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. 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 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. 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. 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. 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 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 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, что в долгосрочной перспективе натрий-ионные батареи будут дешевле 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 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, достигнет 140 гигаватт-часов к 2030 году — это в 13 раз больше нынешнего объема. Производство литий-ионных батарей к тому времени утроится.