada rohkem nappe. Naatriumivarud Maa kooris on1, 000 korda suuremkui liitiumi oma. Naatriumi saab isegi odavalt kaevandadasuhteliselt ammendamatu merevesi.

Tänu valdkonna uuendustele on kaubandusliku naatrium-ioon (NA-ioon) akud saavutanud nüüd energiatiheduse umbes130-160 wh/kg, mis on umbeskaks kolmandikkuTüüpiliste liitium-ioon NMC (nikkelmangaanikoobalt) akude oma. Kuid nad on juba jõudnud või isegi ületanud energiatihedustpliihappe akudja lähenevadliitium -raudfosfaat (LFP)Akud.

Eksperdid väidavad, et järgmise põlvkonna naatrium-ioon akud saavutavadüle 200 WH/kg, potentsiaalselt ületades teoreetilise energiatiheduse piiriLFP akud. Naatrium-ioonpatareide tüüpiline eluiga ulatub alates100 kuni 1, 000 tsüklidja India arendaja KPIT väidab, et tema akud säilitavad80% võimsuse säilitamine pärast 6, 000 tsüklid, võrreldav liitium-ioon aku jõudlusega.

Naatrium-ioon patareid paistavad silma ka aastalvõimsus ja madala temperatuuriga jõudlus. Mõned kujundused on võimelisedumbes 1 kW/kg võimsuse tihedus, mis ületab kaugeltLiitium-ioon NMC või LFP akud. Lisaks näitavad naatrium-ioonakusidMinimaalne jõudluse halveneminenii madalatel temperatuuridel kui-20 kraad, arvestades, et liitium-ioonakud võitlevad sellistes külmades tingimustes kiiresti laadimise või tõhusa laadimise eest.

Samuti võivad olla naatrium-ioon patareidTäielikult tühjendatud 0 vkahju tekitamata, muutes need eriti ohutukstransport ja ladustamine. Alam-soojuse genereerimise ja mittetäitlike materjalide kasutamise tõttu paljudes disainilahendustes näitavad ka naatrium-ioonakudparem termiline stabiilsus. Tegelikulttulekahjurisknaatrium-ioonaku pakke on eeldatavastioluliselt madalamkui liitium-ioon akude omaohutussellistes rakendustes nagu elektrisõidukid ja ruudustiku ladustamine.

Need funktsioonid muudavad naatrium-ioonpatareisid atraktiivseks võimaluseks, isegi Hiinas asuvatele liitium-ioon akujuhtidele. Eelmisel aastal alustas Hiina esimene suuremahuline naatrium-ioonaku energiasalvestusjaam-a-a10 MWH naatrium-ioon akuhoidla, osa 100 MWH projektist. See rajatis, mille ehitas Hiina Southern Power Grid, kasutab210 AH naatrium-ioonrakudja tal on mõned muljetavaldavad andmed: aku võib ollalaetud 90% -ni vaid 12 minutiga.

Globaalne akutootmise hiiglaneContemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)on selgelt innukas uurida naatrium-ioonpatareide potentsiaali. Näiteks integreerib see naatrium-ioonpatareid sellesseliitiumioonaku infrastruktuur ja tooted. Ettevõte paljastas selle2023, Hiina autotootjaCharySellest sai esimene ettevõte, kes kasutas CATLi naatrium-ioon akusid.

SisseJaanuar 2024, Kesk -Aasia suurim autotootja ja üks suurimaid aku tarnijaidBYD, teatas plaanist ehitada a1,4 miljardit dollaritnaatrium-ioon akuvabrik, mille tootmisvõimsus on30 GWh.

Ka Euroopa ettevõtted uurivad seda tehnoloogiat. Nüüd pankraadi akutootjaPõhjavoolkäivitatud a160 WH/kg naatrium-ioon akuNovembris 2023, mis kontrolliti esinemiseks. Suurbritannias,Faradioonon olnud naatrium-ioon akutehnoloogia teerajaja juba üle kümne aasta. Omandanud India omadReliance IndustriesAastal 2021 arendas Faradion a160 WH/kg akuja nüüd tutvustab täiustatud versiooni, mis uhkeldab20% suurem energiatihedusja30% pikem tsükli eluiga. Reliance Industries on teatanud ka plaanist ehitada aMulti-GWH naatrium-ioon akuvabrikIndias, tootmine algab tõenäoliselt aastas2025.

Need arengud näitavad kindlalt, et naatrium-ioonpatareisid on seatud tehnoloogiaks, mis suudab vaidlustada liitium-ioonakude domineerimist.

Tekkivate akutehnoloogiate ajal -naatrium-ioon akudjatahke olekuga akud- Näita paljutõotavat potentsiaali, seda on keeruline ennustada, mis lõpuks domineerib. Arvestades nende vastavaid eeliseid, võivad mõlemad tehnoloogiad mängida olulist rolli edasiliikumiselpuhas energiajapuhas transporttulevikus.

Kui tahkis aku kulud vähenevad - potentsiaalselt langeb voolust$ 150+/kWhliitium-ioonakude jaoks kuni ümber$ 80- $ 100/kWh- tahke oleku patareid võiksid domineeridasuure jõudlusega segmendid, nagu näiteks elektrisõidukid, järgmise kümnendi jooksul. See on usutav stsenaarium. SelleRahvusvaheline energiaagentuur (IEA)omab optimistlikku vaadettahke oleku patareide kulud postitavad -2030, rõhutades, et tahkis-tehnoloogia saavutab tõenäoliselt kaubandusliku elujõulisuse.

Teisest küljest on naatrium-ioon patareid rohkemkulukonkurentsivõimeline, muutes need hästi sobivaksruudustikjaarenevad turud, ja eeldatakse, et nad saavutavad edu kiiremini. Paljud toetajad soovivad ehitadasuuremahulised projektidjärgmiseskaks kuni kolm aastat. Aastal 2024Aku energia salvestussüsteem (BESS) turgkasvanud44%, paigaldatud mahutavuse ja tühjendussummaga69 GW/161 GWh. Eriti2030, akud peaksid sõidavad90% ladustamise kasvustkohtumaNet-nulli sihtmärgid.

Seetõttu ilmneb tulevikus mitmesuguseid akutehnoloogiaidtahkisjanaatrium-ioon akudtõenäoliselt juhib teed.