Батерии на натриево-йон срещу твърдо състояние, които ще заменят литиево-йонното

Възходът на възобновяемата енергия (RE) и бързият растеж на електрическите превозни средства повишиха очакванията за индустрията за съхранение на енергия - включително по -висока ефективност, по -голяма безопасност, повишена енергийна плътност и в идеалния случай, по -ниски разходи. Батериите на натриево-йони и твърдо състояние имат за цел да предлагат алтернативни решения. Всеки има свои предимства и потенциално би могъл да замени съществуващите технологии за съхранение на литиево-йони през следващите години.

В тази статия ние изследваме защо литиево -йонните батерии могат да бъдат изложени на риск да бъдат прекратени - дори ако този риск все още изглежда минимален днес. Ние се фокусираме върху две нововъзникващи технологии с най-силен потенциал за доминиране на бъдещето на съхранението на енергия: натриево-йонни батерии и батерии от твърдо състояние.

Понастоящем литиево-йонните батерии доминират в сектора за съхранение на енергия и се очаква да поддържат тази позиция в средносрочен план. От преносими устройства до мащабни проекти за възобновяема енергия + съхранение, литиево-йонната технология е водеща на всички основни тенденции.

Според неотдавнашен доклад пазарът на литиево-йонни батерии бързо се разширява поради нарастващото търсене в множество индустрии. Предполага се, че ще нарасне от 41,9 милиарда щатски долара през 2024 г. до над 120 милиарда щатски долара до 2029 г., със сложен годишен темп на растеж (CAGR) от приблизително 23,6%.

Днес пазарът на литиево-йонни батерии се ръководи от големи играчи като Tesla, Panasonic, LG Chem, CATL и BYD. По -специално, последните две китайски компании постигнаха значителен напредък през последните две години.

Докато нарастването на електрическите превозни средства е основен двигател на този растеж,Стационарно съхранение на енергияОчаква се пазарът да генерира още по -голямо търсене през следващите години.

Добре известно е, че литиево-йонните батерии разчитат силно на критични минерали като литий, а често също кобалт и никел. Ограниченията на предлагането доведоха до значителна променливост на цените. Например, цената на литиевия карбонат от батерията се колебае от около 5,8 USD на килограм до 80 USD през последните години. Тази нестабилност и недостиг увеличиха разходите за литиево-йонни батерии и представляват дългосрочен риск от доставките.

Един спешен проблем е липсата на стабилна литийска верига за доставки на големи пазари извън Китай. Например, около 77% от графита, използван в литиево-йонните батерии, се получава от Китай. Това подчертава тежката зависимост от китайската доставка в ера на глобалното търговско напрежение и подчертава значението на диверсификацията на доставките.

Рисковете за безопасност, като пожари на батерията в електрически превозни средства, причинени от термично бягство, добавят още един слой проблем.

Тези фактори проправят пътя за ново поколение технологии за съхранение на енергия. Докато компаниите извън Китай активно търсят алтернативи, които не разчитат на литий, лидерите на китайския пазар също са наясно, че тяхното господство може да бъде изложено на риск. Всъщност много от тях вече са преминали бързо в натриево-йони и разработване на батерии от твърдо състояние, за да се уверят, че остават пред кривата.

Твърдо състояние батерии (SSB) заменят течните електролити, използвани в литиево-йонни батерии с плътни електролити-като керамика, стъкло или твърди полимери. Елиминирайки обемния графитен анод и използвайки плътни твърди материали, SSB могат да съхраняват значително повече енергия в същия обем, като потенциално разширяват обхвата на електрическите превозни средства (EVs) с широк марж.

Няколко ключови играчи в индустрията вече са разпознали трансформативния потенциал на тази технология. Например, през 2024 г. Quantumscape разкри своята прототип на твърдо състояние на батерия (QSE -5) с енергийна плътност 844 WH/L-значително по-висока от 300–700 WH/L, типична за търговските литиево-йонни батерии. Компанията планира да достави първите си търговски клетки 100+ (QSE -5) през 2025 г. Тази енергийна плътност е приблизително 1,5 пъти по-голяма от тази на най-добрите литиево-йонни клетки, което може да се превърне в 20–50% увеличение на диапазона на шофиране, без да увеличава размера на батерията или теглото.

Китайският батерия, CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.) също значително увеличи инвестициите си в развитието на SSB, разширявайки специализирания си екип за научноизследователска и развойна дейност до над 1, 000 хора. CATL е насочен към дребномащабното производство на батерии с всеобхватна държава до 2027 г.

Toyota обяви времева линия за комерсиализация за пътнически EVs, оборудвани със стабилни батерии между 2027 и 2028 г. Компанията твърди, че тази иновация може да увеличи диапазона на шофиране с до 20%. През 2023 г. Solid Power доставя BMW с A-проба клетки за използване в своята програма за демони превозни средства. Други големи лидери в индустрията - включително Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW и Toyota - също направиха стратегически инвестиции в солидното пространство на батерията.

Отвъд увеличения обхват, батериите с твърдо състояние също демонстрират превъзходни възможности за бързо зареждане. Благодарение на отличната термична стабилност и йонната проводимост, SSB могат да поддържат ултра бързи скорости на зареждане, без да повредят клетките. Toyota, например, очаква неговата технология на батерията с твърдо състояние да даде възможност за 300 км обхват само за 15 минути-два до три пъти по-бързо от текущите скорости за бързо зареждане на повечето литиево-йонни EV, които обикновено отнемат около 30 минути, за да зареждат от 10% до 80%.

Използването на твърди електролити, които са незапалими, елиминира един от ключовите рискове за безопасност на традиционните клетки на батерията. Твърдите керамични или стъклени електролити не се запалват и могат да работят в по -широк температурен диапазон. Те също така остават стабилни при по -високи напрежения, като позволяват използването на катодни материали с голям капацитет и потискане на растежа на литиевия дендрит - като по този начин подобряват както живота на цикъла, така и безопасността.

Освен това, SSBs може да бъде по -лесен за рециклиране поради техния по -опростен дизайн - без нужда от сложни смеси и свързващи смеси - и да се избегне използването на проблемни добавки и лепила.

С толкова много предимства може да се предположи, че батериите с твърдо състояние лесно и бързо ще заменят литиево-йонните батерии. Ако обаче не е затяхната висока цена, SSB може би вече са поели.

Цената остава най -значимата бариера за широкото приемане. BMW Group, например, призна това предизвикателство. Въпреки че се очаква компанията да разкрие прототипно превозно средство, оборудвано с батерии от твърдо състояние по-късно тази година, тя заяви, че търговското изстрелване на електрически превозни средства, работещи със SSB, е малко вероятно в рамките на следващото десетилетие.

Китайският производител на батерии Sunwoda прецени, че батериите от твърдо състояние могат да струват наоколо275 долара на kwh, приблизително наравно с батерии с полу-твърди състояния. ПорадиВисоки разходи за обработка на материалииниски производствени добиви, действителната цена може да бъде значително по -висока на практика.

Докато тези предизвикателства не бъдат разгледани - особено при мащабиране на производството и намаляване на материалите - вероятно батериите от твърдо състояние вероятно ще останат в сегмента на ранния етап или премиум на пазара, вместо да постигнат широко разпространено търговско внедряване.

За сравнение, към декември 2024 г. средната цена на литиево-йонните батерии в Китай е спаднала до$ 94 на kWh. Цените в САЩ и Европа остават30% до 50% по -високо, но все пак значителнопо-ниски от тези на батерии от твърдо състояние.

Като такива,Цената остава основно препятствиече привържениците на технологията на батерията в твърдо състояние трябва да преодолеят, за да се наруши истински пазарът за съхранение на енергия. В това отношение,Натриево-йонни и литиево-йонни батерии са далеч напредна батерии с твърдо състояние.

Други критични предизвикателства включватМащабиране на производството, особено вМасово производство на керамични електролитиинадежден сборна твърдо състояние клетки. Управление наинтерфейс между твърди електролити и електродисъщо е проблем, тъй като може да доведе до висока междуфазна резистентност или напукване през множество цикли на заряд-и двата от които възпрепятстват пълномащабната комерсиализация.

Освен това, осигуряванеиздръжливост при условия на стрес в реалния свят, като вибрации, температурни колебания и бързо зареждане, остава едно от най -належащите технически препятствия.

Твърдо състояние батериите се подобряват при литиево-йонната технология, като променят електролита и увеличават енергийната плътност, но високата им цена остава основно предизвикателство. За разлика от тях, натриево-йонните (Na-йонни) батерии са изправени пред обратния брой. Опитвайки се да замени елементите, използвани в литиево-йонните батерии с по-често срещани материали, цената на натриево-йонните батерии може значително да спадне, но те са изправени пред предизвикателства по отношение на енергийната плътност.

Натриево -йонните батерии работят по почти по същия начин като литиево -йонните батерии - йони совал между катода и анода - но те използват натриеви йони вместо литиеви йони. Тази промяна променя всичко, отлекота на извличане на суровинидодостъпност- Което е един от ключовите фактори, които ще определят бъдещата технология на основната батерия.

Ниската цена на натриево-йонните батерии означава, че до 2030 г. те ще отчитатПо -малко от 10% от батериите на електрическите превозни средства, но техният дял всъхранение на енергияОчаква се приложенията да се увеличат значително. Използват натриево-йонни батериипо -евтини материалии не изискват литий, което означава, че техните производствени разходи могат да бъдат30% по -ниски от този на литиевия железен фосфат (LFP)батерии.

Най-голямата привлекателност на натриево-йонната технология се крие в способността му да се възползваизобилни и евтини материалида замени по -оскъдни. Натриевите резерви в земната кора са1, 000 пъти по -голямотколкото тези на литий. Натрий може дори да се извлече евтино отсравнително неизчерпаема морска вода.

Благодарение на иновациите в полето, батериите на натриево-йони (Na-йон) вече са постигнали енергийна плътност наоколо130-160 wh/kg, което е околодве третитази на типичните батерии с литиево-йонни NMC (никел манганов кобалт). Те обаче вече са достигнали или дори надминали енергийната плътност набатерии с олово-киселинаи се приближават до това налитиев железен фосфат (LFP)батерии.

Експертите твърдят, че следващото поколение натриево-йонни батерии ще постигнеНад 200 wh/kg, потенциално надминавайки ограничението на теоретичната енергийна плътност наLFP батерии. Типичният живот на натриево-йонните батерии варира от100 до 1, 000 циклии индийски разработчик KPIT твърди, че батериите му поддържат80% задържане на капацитет след 6, 000 цикли, сравнимо с производителността на литиево-йонната батерия.

Натриево-йонни батерии също се отличаватМощност и ниска температура. Някои дизайни са способниОколо 1 kW/kg плътност на мощността, което далеч надхвърля това налитиево-йонни NMC или LFP батерии. Освен това натриево-йонните батерии показватМинимално влошаване на производителносттапри температури толкова ниски, колкото-20 степен, докато литиево-йонните батерии се борят да поддържат заряд или ефективно да се зареждат бързо при такива студени условия.

Натриево-йонни батерии също могат да бъдатнапълно освободен до 0 vбез да причинява щети, правейки ги изключително безопасни затранспорт и съхранение. Поради по-ниското генериране на топлина и използването на незапалими материали в много дизайни, натриево-йонните батерии също демонстриратпревъзходна топлинна стабилност. Всъщностриск от пожарна натриево-йонни батерии се очаква да бъдезначително по -нискоотколкото тази на литиево-йонните батерии, подобряванебезопасноств приложения като електрически превозни средства и съхранение на мрежата.

Тези функции правят натриево-йонните батерии привлекателен вариант, дори за литиево-йонни лидери на батерии в Китай. Миналата година първата мащабна станция за съхранение на енергия на натриево-йонни батерии започна операции-a10 MWH натриево-йонно съоръжение за съхранение на батерии, част от проект от 100 MWh. Това съоръжение, построено от Китайската електроенергийна мрежа, използва210 AH натриево-йонни клеткии има някои впечатляващи данни: батерията може да бъдетаксуван до 90% само за 12 минути.

Глобален гигант за производство на батерииСъвременна Amperex Technology Co. Limited (CATL)Явно е нетърпелив да изследва потенциала на натриево-йонните батерии. Например, той интегрира натриево-йонни батерии в негоЛитиево-йонна батерия инфраструктура и продукти. Компанията разкри това в2023, Китайски автомобилен производителCheryстана първата компания, която използва натриево-йонните батерии на CATL.

ВЯнуари 2024 г., най -големият автомобилен производител в Централна Азия и един от най -големите доставчици на батерии,Byd, обявени планове за изграждане на a1,4 милиарда доларафабрика за натриево-йонни батерии с годишен производствен капацитет на30 GWh.

Европейските компании също изследват тази технология. Сега производителят на батериятаNorthvoltстартира a160 WH/kg натриево-йонна батерияПрез ноември 2023 г., който беше проверен за изпълнение. Във Великобритания,Фарадионе пионер в технологията на натриево-йонната батерия повече от десетилетие. Придобити от ИндияReliance IndustriesПрез 2021 г. Фарадион разработва a160 WH/kg батерияи сега разгръща подобрена версия, която може да се похвали20% по -висока енергийна плътности30% по -дълъг цикъл живот. Reliance Industries също обяви планове за изграждане на aфабрика за батерия с много GWH натриево-йонив Индия, като производството вероятно ще започне през2025.

Тези разработки силно показват, че натриево-йонните батерии са настроени да се превърнат в технология, способна да оспори доминирането на литиево-йонните батерии.

Докато се появяват батерии технологии -натриево-йонни батериииБатерии с твърдо състояние- Покажете обещаващ потенциал, е трудно да се предвиди кое в крайна сметка ще доминира. Като се имат предвид съответните им предимства, и двете технологии могат да играят решаваща роля за напредъкчиста енергияиЧист транспортВ бъдеще.

Ако разходите за батерията на твърдото състояние намаляват - потенциално падане от тока$ 150+/kwhза литиево-йонни батерии до около$ 80- $ 100/kwh- Батериите с твърдо състояние могат да доминират ввисокоефективни сегменти, като електрически превозни средства, в рамките на следващото десетилетие. Това е правдоподобен сценарий. TheМеждународна енергийна агенция (IEA)има оптимистичен поглед върхуРазходи за твърди батерии след -2030, подчертавайки, че твърдото състояние вероятно ще постигне търговска жизнеспособност.

От друга страна, натриево-йонните батерии са повечеКонкурентни на разходите, правейки ги подходящи заСъхранение на мрежатаиразвиващите се пазари, и се очаква да постигнат успех по -бързо. Много привърженици настояват за изграждането намащабни проектив следващиядве до три години. През 2024 г., TheПазарът на система за съхранение на енергия на батерията (BESS)израства44%, с достигане на инсталиран капацитет и разряд69 GW/161 GWH. По -специално от2030, Очаква се батериите да шофират90% от растежа на съхранениетода се срещнемNet-Zero Targets.

В резултат на това в бъдеще ще се появи редица технологии за батерии, ствърдо състояниеинатриево-йонни батериивероятно ще води пътя.