Натрій-іонні акумулятори - реальна альтернатива літію?

Хоча ціни на літій-іонні акумулятори знову падають, інтерес до накопичувачів енергії на основі іонів натрію (Na-іонів) не згасає. На тлі глобального нарощування виробничих потужностей з виробництва елементів залишається незрозумілим, чи зможе ця багатообіцяюча технологія схилити чашу терезів попиту та пропозиції на свій бік.
У листопаді 2023 року компанія Northvolt представила сертифіковані іонно-натрієві акумуляторні елементи ємністю 160 Вт-год/кг і заявила, що зараз працює над розширенням ланцюжка поставок іонно-натрієвих матеріалів акумуляторного класу.
Іонно-натрієві акумулятори переживають критичний період комерціалізації, оскільки галузі, від автомобільної промисловості до зберігання енергії, роблять великі ставки на цю технологію. Як відомі виробники акумуляторів, так і новачки поспішають перейти від лабораторій до виробництва з життєздатною альтернативою іонно-літієвим акумуляторам. Оскільки останній є стандартом для електромобілів і стаціонарних систем зберігання енергії, нова технологія повинна пропонувати перевірені переваги. Іон натрію має всі шанси на успіх, адже він має вищі показники безпеки, вартості сировини та екологічності.

Пристрої на основі іонів натрію не потребують критично важливих матеріалів, оскільки використовують велику кількість натрію замість літію і не містять кобальту чи нікелю. Оскільки ціни на іонний літій зросли у 2022 році на тлі прогнозів дефіциту матеріалів, іонний натрій став конкурентом, і інтерес до нього залишається високим, навіть коли ціни на іонний літій знову почали падати.

“Наразі ми відстежуємо 335,4 ГВт-год виробничих потужностей натрієвих акумуляторів до 2030 року, що свідчить про те, що ця технологія все ще має значну прихильність”, – сказав Еван Хартлі, старший аналітик Benchmark Mineral Intelligence.

У травні 2023 року лондонський консультант прогнозував 150 ГВт-год до 2030 року.

Дешевше

Іонно-натрієві батареї, вироблені у великих масштабах, можуть бути на 20%-30% дешевшими, ніж літій-ферро-залізо-фосфатні (LFP), домінуюча технологія стаціонарних акумуляторних батарей, насамперед завдяки великій кількості натрію та низьким витратам на його видобуток і очищення. Іонно-натрієві батареї можуть використовувати алюміній для анодного струмоприймача замість міді, яка використовується в іонно-літієвих батареях, що ще більше знижує витрати і ризики ланцюжка поставок. Однак ця економія все ще залишається потенційною.

“Перш ніж іонно-натрієві акумулятори зможуть конкурувати з існуючими свинцево-кислотними та літій-залізо-фосфатними батареями, гравцям галузі потрібно буде знизити вартість технології шляхом покращення технічних характеристик, налагодження ланцюгів постачання та досягнення економії за рахунок масштабу”, – сказав Шазан Сіддікі, старший технологічний аналітик британської компанії IDTechEx, що займається дослідженням ринку. “Перевага Na-іонів у вартості досягається лише тоді, коли масштаби виробництва досягають масштабів, порівнянних з літій-іонними батареями. Крім того, подальше падіння цін на карбонат літію може зменшити цінову перевагу натрію”.

Іон натрію навряд чи витіснить іон літію у сферах застосування, де пріоритетом є висока продуктивність, і натомість буде використовуватися для стаціонарних сховищ та мікроелектромобілів. Аналітики S&P Global очікують, що до 2030 року літій-іонні акумулятори займатимуть 80% ринку акумуляторів, причому 90% цих пристроїв будуть на основі LFP. Іон натрію може скласти 10% ринку.

Правильний вибір

Дослідники розглядають іон натрію з середини 20-го століття, і останні розробки включають покращення ємності та життєвого циклу пристроїв, а також нові анодні та катодні матеріали. Іони натрію об’ємніші за літієві аналоги, тому іонні елементи мають нижчу напругу, а також нижчу гравітаційну та об’ємну густину енергії.

Гравіметрична щільність енергії іонів натрію наразі становить від 130 Вт/кг до 160 Вт/кг, але очікується, що в майбутньому вона перевищить 200 Вт/кг, що перевищує теоретичну межу для LFP-пристроїв. Однак у перерахунку на щільність потужності іонно-натрієві акумулятори можуть мати 1 кВт/кг, що перевищує показники нікель-марганцево-кобальтових (NMC) від 340 Вт/кг до 420 Вт/кг і LFP від 175 Вт/кг до 425 Вт/кг.

Хоча термін служби пристроїв на основі іонів натрію від 100 до 1000 циклів нижчий, ніж у LFP, індійський розробник KPIT повідомив, що термін служби з 80% збереженням ємності протягом 6 000 циклів – залежно від хімічного складу елемента – порівнянний з літій-іонними пристроями.

“Досі не існує єдиного переможного хімічного складу для іонно-натрієвих акумуляторів, – сказав Сіддікі з IDTechEx. “Зараз проводиться багато досліджень і розробок, щоб знайти ідеальний анодно-катодний активний матеріал, який дозволить масштабувати його за межами лабораторної стадії”.

Посилаючись на американську наукову організацію з безпеки Underwriter Laboratories, Сіддікі додав, що “стандартизація UL для іонно-натрієвих елементів ще попереду, і це змушує OEM-виробників [виробників оригінального обладнання] вагатися щодо впровадження такої технології”.

Прусський білий, поліаніон і шаруватий оксид – це кандидати на роль катодів, які використовують дешевші матеріали, ніж літій-іонні аналоги. Перший, що використовується компаніями Northvolt і CATL, широко доступний і дешевий, але має відносно низьку об’ємну щільність енергії. Британська компанія Faradion використовує шаруватий оксид, який обіцяє вищу щільність енергії, але з часом його ємність зменшується. Французька компанія Tiamat використовує поліаніон, який є більш стабільним, але містить токсичний ванадій.

“Більшість виробників елементів, які планують збільшити ємність іонно-натрієвих батарей, використовуватимуть технологію шаруватого оксидного катоду, – каже Хартлі з Benchmark. “Фактично, 71% конвеєра [акумуляторів] – це шаруватий оксид. Аналогічно, 90,8% катодного трубопроводу для іонів натрію – це шаруватий оксид”.

У той час як катоди є ключовим фактором вартості літій-іонних акумуляторів, анод є найдорожчим компонентом натрій-іонних батарей. Твердий вуглець є стандартним матеріалом для анодів натрій-іонних акумуляторів, але виробничі потужності відстають від потужностей натрій-іонних елементів, що призводить до зростання цін. Останнім часом матеріали з твердого вуглецю отримують з різних прекурсорів, таких як відходи тваринництва, осад стічних вод, глюкоза, целюлоза, деревина, вугілля та похідні нафтопродуктів. Синтетичний графіт, поширений матеріал для літій-іонних анодів, майже повністю покладається на останні два прекурсори. З розвитком ланцюжка поставок твердий вуглець стає дорожчим за графіт і є однією з ключових перешкод у виробництві натрій-іонних акумуляторів.

Частково пом’якшуючи вищі витрати, іонно-натрієві батареї демонструють кращу температурну стійкість, особливо в умовах мінусових температур. Вони безпечніші, ніж літій-іонні, оскільки їх можна розряджати до нуля вольт, що зменшує ризик під час транспортування та утилізації. Літій-іонні акумулятори зазвичай зберігають із зарядом близько 30%. Іонно-натрієві мають менший ризик займання, оскільки їхні електроліти мають вищу температуру спалаху – мінімальну температуру, за якої хімічна речовина може випаровуватися, утворюючи з повітрям легкозаймисту суміш. Оскільки обидві хімічні речовини мають схожу структуру і принципи роботи, іон натрію часто можна додавати у виробничі лінії та обладнання для виробництва літій-іонних акумуляторів.
Так, провідний світовий виробник акумуляторів CATL інтегрує іон натрію у свою літій-іонну інфраструктуру та продукцію. Її перший іонно-натрієвий акумулятор, випущений у 2021 році, мав щільність енергії 160 Вт-год/кг, а в майбутньому обіцяють досягти 200 Вт-год/кг. У 2023 році CATL заявила, що китайський автовиробник Chery стане першим, хто використає її іонно-натрієві акумулятори. Наприкінці 2023 року CATL повідомила журналу pv, що розробила базовий промисловий ланцюжок для іонно-натрієвих батарей і налагодила масове виробництво. Масштаби виробництва та обсяги поставок залежатимуть від реалізації проєктів клієнтів, заявили в CATL, додавши, що для широкомасштабного комерційного розгортання іонно-натрієвих акумуляторів потрібно зробити ще багато чого. “Ми сподіваємося, що вся галузь буде працювати разом, щоб сприяти розвитку іонно-натрієвих акумуляторів”, – сказав виробник акумуляторів.

Заряд на натрій

У січні 2024 року найбільший автовиробник Китаю і другий за величиною постачальник акумуляторів BYD заявив, що розпочав будівництво заводу з виробництва іонно-натрієвих батарей вартістю 10 млрд юанів (1,4 млрд доларів) і потужністю 30 ГВт-год на рік. Продукція буде використовуватися для живлення “мікромобільних” пристроїв. Компанія HiNa, створена Китайською академією наук, у грудні 2022 року ввела в експлуатацію лінію з виробництва іонно-натрієвих акумуляторів потужністю в гігават-годину і анонсувала асортимент продукції Na-іонних акумуляторів та прототип електромобіля.

У листопаді 2023 року європейський виробник акумуляторів Northvolt представив сертифіковані іонно-натрієві акумуляторні елементи ємністю 160 Вт-год/кг. Технологія, розроблена спільно з компанією Altris, яка є підрозділом Уппсальського університету в Швеції, буде використана в накопичувачах енергії наступного покоління. Поточна пропозиція Northvolt базується на хімії NMC. Під час презентації Вільгельм Льовенхілм, старший директор з розвитку бізнесу в галузі систем зберігання енергії Northvolt, сказав, що компанія хоче створити акумулятор, який буде конкурентоспроможним з LFP в масштабах. “Очікується, що з часом ця технологія значно перевершить LFP з точки зору конкурентоспроможності за вартістю”, – сказав він.

Northvolt хоче отримати батарею “plug-and-play” для швидкого виходу на ринок і масштабування. “Ключовими заходами для виведення цієї конкретної технології на ринок є масштабування ланцюжка поставок матеріалів для акумуляторів, що Northvolt зараз і робить разом з партнерами”, – сказав Льовенхілм.

Менші гравці також роблять свій внесок у комерціалізацію технології іонів натрію. Компанія Faradion, яку у 2021 році придбав індійський конгломерат Reliance Industries, заявляє, що зараз вона передає свою розробку клітин наступного покоління у виробництво. “Ми розробили нову технологію та площу комірки з на 20% вищою щільністю енергії, а також збільшили термін служби на третину порівняно з попереднім дизайном комірки”, – сказав головний виконавчий директор (CEO) Faradion Джеймс Квінн.

 

Перше покоління елементів компанії продемонструвало щільність енергії 160 Вт-год/кг. У 2022 році Квінн заявив, що Reliance планує побудувати в Індії завод з виробництва іонів натрію з двозначною гігаватною потужністю. Наразі, схоже, ці плани залишаються в силі. У серпні 2023 року голова правління Reliance Мукеш Амбані заявив на щорічних зборах акціонерів компанії, що бізнес “зосереджений на прискореній комерціалізації нашої технології іонно-натрієвих акумуляторів… Ми будемо розвивати наше технологічне лідерство шляхом індустріалізації виробництва іонно-натрієвих елементів на мегаватному рівні до 2025 року, а потім швидко нарощуватимемо потужність до гігаватного рівня”, – сказав він.

Виробництво

Стартап Tiamat просунувся в реалізації своїх планів щодо початку будівництва заводу потужністю 5 ГВт-год у французькому регіоні О-де-Франс. У січні 2024 року компанія залучила 30 млн євро (32,4 млн доларів США) у вигляді акціонерного та боргового фінансування і заявила, що планує завершити фінансування свого промислового проекту в найближчі місяці, довівши загальний обсяг фінансування до близько 150 млн євро. Компанія, яка є дочірнім підприємством Французького національного центру наукових досліджень, спочатку вироблятиме на своєму заводі іонно-натрієві акумулятори для електроінструментів і стаціонарних систем зберігання даних, “щоб виконати перші замовлення, які вже надійшли”. Пізніше він націлиться на розширене виробництво продуктів другого покоління для електромобілів з акумуляторними батареями.

У Сполучених Штатах гравці галузі також нарощують свої зусилля з комерціалізації. У січні 2024 року Acculon Energy оголосила про серійне виробництво своїх модулів і блоків натрій-іонних акумуляторів для мобільних і стаціонарних систем зберігання енергії та оприлюднила плани збільшити виробництво до 2 ГВт-год до середини 2024 року. Тим часом компанія Natron Energy, дочірнє підприємство Стенфордського університету, мала намір розпочати серійне виробництво своїх іонно-натрієвих акумуляторів у 2023 році. Її мета полягала в тому, щоб виготовити 600 МВт іонно-натрієвих елементів на заводі виробника акумуляторів Clarios International в Медоубруку, штат Мічиган, що припиняє виробництво літій-іонних акумуляторів. Однак інформація про прогрес була обмеженою.

Фінансування

У жовтні 2023 року з’явилася компанія Peak Energy, яка отримала $10 млн фінансування та управлінську команду, що складається з колишніх керівників Northvolt, Enovix, Tesla та SunPower. Компанія заявила, що спочатку буде імпортувати акумуляторні елементи, і очікується, що це не зміниться до початку 2028 року. “Для невеликого гігаватного заводу потрібно близько мільярда доларів – не більше 10 ГВт”, – заявив на презентації генеральний директор Peak Energy Лендон Моссбург (Landon Mossburg). “Тому найшвидший спосіб вийти на ринок – це побудувати систему з елементами, які можна отримати від третьої сторони, і Китай – єдине місце, де нарощуються потужності для постачання достатньої кількості елементів”. Зрештою, компанія сподівається отримати право на отримання кредитів на вітчизняне виробництво відповідно до Закону США про зниження інфляції.

Деякі постачальники, такі як індійська компанія KPIT, вийшли на ринок без будь-яких виробничих планів. Підрозділ автомобільного програмного забезпечення та інженерних рішень представив свою технологію іонно-натрієвих акумуляторів у грудні 2023 року і розпочав пошук виробничих партнерів. Раві Пандіт, голова KPIT, розповів, що компанія розробила кілька варіантів з щільністю енергії від 100 Вт/кг до 170 Вт/кг, а потенційно може досягти 220 Вт/кг.

“Коли ми починали працювати над іонно-натрієвими батареями, початкові очікування щодо щільності енергії були досить низькими, – сказав він. “Але за останні вісім років щільність енергії зростала завдяки розробкам, які ми та інші компанії проводили”. Інші компанії також шукають можливості для партнерства у сфері постачання. Минулого року фінська технологічна група Wärtsilä – один з провідних світових інтеграторів систем зберігання енергії – заявила, що шукає потенційні партнерства або поглинання в цій галузі. На той час вона рухалася в напрямку тестування технології у своїх дослідницьких центрах. “Наша команда залишається відданою пошуку нових можливостей з точки зору диверсифікації технологій зберігання енергії, таких як включення іонно-натрієвих акумуляторів у наші майбутні стаціонарні рішення для зберігання енергії”, – сказала Емі Лю, директорка з розробки стратегічних рішень Wärtsilä Energy Storage and Optimization, у лютому 2024 року.

Можливість близького шорінгу

Після багатьох оголошень про масове виробництво, іонно-натрієві акумулятори зараз знаходяться в точці “зробити або зламати”, і зацікавленість інвесторів визначатиме долю технології. Аналіз ринку, проведений IDTechEx у листопаді 2023 року, свідчить про очікуване зростання щонайменше на 40 ГВт-год до 2030 року, з додатковими 100 ГВт-год виробничих потужностей, що залежать від успіху ринку до 2025 року.

“Ці прогнози передбачають неминучий бум в індустрії [іонних акумуляторів натрію], який залежить від комерційних зобов’язань протягом наступних кількох років”, – сказав Сіддікі.

Іон натрію може запропонувати ще одну можливість для прибережних ланцюгів постачання чистої енергії, оскільки необхідна сировина легко доступна в усьому світі. Однак, схоже, що потяг вже рушив зі станції.

“Як і на ранніх стадіях розвитку ринку літій-іонних акумуляторів, основним вузьким місцем для світової індустрії буде домінування Китаю, – говорить Хартлі з Benchmark. “Станом на 2023 рік 99,4% потужностей іонно-натрієвих акумуляторів були зосереджені в Китаї, і ця цифра, за прогнозами, знизиться до 90,6% до 2030 року. Оскільки політика в Європі та Північній Америці спрямована на переміщення ланцюжків постачання літій-іонних акумуляторів з Китаю через залежність від його внутрішнього виробництва, на ринку іонних акумуляторів натрію також буде необхідний зсув для створення локалізованих ланцюжків поставок”.