Натрий-ионные батареи станут массовыми? Новости из Китая

Натрий-ионные аккумуляторы для электромобилей и систем хранения энергии все ближе к массовому внедрению. Их широкое распространение может привести к удешевлению устройств и авто с таким источником питания, снижению риска возгорания (помните ролики с горящими Tesla?) и сокращению зависимости от лития, кобальта и никеля. И я сейчас говорю не про лабораторные исследования и первые прототипы. 18 ноября китайская компания CATL, крупнейший в мире производитель аккумуляторов, представила второе поколение натрий-ионных батарей. Подробности — дальше.

Достойная альтернатива Li-Ion-батареям

По словам представителей CATL, у нового аккумулятора плотность энергии 200 Вт·ч/кг. Это больше, чем у предыдущего поколения с 160 Вт·ч/кг, выпущенного в 2021 году ^[1]. Более высокая плотность энергии означает больший запас хода для электромобилей или увеличенный срок автономной работы устройства с таким источником питания.

Пока компания не предоставила подробную техническую информацию о новинке. Но есть данные о предыдущем поколении. Известно, что зарядить аккумуляторы до 80% можно всего за 15 минут при комнатной температуре. Даже при -20 °C они сохраняют больше 90% своей емкости. Еще говорили, что Na-Ion-батареи легко интегрируются в существующие системы — их можно применять в 80% электромобилей и устройств. Правда, не уточняется, нужны ли какие-то доработки, и если да, то насколько серьезные.

Главное направление использования новинки, по словам представителей CATL, электротранспорт. Особенно в регионах с холодным климатом, где Li-Ion-батареи не справляются (о причинах — ниже). К тому же новые аккумуляторы можно легко адаптировать ^[1] под любые другие задачи, связанные с накоплением и хранением энергии.

Преимущества натрий-ионных аккумуляторов

Добыча лития, кобальта и никеля сопровождается множеством проблем, включая сильный ущерб окружающей среде. Значительная часть этих ресурсов находится на территории относительно небольшого количества стран ^[2]. Это приводит к разным проблемам. Например, Китай активно стремится контролировать цепочки поставок лития, учитывая его стратегическую важность для производства аккумуляторов и других технологий.

В отличие от Li-Ion, натрий-ионные батареи используют (вот сюрприз!) натрий — химический элемент, который содержится в поваренной соли и морской воде. Na — один из самых распространенных металлов. Он занимает шестое место по распространенности среди всех элементов в земной коре.

А еще натрий-ионные элементы лучше работают при экстремально низких температурах. Почему? Из-за снижения скорости химических реакций внутри аккумулятора при морозе. Электролит, через который движутся ионы лития, становится более вязким, а это замедляет их перемещение между анодом и катодом. Это приводит к снижению мощности, уменьшению емкости и увеличению времени зарядки. Еще холод повышает внутреннее сопротивление батареи: при попытке работы на высокой нагрузке это может вызывать перегрев.

Компания CATL утверждает, что ихновая батарея способна функционировать при температуре до -40 °C. А еще натрий-ионные источники питания менее подвержены возгораниям. В них используются менее химически активные компоненты, что снижает вероятность термического разгона — неконтролируемого повышения температуры в элементе питания, способного привести к возгоранию.

И последнее: производство Na-Ion-аккумуляторов схоже с Li-Ion, что позволяет компаниям перенастраивать фабричные линии без значительных финансовых затрат.

Недостатки натрий-ионных батарей

Конечно, не обошлось и без недостатков для натриевых элементов питания. Главный из них — более низкая плотность энергии по сравнению с литий-ионными. Это значит, что электромобиль с Na-Ion-батареей проедет меньше на одной зарядке, чем Li-Ion.

У обычной натрий-ионной батареи плотность энергии около 150 Вт·ч/кг на уровне ячейки ^[3]. В то время как у литий-ионных этот показатель от 180 до почти 300 Вт·ч/кг.

Что касается достижения китайцев в плане увеличения плотности Na-Ion-аккумуляторов до 200 Вт·ч/кг, у специалистов есть некоторые сомнения ^[4]. Но это касается практически всех новостей про элементы питания. Производители любят приукрашивать действительность.

Перспективы натриевых аккумуляторов

Почти сразу же после анонса китайской компании консорциум из семи национальных лабораторий США объявил ^[4] о новой инициативе стоимостью 50 миллионов долларов, направленной на ускорение разработки натрий-ионных аккумуляторов. Руководит проектом Национальная лаборатория Аргонн в Чикаго.

«Причина, по которой мы занимаемся этим направлением, довольно проста, — объясняет ^[3] Венкат Шринивасан, ученый из лаборатории Аргонн и директор новой инициативы. — Спрос на литий-ионные батареи настолько высок, что возникают проблемы с цепочками поставок». Проект Штатов рассчитан на пять лет и направлен на разработку натрий-ионных аккумуляторов, которые смогут по энергоемкости догнать или превзойти современные Li-Ion-элементы.

Исследователи и аналитики уверены ^[3], что в долгосрочной перспективе натрий-ионные батареи будут дешевле ^[5] Li-Ion примерно на 20%.

Сейчас основная разработка натрий-ионных систем ведется в Китае, но есть проекты и в других странах. Например, калифорнийская компания Natron Energy планирует ^[6] построить крупный завод стоимостью 1,4 миллиарда долларов в Роки-Маунт, Северная Каролина. О сроках запуска пока не сообщается.

В любом случае добиться успеха будет непросто, ведь пока Li-Ion-батареи доминируют на рынке. По данным Benchmark Mineral Intelligence, глобальный объем производства Li-Ion-аккумуляторов в этом году составил около 1 500 ГВт·ч, тогда как натрий-ионных — всего 11 ГВт·ч, то есть менее 1% от литиевых «конкурентов».

Но производство Na-Ion-батарей растет и, по прогнозам Benchmark ^[4], достигнет 140 гигаватт-часов к 2030 году — это в 13 раз больше нынешнего объема. Производство литий-ионных батарей к тому времени утроится.