Натрий-ионные аккумуляторы - реальная альтернатива литию?

В то время как цены на литий-ионные батареи снова падают, интерес к натриево-ионным (Na-ионным) накопителям энергии не ослабевает. Пока идет глобальное наращивание мощностей по производству элементов, остается неясным, сможет ли эта многообещающая технология изменить соотношение спроса и предложения.
Компания Northvolt представила ячейки для натрий-ионных аккумуляторов с валидацией 160 Вт-ч/кг в ноябре 2023 года и заявила, что в настоящее время работает над расширением цепочки поставок материалов для Na-ионных аккумуляторов.
Натриево-ионные батареи переживают критический период коммерциализации, поскольку на эту технологию делают большие ставки все отрасли промышленности — от автомобилестроения до хранения энергии. Известные производители аккумуляторов и новички бьются за то, чтобы перейти от лабораторий к заводам с жизнеспособной альтернативой литий-ионным. Поскольку последний является стандартом для электромобилей и стационарных накопителей, новая технология должна обладать доказанными преимуществами. Ионно-натриевая технология выглядит вполне подходящим вариантом, обладая превосходными показателями безопасности, стоимости сырья и экологичности.

Ионно-натриевые устройства не нуждаются в критически важных материалах: вместо лития они используют богатый натрий, а также не содержат кобальта и никеля. Когда в 2022 году цены на ионный литий выросли на фоне прогнозов о нехватке материалов, ионный натрий был назван конкурентом, и интерес к нему не ослабевает, даже когда цены на ионный литий снова начали падать.

«В настоящее время мы отслеживаем 335,4 ГВт-ч мощностей по производству элементов на основе иона натрия до 2030 года, что свидетельствует о том, что технология по-прежнему пользуется большим спросом», — говорит Эван Хартли, старший аналитик Benchmark Mineral Intelligence.

В мае 2023 года лондонский консультант прогнозировал 150 ГВт-ч до 2030 года.

Дешевле

Натриевые ионные элементы, производимые в промышленных масштабах, могут быть на 20-30 % дешевле литиевых ферро/железо-фосфатных (LFP), доминирующей технологии стационарных аккумуляторных батарей, в основном благодаря изобилию натрия и низким затратам на его добычу и очистку. В натриево-ионных батареях можно использовать алюминий для анодного токоприемника вместо меди, применяемой в литий-ионных, что еще больше снижает затраты и риски цепочки поставок. Однако эта экономия все еще остается потенциальной.

«Прежде чем натриево-ионные батареи смогут бросить вызов существующим свинцово-кислотным и литий-железо-фосфатным батареям, участникам отрасли необходимо будет снизить стоимость технологии за счет улучшения технических характеристик, налаживания цепочек поставок и достижения эффекта масштаба», — говорит Шазан Сиддики, старший технологический аналитик британской компании IDTechEx, занимающейся исследованием рынка. «Преимущество Na-ионных аккумуляторов в стоимости достижимо только тогда, когда масштабы производства достигнут уровня, сопоставимого с литий-ионными элементами». Кроме того, дальнейшее падение цен на карбонат лития может уменьшить ценовое преимущество натрия».

Ионный натрий вряд ли вытеснит литий-ионный в приложениях, где приоритетом является высокая производительность, и будет использоваться для стационарных накопителей и микроэлектромобилей. Аналитики S&P Global ожидают, что к 2030 году литий-ион будет занимать 80 % рынка батарей, причем 90 % этих устройств будут основаны на LFP. Ионный натрий может занять 10 % рынка.

Правильный выбор

Исследователи рассматривают ионный натрий с середины XX века, и последние разработки включают в себя улучшение емкости и срока службы устройств, а также новые материалы анода и катода. Ионы натрия более объемные, чем литиевые аналоги, поэтому натриевые элементы имеют более низкое напряжение, а также более низкую гравиметрическую и объемную плотность энергии.

В настоящее время гравиметрическая плотность энергии ионов натрия составляет от 130 до 160 Вт-ч/кг, но в будущем ожидается, что она достигнет 200 Вт-ч/кг, что выше теоретического предела для LFP-устройств. Однако с точки зрения плотности энергии натриево-ионные батареи могут иметь плотность 1 кВт/кг, что выше, чем у никель-марганец-кобальтовых (NMC) — 340-420 Вт/кг и у LFP — 175-425 Вт/кг.

В то время как срок службы натриево-ионных устройств от 100 до 1000 циклов ниже, чем у LFP, индийский разработчик KPIT сообщил о сроке службы с сохранением 80% емкости в течение 6000 циклов — в зависимости от химии ячейки — сопоставимом с литий-ионными устройствами.

«В натриево-ионных батареях до сих пор нет единой химической технологии», — говорит Сиддики из IDTechEx. «В настоящее время ведется множество исследований и разработок, направленных на поиск идеального активного материала для анода и катода, который позволил бы выйти за рамки лабораторных исследований».

Ссылаясь на американскую научную организацию Underwriter Laboratories, занимающуюся вопросами безопасности, Сиддики добавил, что «до стандартизации UL для натриево-ионных элементов еще довольно долго, и это заставляет OEM-производителей сомневаться в целесообразности использования такой технологии».

Белое берлинское стекло, полианион и слоистый оксид — это кандидаты на катод, в которых используются более дешевые материалы, чем в литий-ионных аналогах. Первый, используемый компаниями Northvolt и CATL, широко доступен и дешев, но имеет относительно низкую объемную плотность энергии. Британская компания Faradion использует слоистый оксид, который обещает более высокую плотность энергии, но страдает от снижения емкости со временем. Французская компания Tiamat использует полианион, который более стабилен, но содержит токсичный ванадий.

«Большинство производителей элементов, планирующих выпуск натриево-ионных батарей, будут использовать технологию слоистых оксидных катодов», — говорит Хартли из Benchmark. «Фактически, 71% [ячеек] трубопровода — это слоистый оксид. Аналогично, 90,8% катодов для ионных натриевых аккумуляторов — это слоистый оксид».

В то время как катоды являются ключевым фактором стоимости для литий-ионных, анод — самый дорогой компонент в натриево-ионных батареях. Твердый углерод является стандартным выбором для анодов ионно-натриевых батарей, но производственные мощности отстают от производственных мощностей ионно-натриевых элементов, что приводит к росту цен. В последнее время твердые углеродные материалы получают из различных прекурсоров, таких как отходы животноводства, осадки сточных вод, глюкоза, целлюлоза, древесина, уголь и производные нефти. Синтетический графит, распространенный материал для анодов литий-ионных аккумуляторов, почти полностью зависит от двух последних прекурсоров. Твердый углерод с его развивающейся цепочкой поставок стоит дороже графита и представляет собой одно из ключевых препятствий в производстве натриевых ионных элементов.

Частично компенсируя более высокую стоимость, ионно-натриевые батареи лучше переносят перепады температур, особенно в условиях отрицательных температур. Они более безопасны, чем литий-ионные, поскольку могут разряжаться до нуля вольт, что снижает риск при транспортировке и утилизации. Литий-ионные батареи обычно хранятся с зарядом около 30 %. Ионно-натриевые батареи менее пожароопасны, поскольку их электролиты имеют более высокую температуру воспламенения — минимальную температуру, при которой химическое вещество может испариться и образовать с воздухом легковоспламеняющуюся смесь. Благодаря схожей структуре и принципам работы ионно-натриевые аккумуляторы можно часто использовать в производственных линиях и оборудовании для литий-ионных аккумуляторов.
Так, ведущий мировой производитель аккумуляторов CATL интегрирует ион натрия в свою литий-ионную инфраструктуру и продукцию. Ее первая натрий-ионная батарея, выпущенная в 2021 году, имела плотность энергии 160 Вт-ч/кг, а в будущем обещают 200 Вт-ч/кг. В 2023 году CATL заявила, что китайский автопроизводитель Chery станет первым, кто будет использовать ее натриево-ионные батареи. В конце 2023 года CATL сообщила журналу pv, что разработала базовую промышленную цепочку для производства натриево-ионных батарей и наладила массовое производство. Масштабы производства и объемы поставок будут зависеть от реализации проектов клиентов, заявила CATL, добавив, что для широкомасштабного коммерческого внедрения ионно-натриевых батарей необходимо еще многое сделать. «Мы надеемся, что вся отрасль будет работать вместе, чтобы способствовать развитию натриево-ионных батарей», — сказал производитель батарей.

Зарядка для натрия

В январе 2024 года крупнейший китайский автопроизводитель и второй по величине поставщик батарей, компания BYD, заявила о начале строительства завода по производству натриево-ионных батарей стоимостью 10 млрд китайских юаней (1,4 млрд долларов) и мощностью 30 ГВт-ч в год. Продукция будет использоваться для питания устройств «микромобильности». Компания HiNa, созданная при Китайской академии наук, в декабре 2022 года ввела в эксплуатацию линию по производству натриево-ионных батарей мощностью гигаватт-час и объявила о выпуске линейки натриево-ионных батарей и прототипа электромобиля.

Европейский производитель батарей Northvolt в ноябре 2023 года представил элементы натриево-ионных батарей с валидацией 160 Вт-ч/кг. Технология, разработанная совместно с компанией Altris — подразделением Уппсальского университета в Швеции, — будет использоваться в накопителях энергии следующего поколения. Текущее предложение Northvolt основано на химии NMC. На презентации Вильгельм Лёвенхиельм, старший директор Northvolt по развитию бизнеса в области систем хранения энергии, сказал, что компания хочет создать батарею, которая будет конкурентоспособна с LFP в масштабе. «Ожидается, что со временем эта технология значительно превзойдет LFP по конкурентоспособности по стоимости», — сказал он.

Northvolt хочет получить батарею «plug-and-play» для быстрого выхода на рынок и расширения масштаба. «Ключевыми мероприятиями для вывода этой конкретной технологии на рынок является расширение цепочки поставок материалов для батарей, чем Northvolt сейчас занимается вместе с партнерами», — сказал Левенхиельм.

Более мелкие игроки также вносят свой вклад в коммерциализацию ионно-натриевой технологии. Компания Faradion, которую в 2021 году приобрел индийский конгломерат Reliance Industries, заявляет, что сейчас она передает свою разработку ячеек нового поколения в производство. «Мы разработали новую технологию ячеек и их площадь, на 20 % повысив плотность энергии, и на треть увеличив продолжительность цикла по сравнению с предыдущей конструкцией ячеек», — заявил главный исполнительный директор Faradion Джеймс Куинн.

Ячейки первого поколения компании продемонстрировали плотность энергии 160 Вт-ч/кг. В 2022 году, по словам Куинна, Reliance планировала построить в Индии завод по производству ионов натрия мощностью в два гигаватта. На данный момент, похоже, эти планы остаются в силе. В августе 2023 года председатель совета директоров Reliance Мукеш Амбани заявил на ежегодном собрании акционеров компании, что бизнес «сосредоточен на ускоренной коммерциализации нашей технологии натриево-ионных батарей… Мы будем развивать наше технологическое лидерство путем промышленного производства натриево-ионных элементов на уровне мегаватт к 2025 году и быстрого наращивания до гигамасштабов впоследствии», — сказал он.

Производство

Стартап Tiamat продвинулся в реализации своих планов по началу строительства завода по производству 5 ГВт-ч во французском регионе Верхняя Франция. В январе 2024 года она привлекла 30 миллионов евро (32,4 миллиона долларов) в виде акционерного и долгового финансирования и заявила, что рассчитывает завершить финансирование своего промышленного проекта в ближайшие месяцы, доведя общую сумму финансирования до 150 миллионов евро. Компания, являющаяся подразделением Национального центра научных исследований Франции, первоначально будет производить на своем заводе ионно-натриевые элементы для электроинструментов и стационарных накопителей, «чтобы выполнить первые заказы, которые уже были получены». В дальнейшем планируется расширить производство продукции второго поколения для аккумуляторных электромобилей.

В Соединенных Штатах игроки отрасли также наращивают усилия по коммерциализации. В январе 2024 года компания Acculon Energy объявила о серийном производстве модулей и блоков натриево-ионных батарей для мобильных и стационарных систем хранения энергии и представила планы по наращиванию производства до 2 ГВт-ч к середине 2024 года. В то же время компания Natron Energy, подразделение Стэнфордского университета, планировала начать серийное производство своих натриево-ионных батарей в 2023 году. Ее целью было производство 600 МВт натрий-ионных элементов на заводе по производству литий-ионных аккумуляторов Meadowbrook компании Clarios International в Мичигане. Однако информация о прогрессе была ограничена.

Финансирование

В октябре 2023 года появилась компания Peak Energy с финансированием в размере 10 миллионов долларов и командой менеджеров, состоящей из бывших руководителей Northvolt, Enovix, Tesla и SunPower. Компания заявила, что вначале будет импортировать аккумуляторные элементы, и ожидалось, что ситуация изменится только к началу 2028 года. «Для создания небольшой гигаваттной фабрики вам потребуется около миллиарда долларов — не более 10 ГВт», — сказал на презентации генеральный директор Peak Energy Лэндон Моссбург. «Поэтому самый быстрый способ выйти на рынок — это построить систему с ячейками, доступными от третьей стороны, а Китай — единственное место, где есть мощности для поставки достаточного количества ячеек». В конечном итоге компания надеется получить право на получение кредитов на внутреннее содержание в соответствии с Законом США о сокращении инфляции.

Некоторые поставщики, такие как индийская компания KPIT, вышли на рынок без каких-либо производственных планов. Компания, занимающаяся разработкой программного обеспечения и инженерных решений для автомобильной промышленности, представила свою технологию натрий-ионных батарей в декабре 2023 года и приступила к поиску партнеров по производству. Рави Пандит, председатель KPIT, сообщил, что компания разработала несколько вариантов с плотностью энергии от 100 Вт-ч/кг до 170 Вт-ч/кг, а в перспективе — до 220 Вт-ч/кг.

«Когда мы начали работу над натрий-ионными батареями, первоначальные ожидания по плотности энергии были довольно низкими», — сказал он. «Но в течение последних восьми лет плотность энергии росла благодаря разработкам, которые вели мы и другие компании». Другие компании ищут партнеров по поставкам. В прошлом году финская технологическая группа Wärtsilä — один из ведущих мировых интеграторов систем хранения энергии в аккумуляторах — заявила, что ищет потенциальные партнерства или приобретения в этой области. В то время она уже начала тестировать технологию в своих исследовательских центрах. «Наша команда по-прежнему стремится к поиску новых возможностей в плане диверсификации технологий хранения энергии, таких как включение натриево-ионных батарей в наши будущие стационарные решения по хранению энергии», — заявила Эми Лю, директор по разработке стратегических решений Wärtsilä Energy Storage and Optimization, в феврале 2024 года.

Возможность перевода на периферию

После многочисленных анонсов массового производства натриево-ионные аккумуляторы находятся на этапе становления, и интерес инвесторов определит дальнейшую судьбу технологии. Анализ рынка, проведенный IDTechEx в ноябре 2023 года, предполагает, что к 2030 году ожидаемый рост составит не менее 40 ГВт-ч, а к 2025 году успех рынка будет зависеть от дополнительных 100 ГВт-ч производственных мощностей.

«Эти прогнозы предполагают грядущий бум в отрасли [натриево-ионных батарей], который зависит от коммерческих обязательств в течение ближайших нескольких лет», — говорит Сиддики.

Ионно-натриевые батареи могли бы предоставить еще одну возможность для создания цепочек поставок экологически чистой энергии вблизи берега, поскольку необходимое сырье так легко доступно по всему миру». Однако, похоже, поезд уже ушел со станции.

«Как и на ранних стадиях развития рынка литий-ионных батарей, основным узким местом для мировой индустрии будет доминирование Китая», — говорит Хартли из Benchmark. «По состоянию на 2023 год 99,4% мощностей по производству натриево-ионных элементов находилось в Китае, и, согласно прогнозам, к 2030 году этот показатель снизится до 90,6%. Как политика в Европе и Северной Америке стремится перенести цепочки поставок литий-ионных батарей из Китая из-за зависимости от внутреннего производства, так и на рынке ионных натриевых элементов потребуются изменения, чтобы создать локализованные цепочки поставок».