Сравнение натриевых и литиевых аккумуляторов

Сейчас литиевые аккумуляторы используются почти везде, так как у них наибольшая плотность энергии по сравнению с доступными на практике альтернативами. Однако в настоящее время появились ниши, где масса и объём менее критичны, а ключевыми факторами становятся стоимость, безопасность и низкотемпературная работоспособность.

Натриевые аккумуляторы потенциально обладают этими преимуществами по сравнению с литиевыми.

Также натрий гораздо более распространенный и дешевый элемент, что тоже имеет немалое значение.

Уровень развития технологии

Вот, что мне удалось найти, относительно серийного выпуска натриевых аккумуляторов:

1. ? CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Limited) (Китай) официально запустила бренд Naxtra — первую серию натрий-ионных аккумуляторов для разных применений, включая пассажирские автомобили и тяжёлую технику. Компания объявила о начале крупномасштабного производства Na-ion ячеек с конца 2025 и планирует их широкое внедрение в 2026 год (https://www.reuters.com/technology/chinese-battery-maker-catl-launches-second-generation-fast-charging-battery-2025-04-21/ ).

2. Американский стартап Peak Energy объявил контракт на поставку до 4.75 ГВт·ч натрий-ионных батарей на рынок систем хранения энергии (https://electrek.co/2025/11/12/peak-energy-500m-deal-will-deploy-the-worlds-largest-sodium-ion-battery-system/ ).

3. Компания UNIGRID Inc. (США), работающая с высокобезопасными Na-ion батареями, увеличила производственные мощности примерно в 10 раз до ~100 МВт·ч в год, и планирует дальнейшее масштабирование до 1 ГВт·ч в 2026 году (https://www.ess-news.com/2025/10/29/unigrid-scales-sodium-ion-battery-output-via-asian-contract-manufacturing/ )

4. HiNa Battery Technology (Китай) активно строит производственные мощности, включая крупный завод Na-ion батарей с фазой ~1 ГВт·ч и планами увеличения до ~5 ГВт·ч, включая материалы для анодов (https://eepower.com/news/make-way-for-sodium-china-puts-worlds-largest-sodium-ion-battery-production-facility-on-the-map/ ).

Таким образом, судя по новостям, внедрение натриевых аккумуляторов уже происходит и производственные мощности растут. Мне как патентному поверенному интересно посмотреть, какие компании стали инновационными лидерами в этой области, и какие задачи они решали и решают .

Анализ патентов

Существует несколько основных типов натриевых аккумуляторов:

1. Натрий-ионные (самая массовая технология).

2. Натриевые металлические.

3. Натрий серные (специфичны из-за высокой рабочей температуры в 300 градусов Цельсия).

4. Натрий-никель-хлоридные (тоже высокотемпературные).

5. Натрий-воздушные (технология далека от реализации в промышленности).

В исследовании я хотел охватить любые натриевые аккумуляторы, поэтому в сервисе Google Patents базовый запрос такой: https://patents.google.com/?q=TI%3d(batter*)&q=TI%3d(Sodium+OR+Na-ion). Поиск ограничен патентами, где натрий и батарея явно указаны в названии; поэтому материалы и компоненты могут быть недоучтены, а результаты следует интерпретировать как обзор трендов, а не полный ландшафт.

Когда я анализировал полученные по запросу патенты, то обнаружил, что было две волны интереса к исследуемой технологии: с 1970 до 2005 и с 2021 по наши дни, что показано на рисунках 1 и 2 (разбил графики на два, чтобы первая маленькая по амплитуде волна была лучше видна).

Несложно догадаться, что первая волна исследований не привела к созданию коммерчески доступного натриевого аккумулятора, а вот вторая привела к выходу на рынок готовых продуктов.

Из рисунка 2 видно, что мощный скачок в развитии технологии начался в 2021 году, при этом необходимо отметить, что данные за последние два года неполные, особенно за 2025 год, так как заявки публикуются с задержкой от даты подачи, поэтому нельзя говорить, что в последние года имеет место спад, вероятнее, рост продолжается, но не такой активный. Нельзя не отметить небольшой провал 2020 года, вероятно, ковидные ограничения приостановили исследования в области натриевых аккумуляторов (и не только их).

Посмотрим картину по заявителям (рисунок 3 таблица 1)

Таблица 1

И сразу посмотрим тепловую карту подачи заявок (рисунок 4).

Из рисунка 4 понятно, что японские гиганты Nippon и Hitachi раньше других увидели перспективу в натриевых аккумуляторах, но не смогли решить какие-то технологические проблемы и сдались в начале 2000-ых, а знамя через 15 лет подхватили китайские компании. Еще нельзя не отметить, что Hitachi штамповала заявки, но не доводила их до патента (в сервисе Google Patents данные о патентах могли не подтянуться, но я проверил две случайные заявки на сайте японского патентного ведомства, патенты действительно не выданы). Скорее всего, у Hitachi шло соревнование с Nippon, и эта компания старалась любые перспективные задумки сразу подать в патентное ведомство, но пока шло делопроизводство, оказывалось, что нет смысла доводить заявки до патента.

Поскольку интерес представляют те, кто достиг цели, а не проиграл в гонке, то дальше я буду рассматривать период с 2015 года, после которого исследования явно пошли в нужном направлении.

Посмотрим еще раз топ-20 заявителей и тепловую карту подачи заявок (рисунок 5, таблица 2), но только в наиболее интересном периоде: 2015-2025.

Таблица 2

Кроме китайских организаций в топе никого нет, что ожидаемо, так как именно Китай - безусловный лидер в этой области.

Обращает на себя внимание, что процент выдачи патентов у топ-5 подачи заявок довольно низок. У лидера подачи Central South University всего 62% выданных патентов, для вуза это мало, но еще более низкий процент выданных патентов у коммерческих компаний-лидеров (CATL, Liyang Zhongke Haina Technology, Shenzhen Jiana Energy Technology). Возможно, они пытаются защитить все разработки, которые имеют хоть какую-то коммерческую перспективу на ранней стадии исследований, чтобы это не сделали конкуренты, а потом забрасывают большую часть из них, но чтобы проверить этот вывод надо посмотреть тепловую карту подачи (рисунок 6).

Из тепловой карты видно, что первоначально натриевые аккумуляторы исследовались в вузах: Central South University и Shaanxi University of Science and Technology, но бум подачи заявок обеспечили в 2023 году коммерческие компании CATL, Liyang Zhongke Haina Technology Co., Ltd.,Shenzhen Jiana Energy Technology Co., Ltd. С учетом того, что основная масса заявок была подана после 2023 года и с учетом длительности делопроизводства в Китайском патентном ведомстве, скорее всего низкий процент выдачи связан с незавершенным делопроизводством, а не качеством и перспективностью заявок.

Как упомянуто в самом начале, CATL запустила линию по производству натриевых аккумуляторов. Haina Technology (Liyang Zhongke Haina Technology Co., Ltd.) также известная как HiNa Battery Technology Co., Ltd также уже производит натриевые аккумуляторы: https://www.zkhina.com/. А третий лидер среди коммерческих организаций Jiana Energy (Shenzhen Jiana Energy Technology Co., Ltd.), судя по доступной информации, сосредоточен на катодах, а не на аккумуляторах в целом. То есть лидеры патентования уже реализуют свои наработки на практике.

Интересно также посмотреть, соотношение заявителей-коммерческих компаний и всех остальных заявителей (в данном случае это ВУЗы, исследовательские институты и т.п.) (рисунок 7). Определение типа было выполнено автоматическими средствами, поэтому появилась категория “тип не определен”.

Из рисунка 7 видно, что большая часть заявок подана коммерческими компаниями, что однозначно говорит о мощном развития отрасли. Это естественный и правильный процесс, когда все начинается с вузов (см. рисунок 6), а затем их наработки воплощаются в промышленности коммерческими организациями. 

Чтобы понять ключевые технологии, необходимо более внимательно патентные портфели трех лидеров среди коммерческих компаний, так как они, судя по всему, достигли наибольшего технического прогресса в исследуемой области техники.

Анализ лидеров

Общее количество заявок CATL, Haina Technology, Jiana Energy около 500 штук, поэтому анализ будет в основном статистический.

Среди множества заявок не так много описывают ключевые технологии, часть заявок описывают то, что никогда не реализуется на практике, часть - детали, которые не представляют интерес для читателя, который не связан близко с натриевыми аккумуляторами (предполагаю для всех читающих эту статью).

Как правило, о ценности технического решения говорит то, что его стараются защитить не только в своей стране, но и за рубежом. Посмотрим, как с этим обстоят дела у рассматриваемых компаний (рисунок 8).

Как видно, из рисунка 8 бесспорным лидером подачи заявок вне Китая является CATL. Такая огромная разница между заявителями может говорить о том, что CATL ориентирован на использование своих разработок по всему миру, а Haina Technology и Jiana Energy - только на Китай.

Еще один параметр ценности заявок - количество цитирований этих заявок другими заявками, чем больше цитирований, тем ценнее для области техники заявка (см. рисунок 9). 

Здесь разница не такая огромная, как на рисунке 8, но с учетом общего количества заявок (см. таблицу 1), CATL явно лидирует по качеству технических решений.

Посмотрим, в какие страны подают свои заявки рассматриваемые компании (рисунки 10, 11, 12).

Как видно из рисунков 10-12, больше всего подается международных заявок (WO), что дает большой запас времени, чтобы перевести заявку почти в любую страну мира.  На втором месте США (US), что объясняется тем, что это первая экономика мира, и все компании с планами международной экспансии стараются получить патент в штатах. На третьем месте - Европейский союз, в котором активно используются зеленые технологии, для которых критически важны аккумуляторы. 

Посмотрим топ-3 заявки CATL, которые переведены в наибольшее количество стран (предполагаю, что они защищают наиболее ценные решения, поскольку компания не стала бы тратить десятки тысяч долларов на защиту решений, в которые не верит).

1. US12456736B2 - соответствующая китайская заявка подана в 2021 году, название “Натриевый металлический аккумулятор и электрохимический прибор”. Суть решения в конструктивных параметрах аккумулятора, которые повышают количество циклов заряда-разряда, то есть заявлено решение основной проблемы натриевых металлических аккумуляторов, которые обладают большей плотностью энергии по сравнению с натрий-ионными, но подвержены образованию дендритов.

2. US11196046B2 - соответствующая китайская заявка подана в 2019 году, название “Активный материал положительного электрода, способ его получения, натрий-ионный аккумулятор и устройство, содержащее его”. Суть решения в химической формуле положительного электрода: Na_0.67Mn_xA_yB_zO_2±δ. Полезный эффект решения - “улучшение характеристик активного материала положительного электрода, чтобы он обладал более высокой емкостью и средним напряжением, а также более высокой циклической стойкостью, тем самым создав натрий-ионный аккумулятор, который одновременно обладает высокой емкостью, средним напряжением и циклической стойкостью”.

3. US10818924B2 - соответствующая китайская заявка подана в 2017 году, название “Положительный электрод, способ его изготовления и натрий-ионный аккумулятор”. Суть решения в том, что активный материал положительного электрода включает аналог берлинской лазури, молекулярная формула которой — A_xM[M′(CN)₆]_y, где A — один или несколько элементов, выбранных из группы, состоящей из иона щелочного металла и иона щелочноземельного металла, M — переходный металл, M′ — переходный металл, 0<x≤2, 0<y<1. Полезный эффект - улучшение характеристик заряда и разряда.

Из вышеизложенного понятно, что в этих заявках защищены базовые компоненты аккумулятора - электроды. Необычно, что у CATL в топ-10 заявок по критерию перехода в другие страны (US12456736B2, US11196046B2, US10818924B2, US20250219144A1, US20250201822A1, US20250260072A1, US20250006927A1, US20250219145A1, US20250260008A1, US20250219149A1) раскрывается положительный электрод и электролит, но не описывается отрицательный электрод.

Среди топ-10 наиболее цитируемых заявок CATL (US20250260008A1, US20210336262A1, US20220037660A1, US20210359335A1, US10818924B2, US20220399536A1, US20220123303A1, US12456736B2, US11196046B2, US12438151B2) в основном встречаются решения, относящиеся к положительным электродам, но не отрицательным.

У двух оставшихся компаний переходы в другие страны единичные, зарубежные заявки  касаются изготовления отрицательного электрода (US11670774B2 - Haina Technology), изготовления положительного электрода (US20240228319A1 - Jiana Energy) и материала отрицательного электрода (KR20250142366A - Jiana Energy).

Таким образом, видно, что акценты развития технологий у CATL и двух других компаний-лидеров отличаются.

Выводы

До 2000-х технологию натриевых аккумуляторов пытались развивать японские компании Nippon и Hitachi, однако их попытки не привели к появлению производства таких аккумуляторов. С 2021 года начался активный рост подаваемых заявок, а на данный момент уже есть коммерчески доступные изделия.

Новый лидер в области производства натриевых аккумуляторов - Китай. Первоначально исследования начались в вузах, а затем (видимо, когда появилась реальная перспектива коммерциализации) включились коммерческие организации, доля которых в подаваемых заявках около 60%.

Среди лидеров подачи заявок выделяются CATL, Haina Technology, Jiana Energy. CATL активно защищает свои решения за рубежом, а две другие компании пока сосредоточены на внутреннем рынке. По количеству зарубежных заявок и уровню цитирований можно сделать вывод, что CATL является технологическим лидером. При этом самые цитируемые заявки и заявки, переведенные в наибольшее количество стран, не касаются отрицательного электрода. А наиболее ценные заявки Haina Technology, Jiana Energy касаются именно отрицательного электрода. Вероятно, это привело или приведет к сотрудничеству этих компаний для создания наиболее конкурентоспособного продукта.