Натрій-іонні акумулятори: Майбутнє енергозбереження чи лише гучна новина?

Наближений вигляд елемента батареї, розташованого на шасі електромобіля. (Джерело зображення: Comezora через Getty Images)
• З моменту свого запуску на початку 1990-х років, технологія Li-ion стала стандартом завдяки високій щільності енергії, легкій конструкції та здатності забезпечувати високу напругу за запитом як для гаджетів, так і для транспортних засобів. Проте, науковці активно працюють над конкурентом, який може витіснити Li-ion з певних ніш. Натрій-іонні (Na-ion) акумулятори, відомі також як NIBs, — це нова технологія, що зберігає заряджені іони натрію в електродах, на відміну від іонів літію в Li-ion батареях. Цей напрямок досліджень особливо актуальний, оскільки він обіцяє забезпечити доступність акумуляторів. Натрій значно легше добути та виробляти, ніж літій — мінерал, що зустрічається лише в обмежених родовищах по всьому світу. Крім того, Na-ion акумулятори мають вбудовані переваги безпеки, що робить їх більш привабливими для масштабних стаціонарних енергетичних систем, як стверджують дослідники.

Na-ion проти Li-ion: Які переваги?

Головною перевагою Na-ion акумуляторів є їхня нижча вартість, простіша технологія виробництва та екологічність, зумовлені надзвичайною доступністю натрію. “Зокрема, натрій дешевше, його більше, і він менш географічно сконцентрований, ніж літій”, — пояснює Дастін Бауер, партнер у фірмі з інтелектуальної власності Reddie & Grose, який має докторський ступінь у сфері синтезу, складу та використання Na-ion та Li-ion акумуляторів. Через робочу напругу Li-ion батарей, для негативного струмознімача необхідно використовувати мідь. Однак, мідь дорожча і важча за алюміній. Кармен М. Лопес, провідна наукова співробітниця групи електрохімії Національної фізичної лабораторії (NPL), зазначає: “Враховуючи, що глобальні ланцюжки постачання в останнє десятиліття показали свої слабкі місця, а кліматичні цілі вимагають масового переходу на електрифіковані мережі та транспорт, де це можливо, існує явна перевага у використанні акумуляторів, які не покладаються на важкодоступні критичні мінерали”. “Для порівняння, натрій є шостим найпоширенішим елементом на Землі з природною концентрацією 2360 мг/л, тоді як літій, займаючи 32 місце, має концентрацію 20 мг/л”, — додає Кармен М. Лопес. Після налагодження виробничих ланцюжків для Na-ion акумуляторів у великих масштабах, вони можуть суттєво знизити вартість порівняно з Li-ion, наситивши світовий ринок доступнішими рішеннями для зберігання енергії. Наприклад, CATL, найбільший виробник акумуляторів у світі, нещодавно розпочав комерційне виробництво Na-ion акумуляторів для важкої техніки. Окрім кремнію, що використовується для катода в акумуляторі, хімія Na-ion батарей дозволяє уникнути використання інших дорогих компонентів. “Через робочу напругу батарей, Li-ion потребує використання міді для негативного струмознімача, але мідь дорожча і важча за алюміній”, — зауважує Лопес. Вона також додає, що Na-ion акумулятори мають потенціал замінити органічні електроліти, які використовуються як провідне середовище для іонів у Li-ion батареях, на водні електроліти. Це зробить виробництво акумуляторів ще більш екологічним та дешевшим. Хімія акумуляторів також лежить в основі заяв про безпеку Na-ion батарей. Термічний розгін — екзотермічна ланцюгова реакція, яка може виникнути всередині елементів батареї та призвести до займання — менш імовірна в Na-ion акумуляторі, ніж у Li-ion. Це пов’язано з тим, що іони натрію більші за іони літію, і, відповідно, мають більший “коефіцієнт тертя”. В результаті, у разі пошкодження, яке може призвести до термічного розгону, вони рухаються до точки удару зі швидкістю, яка навряд чи викличе різке підвищення температури. Іони літію, навпаки, можуть рухатися швидко, спричиняючи перегрів, виділення кисню та займання.

Інфрачервоне зображення, що демонструє перегрів літій-іонного акумулятора. (Джерело зображення: Donal Finegan, UCL) Нарешті, Na-ion акумулятори пропонують покращену стійкість до температур порівняно з Li-ion, завдяки низькій леткості та зниженій в’язкості електроліту. Це означає, що деградація продуктивності при низьких температурах, пов’язана з нижчою щільністю заряду іонів натрію порівняно з літієвими, практично відсутня, оскільки іони продовжують вільно рухатися навіть за низьких температур. У нещодавньому дослідженні, опублікованому 12 грудня в журналі Chinese Chemical Letters, вчені з Університету Хунань та Центрально-Південного університету виявили, що Li-ion акумулятори можуть зберігати лише 20% своєї енергетичної ємності при кімнатній температурі, коли їх тестують при -4 градусах за Фаренгейтом (-20 градусів за Цельсієм). Дослідники зазначили, що Na-ion акумулятори можуть демонструвати кращу продуктивність, за умови подальших випробувань.

Чи можуть Na-ion акумулятори бути корисними для електромобілів?

Нижча вартість та підвищена безпека Na-ion акумуляторів роблять їх придатним кандидатом для електромобілів. Перш за все, у міру зростання популярності електромобілів — згідно з даними енергетичного аналітичного центру Ember, станом на 2025 рік 39 країн перевищили 10% частки продажів електромобілів — виникне потреба у більш стійких та масштабованих ланцюжках постачання акумуляторів для транспортних засобів. Після досягнення масштабованого виробництва Na-ion, воно може бути високо регіоналізованим, з фабриками у більшості регіонів світу, здатними видобувати або синтезувати твердий вуглець, що становить основу цих пристроїв. Крім того, зменшена ймовірність термічного розгону в Na-ion акумуляторах може підвищити безпеку акумуляторів електромобілів, які, за даними National Car Charging, наразі спалахують приблизно з такою ж частотою, як бензинові та дизельні двигуни. Однак, жодна технологія не є досконалою, і навряд чи ми побачимо, як Na-ion акумулятори повністю замінять Li-ion в найближчому майбутньому. Це тому, що недоліки Na-ion роблять їх більш ситуативною альтернативою літієвим батареям, які ми так добре знаємо. Перш за все, Na-ion акумулятори мають нижчу щільність енергії, ніж Li-ion. Це відбувається з тієї ж причини, що й їхня нижча в’язкість — іони натрію просто більші за іони літію, що обмежує загальний рух в електроліті Na-ion акумулятора та, відповідно, потужність. Маса натрію також утричі більша за масу літію, за даними Американського фізичного товариства, що означає менший заряд, який утримується на грам Na-ion акумулятора. На практиці це означає, що Na-ion акумулятори не можуть конкурувати з Li-ion за обсягом накопиченої енергії. Ті ж дані Американського фізичного товариства наводять середню щільність енергії Li-ion акумуляторів у діапазоні 100-300 Вт·год/кг. Натомість, перше покоління Na-ion акумуляторів від CATL досягло показника лише 160 Вт·год/кг.

Інтер’єр електромобіля, що демонструє акумулятор. (Джерело зображення: Getty Images/xia yuan) Природно нижча щільність енергії Na-ion акумуляторів порівняно з Li-ion є серйозною перешкодою для їх використання в електромобілях, незважаючи на потенційні переваги в безпеці. Бауер описав проблему щільності енергії як “головний і, можливо, вирішальний” недолік Na-ion акумуляторів, і зрозуміло, що дослідники докладають максимум зусиль для подолання цієї проблеми. “У спільноті виробників акумуляторів точаться активні дискусії щодо цього”, — каже Лопес Live Science. “Через обмеження потужності та щільності енергії, для живлення типового електромобіля розмір і вага Na-ion акумуляторів, які знадобляться, зроблять їх непридатними для встановлення на борту. Найкращий шанс у транспорті — це інфраструктура повільної зарядки та/або надкомпактні транспортні засоби для коротких відстаней”. Лопес додає, що недоліки нижчої щільності енергії Na-ion не вдається повністю компенсувати їхньою нижчою вартістю та вагою завдяки простішій конструкції з меншою кількістю міді. Тож наразі економіка деяких Na-ion акумуляторів просто не збігається. Все це означає, що на даний момент Na-ion акумулятори більше підходять для стаціонарних систем, і, отже, не є першим вибором для акумуляторів електромобілів. Але це аж ніяк не нішевий ринок.

Зберігання енергії для мережі

Дійсно, одним з найперспективніших застосувань Na-ion акумуляторів, підтвердженим експертами, з якими спілкувалися LiveScience, є великомасштабне зберігання енергії для енергетичних мереж, таке як системи накопичення енергії (BESS). Ці величезні масиви акумуляторів стають все більш важливими для стабільності національних та регіональних мереж, зокрема для зберігання енергії з нестабільних відновлюваних джерел, таких як сонячні та вітрові електростанції, для подальшого використання.

Зберігання масивів акумуляторів може бути складним для таких застосувань, як електромобілі. (Джерело зображення: Andriy Onufriyenko/Getty Images) Наприклад, британський парламент розглянув ризик термічного розгону для великомасштабних BESS, посилаючись на приклади пожеж на об’єктах BESS, пов’язаних з цим процесом, як у Ліверпулі, так і в Ессексі. Однак, навіть з урахуванням нижчої початкової вартості Na-ion, щільність енергії залишається недоліком цієї технології, коли йдеться про зберігання енергії. Наприклад, система MC Cube-SIB ESS від BYD, гігантського виробника електромобілів та акумуляторів, у своїй 20-футовій конфігурації забезпечує ємність зберігання енергії лише 2,3 МВт·год, як повідомляє Energy Storage News. Це порівнюється з приблизно 6,4 МВт·год для аналогічної пропозиції BYD на Li-ion. Бауер вказав на Baochi Storage Station в Юньнані як на приклад використання як Li-ion, так і Na-ion для зберігання відновлюваної енергії у великих масштабах. Деякі з основних переваг цього підходу включають швидше розрядження акумуляторів — у шість разів швидше, ніж у сучасних моделях, за даними Global Times — та кращу стійкість у різних погодних умовах (від -4 до 113 градусів за Фаренгейтом (-20 до 45 градусів за Цельсієм)).

Коли Na-ion акумулятори стануть комерційно доступними?

Хоча дослідження Na-ion тривають, і нові досягнення допомагають покращити щільність енергії Na-ion акумуляторів, це зріла галузь досліджень з величезним комерційним потенціалом. Насправді, ми вже бачимо виробників, які випускають продукти на базі Na-ion акумуляторів.
• Винахід нового електродвигуна для електромобілів може зменшити вагу майбутніх автомобілів на 1000 фунтів, зробивши їх значно легшими та збільшивши запас ходу.
• Toyota запустить перший у світі електромобіль з твердотільною батареєю до 2027 року — очікується, що вони прослужать довше і заряджатимуться швидше.
• Нова воднева батарея може працювати в чотири рази холодніше, ніж раніше — що означає щільніші та довговічніші акумулятори для електромобілів. “Комерційне виробництво вже відбувається, і потужності для масового виробництва надходять”, — каже Бауер. “CATL, найбільший у світі виробник Li-ion акумуляторів, у 2025 році представив Naxtra NIB для пасажирських електромобілів з щільністю енергії 175 Вт·год/кг, і Freevoy, гібридний іонний акумулятор (змішаний NIB та LFP Li-ion). Нещодавно CATL представила Tianxing II, “масове виробництво” NIB для легких комерційних транспортних засобів”. Незважаючи на це, Лопес застерігає, що ще належить провести більше випробувань Na-ion акумуляторів у реальних умовах: “Наприклад, чи буде більш бажаним і практичним розгортати ці батареї в міських або віддалених районах? Як ми адаптуємо їх до існуючої електричної інфраструктури? Серед інших питань, які слід розглянути”, — сказала вона. — Порада від Business News: Ця новина є надзвичайно корисною для всіх, хто стежить за розвитком технологій зберігання енергії. Натрій-іонні акумулятори представляють собою перспективну альтернативу традиційним літій-іонним, обіцяючи зниження вартості, підвищення безпеки та кращу екологічність. Хоча вони поки не можуть повністю замінити Li-ion у всіх сферах, їхній потенціал для великомасштабних енергетичних систем та специфічних транспортних рішень є значним. Ознайомлення з цією інформацією допоможе вам краще зрозуміти майбутні тенденції в галузі енергетики та технологій.

Sourse: www.livescience.com