Nátrium-ion vs szilárdtest akkumulátorok, akik helyettesítik a lítium-ionot

A megújuló energia (RE) növekedése és az elektromos járművek gyors növekedése növelte az energiatároló ágazatra vonatkozó elvárásokat - ideértve a nagyobb hatékonyságot, a nagyobb biztonságot, a megnövekedett energia sűrűségét és ideális esetben az alacsonyabb költségeket. A nátrium-ion és a szilárdtest akkumulátorok alternatív megoldásokat kínálnak. Mindegyiknek megvan a maga előnye, és potenciálisan helyettesítheti a meglévő lítium-ion tárolási technológiákat az elkövetkező években.

Ebben a cikkben azt vizsgáljuk, hogy miért lehet a lítium -ion akkumulátorok a fokozat megszüntetésének veszélye - még akkor is, ha ez a kockázat ma is minimálisnak tűnik. Két kialakuló technológiára összpontosítunk, amelyek a legerősebb potenciállal dominálnak az energiatárolás jövőjének: nátrium-ion akkumulátorok és szilárdtest akkumulátorok.

A lítium-ion akkumulátorok jelenleg uralják az energiatároló szektorot, és várhatóan középtávon tartják fenn ezt a pozíciót. A hordozható eszközöktől a nagyszabású megújuló energia + tárolási projektekig a lítium-ion technológia vezet az összes főbb tendencián.

Egy nemrégiben készült jelentés szerint a lítium-ion akkumulátor-anyagok piacán a több iparágban a növekvő kereslet miatt gyorsan növekszik. Az előrejelzések szerint 2024 -ben 41,9 milliárd USD -ről 2029 -re több mint 120 milliárd dollárra nőnek, az éves növekedési ráta (CAGR) körülbelül 23,6%.

Manapság a lítium-ion akkumulátor piacát olyan fő szereplők vezetik, mint a Tesla, a Panasonic, az LG Chem, a CATL és a BYD. Nevezetesen, az utóbbi két kínai vállalat jelentős előrelépést ért el az elmúlt két évben.

Míg az elektromos járművek emelkedése a növekedés egyik fő mozgatórugója, ahelyhez kötött energiatárolásA piac várhatóan még nagyobb keresletet fog generálni az elkövetkező években.

Közismert, hogy a lítium-ion akkumulátorok nagymértékben támaszkodnak a kritikus ásványi anyagokra, például a lítiumra, valamint a kobaltra és a nikkelre is. A kínálat korlátozásai jelentős áringadozást eredményeztek. Például az akkumulátor-minőségű lítium-karbonát költségei körülbelül 5,8 USD / kilogrammra ingadoztak az elmúlt években 80 USD-ig. Ez a volatilitás és szűkösség növelte a lítium-ion akkumulátorok költségeit, és hosszú távú ellátási kockázatot jelent.

Az egyik sürgős kérdés a robusztus lítium -ellátási lánc hiánya a Kínán kívüli nagyobb piacokon. Például a lítium-ion akkumulátorokban használt grafit kb. 77% -a Kínából származik. Ez kiemeli a kínai kínálattól való nagy függőséget a globális kereskedelmi feszültségek korszakában, és hangsúlyozza a kínálat diverzifikációjának fontosságát.

A biztonsági kockázatok, például az akkumulátor tüzei az elektromos járművekben, amelyeket a termikus kiszabadulás okozott, újabb aggodalomra ad okot.

Ezek a tényezők előkészítik az utat az energiatároló technológiák új generációjának. Míg a Kínán kívüli vállalatok aktívan keresnek alternatívákat, amelyek nem támaszkodnak a lítiumra, a kínai piacvezetők tisztában vannak azzal is, hogy dominanciájuk veszélyben van. Valójában sokan már gyorsan beköltöztek a nátrium-ion és a szilárdtest akkumulátor fejlődésébe, hogy biztosítsák a görbe előtt.

A szilárdtest akkumulátorok (SSB) cserélje ki a lítium-ion akkumulátorokban használt folyékony elektrolitokat szilárd elektrolitokkal-például kerámia, üveg vagy szilárd polimerek. A terjedelmes grafit anód kiküszöbölésével és a sűrű szilárd anyagok felhasználásával az SSB -k szignifikánsan több energiát tudnak tárolni ugyanabban a kötetben, potenciálisan kiterjesztve az elektromos járművek (EV) széles skáláját.

Számos kulcsfontosságú iparági szereplő már felismerte ennek a technológiának az átalakító potenciálját. Például 2024-ben a QuantumScape bemutatta a szilárdtest-akkumulátor prototípusát (QSE {2}}), 844 WH/L energia-sűrűséggel-lényegesen magasabb, mint a 300–700 WH/L, amely a kereskedelmi lítium-ion akkumulátorokra jellemző. A vállalat 2025-ben azt tervezi, hogy az első kereskedelmi 100+ rétegcellákat (QSE -5) eljuttatja. Ez az energia sűrűsége nagyjából 1,5-szerese a legjobb lítium-ion celláknak, ami a vezetési tartomány 20–50% -os növekedését eredményezheti az akkumulátor méretének vagy súlyának növekedése nélkül.

A kínai akkumulátor -óriás, a CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.) szintén jelentősen megnövelte az SSB fejlesztésbe történő beruházását, és dedikált K + F -csapatát több mint 1, {1}} emberre bővítette. A CATL 2027-ig célozza meg az All-Solid állambeli akkumulátorok kis léptékű előállítását.

A Toyota bejelentette, hogy 2027 és 2028 között szilárdtestű akkumulátorokkal felszerelt EV-k értékesítési ütemterve. A vállalat azt állítja, hogy ez az innováció akár 20%-kal növelheti a vezetési tartományt. 2023-ban a szilárd energia a BMW-t A-mintás cellákkal szállította a Demo jármű programjában történő felhasználáshoz. Más nagy ipari vezetők - köztük a Volkswagen, a Hyundai, a Nissan, a BMW és a Toyota - stratégiai beruházásokat hajtottak végre a szilárdtest akkumulátor területén.

A megnövekedett hatótávolságon túl a szilárdtestű akkumulátorok kiemelkedően töltő képességeket is mutatnak. A kiváló hőstabilitásnak és az ionvezetőképességnek köszönhetően az SSB-k támogathatják az ultragyors töltési sebességeket a sejtek károsítása nélkül. A Toyota például azt várja el, hogy szilárdtest-akkumulátor-technológiája mindössze 15 perc alatt 300 km-es távolságra töltsön fel-kétszer-háromszor gyorsabb, mint a legtöbb lítium-ion EV-k jelenlegi gyors töltési sebessége, amely általában körülbelül 30 percet vesz igénybe, hogy 10% -ról 80% -ra töltsön fel.

A szilárd elektrolitok használata, amelyek nem éghetők, kiküszöböli a hagyományos akkumulátorcellák egyik legfontosabb biztonsági kockázatát. A szilárd kerámia vagy üveg elektrolitok nem fognak felgyulladni, és szélesebb hőmérsékleti tartományban működhetnek. A nagyobb feszültség mellett stabilak maradnak, lehetővé téve a nagy kapacitású katód anyagok használatát és elnyomva a lítium -dendrit növekedést - ezáltal javítva mind a ciklus élettartamát, mind a biztonságot.

Ezenkívül az SSB -k egyszerűbb kialakítása miatt könnyebben lehet újrahasznosítani - komplex oldószer- és kötőanyag -keverékek nélkül -, és elkerülhetik a problémás adalékanyagok és ragasztók használatát.

Olyan sok előnyökkel feltételezhetjük, hogy a szilárdtest akkumulátorok könnyen és gyorsan cserélik a lítium-ion akkumulátorokat. Ha nem, akkormagas költségeik, Az SSB -k már átvették.

A költségek továbbra is a legfontosabb akadályok a széles körben elterjedt örökbefogadásban. Például a BMW Group elismerte ezt a kihívást. Míg a társaság várhatóan ez év későbbi szakaszában egy szilárdtest akkumulátorral felszerelt prototípus járművet mutat be, kijelentette, hogy az SSB-alapú elektromos járművek kereskedelmi bevezetése valószínűtlen a következő évtizedben.

A kínai akkumulátorgyártó, a Sunwoda becslése szerint a szilárdtest akkumulátorok költségekbe kerülhetnek275 USD / kWh, nagyjából megegyezik a félig szilárd állapotú akkumulátorokkal. Azonban miattMagas anyagfeldolgozási költségekésalacsony gyártási hozamok, A tényleges költség a gyakorlatban szignifikánsan magasabb lehet.

Amíg ezeket a kihívásokat nem kezelik - különösen a termelés és az anyagköltségek csökkentése során - a szilárdtest akkumulátorok valószínűleg a piac korai szakaszában vagy prémium szegmensében maradnak, ahelyett, hogy széles körben elterjedt kereskedelmi telepítést érnek el.

Összehasonlításképpen: 2024 decemberétől a lítium-ion akkumulátorok átlagos ára Kínában csökkent94 USD / kWh- Az árak az Egyesült Államokban és Európában megmaradnak30–50% -kal magasabb, de mégis jelentősenalacsonyabb, mint a szilárdtest akkumulátoroké.

Mint olyan,A költség továbbra is jelentős szűk keresztmetszetA szilárdtest akkumulátor-technológiájának támogatóinak meg kell küzdeniük annak érdekében, hogy valóban megzavarják az energiatároló piacot. Ebben a tekintetben:A nátrium-ion és a lítium-ion akkumulátorok messze vannak előreszilárdtest akkumulátorokból.

Egyéb kritikus kihívások között szerepelA termelés méretezése, különösen akerámia elektrolitok tömeggyártásaÉs amegbízható összeszerelésszilárdtest sejtekből. Kezelve aInterfész a szilárd elektrolitok és az elektródok közöttszintén aggodalomra ad okot, mivel nagy felületi ellenállást vagy repedést eredményezhet több töltés-mentesítési cikluson keresztül-mindkettő akadályozhatja a teljes körű kereskedelmet.

Sőt, biztosítvatartósság valós stressz körülmények között, mint például a rezgés, a hőmérsékleti ingadozások és a gyors töltés, továbbra is a legsürgetőbb technikai akadályok.

A szilárdtest akkumulátorok az elektrolit megváltoztatásával és az energia sűrűségének növelésével javítják a lítium-ion technológiát, ám magas költségeik továbbra is nagy kihívást jelentenek. Ezzel szemben a nátrium-ion (NA-ion) akkumulátorok ellenkező kérdéssel néznek szembe. A lítium-ion akkumulátorokban alkalmazott elemek általánosabb anyagokkal való cserélésével a nátrium-ion akkumulátorok költségei jelentősen csökkenhetnek, ám az energia-sűrűség szempontjából kihívásokkal kell szembenézniük.

A nátrium -ion akkumulátorok ugyanúgy működnek, mint a lítium -ion akkumulátorok - ionok transzfer a katód és az anód között -, de nátrium -ionokat használnak lítium -ionok helyett. Ez a váltás mindent megváltoztat, aA nyersanyag -beszerzés könnyűségeamegfizethetőség- amely az egyik kulcsfontosságú tényező, amely meghatározza a jövőbeli mainstream akkumulátor -technológiát.

A nátrium-ion akkumulátorok olcsó költsége azt jelenti, hogy 2030-ra elszámoljákAz elektromos jármű akkumulátorok kevesebb mint 10% -a, de a részesedésükenergiatárolásAz alkalmazások várhatóan jelentősen növekednek. Nátrium-ion akkumulátorok használjákolcsóbb anyagokés nem igényelnek lítiumot, ami azt jelenti, hogy termelési költségeik lehetnek30% -kal alacsonyabb, mint a lítium vas -foszfát (LFP)akkumulátorok.

A nátrium-ion technológia legnagyobb vonzereje abban rejlik, hogy képes-e kihasználnibőséges és olcsó anyagokA szűkösebbek cseréje. A földkéreg nátrium -tartalékai a1, 000 időkben nagyobbmint a lítiumé. A nátrium még olcsón is extrahálhatóviszonylag kimeríthetetlen tengervíz.

A terepi innovációknak köszönhetően a kereskedelmi minőségű nátrium-ion (NA-ion) akkumulátorok már elérték a körüli energia sűrűségét130-160 wh/kg, ami körülbelülkétharmadosA tipikus lítium-ion NMC (nikkel-mangán kobalt) akkumulátorok. Azonban már elérték, vagy akár meghaladták az energia sűrűségétólom-sav akkumulátorok, és megközelítik alítium vas -foszfát (LFP)akkumulátorok.

A szakértők azt állítják, hogy a nátrium-ion akkumulátorok következő generációja elériTöbb mint 200 WH/kg, potenciálisan meghaladva aLFP akkumulátorok- A nátrium-ion akkumulátorok tipikus élettartama100–1, 000 ciklusok, és a KPIT indiai fejlesztő állítja, hogy az akkumulátorok karbantartják80% kapacitásmegőrzés 6, 000 ciklus után, összehasonlítható a lítium-ion akkumulátor teljesítményével.

A nátrium-ion akkumulátorok is kiemelkednekteljesítmény és alacsony hőmérsékleti teljesítmény- Néhány mintára képesekKörülbelül 1 kW/kg teljesítménysűrűség, amely messze meghaladja alítium-ion NMC vagy LFP akkumulátorok- Ezenkívül a nátrium-ion akkumulátorok mutatnakminimális teljesítmény -lebomlásolyan alacsony hőmérsékleten, mint-20 fok, míg a lítium-ion akkumulátorok küzdenek a töltés vagy a hatékony töltés érdekében ilyen hideg körülmények között.

A nátrium-ion akkumulátorok is lehetnekTeljesen lemerült a 0 v -reanélkül, hogy károkat okozna, és rendkívül biztonságossá tenné őketszállítás és tárolás- Az alacsonyabb hőtermelés és a nem éghető anyagok sok mintában történő felhasználása miatt a nátrium-ion akkumulátorok is bizonyítjákkiváló hőstabilitás- Valójában atűzveszélyA nátrium-ion akkumulátorok várhatóan várhatóanlényegesen alacsonyabbmint a lítium-ion akkumulátoroké, a javításbiztonságolyan alkalmazásokban, mint az elektromos járművek és a rács tárolása.

Ezek a funkciók miatt a nátrium-ion akkumulátorok vonzó lehetőséggé teszik, még a lítium-ion akkumulátorok vezetői számára is. Tavaly Kína első nagyszabású nátrium-ion akkumulátor-tárolóállomásja megkezdte a műveleteket-A10 MWh nátrium-ion akkumulátor tárolóhely, egy 100 MWh -os projekt része. Ez a kínai déli villamosenergia -hálózat által épített létesítmény használja210 AH nátrium-ion sejtekés van néhány lenyűgöző adata: az akkumulátor lehetmindössze 12 perc alatt 90% -ra számítva.

Globális akkumulátorgyártási óriásContemporary Amperex Technology Co. Limited (CATL)egyértelműen szívesen feltárja a nátrium-ion akkumulátorok potenciálját. Például integrálja a nátrium-ion akkumulátorokatlítium-ion akkumulátor infrastruktúra és termékek- A cég ezt feltárta2023, Kínai autógyártóCherylett az első cég, amely a CATL nátrium-ion akkumulátorait használja.

-Ben2024 januárja, Közép -Ázsia legnagyobb autógyártója és az egyik legnagyobb akkumulátor -beszállító,Byd, bejelentette a1,4 milliárd dollárnátrium-ion akkumulátorgyár éves termelési kapacitása30 GWH.

Az európai vállalatok ezt a technológiát is feltárják. A mostani csődbe jutó akkumulátorgyártóNorthvoltelindította a160 WH/kg nátrium-ion akkumulátor2023 novemberében, amelyet a teljesítmény ellenőrzött. Az Egyesült Királyságban,FosztogatásTöbb mint egy évtizede úttörője a nátrium-ion akkumulátor-technológiának. India által megszerzettReliance Industries2021 -ben a Faradion kifejlesztett a160 WH/kg akkumulátorés most egy továbbfejlesztett verziót dob ​​be, amely büszkélkedhet20% -kal magasabb energia sűrűségés30% -kal hosszabb ciklus élettartam- A Reliance Industries bejelentette aTöbb GWH nátrium-ion akkumulátorgyárIndiában, a termelés valószínűleg kezdődik2025.

Ezek a fejlemények határozottan azt jelzik, hogy a nátrium-ion akkumulátorok olyan technológiává válnak, amely képes a lítium-ion akkumulátorok dominanciájának megtámadására.

Miközben kialakul az akkumulátor -technológiák -nátrium-ion akkumulátorokésszilárdtestű akkumulátorok- ígéretes potenciált mutatni, nehéz megjósolni, hogy melyik lesz végső soron. Figyelembe véve az előnyeiket, mindkét technológia döntő szerepet játszhat a fejlődésbentiszta energiaéstiszta szállítása jövőben.

Ha a szilárdtest akkumulátor költségei csökkennek - potenciálisan csökken az áram$ 150+/kwhlítium-ion akkumulátorokhoz$ 80- $ 100/kWh- A szilárdtest akkumulátorok uralhatják anagy teljesítményű szegmensek, például az elektromos járművek, a következő évtizedben. Ez egy valószínű forgatókönyv. ANemzetközi Energiaügynökség (IEA)Optimista kilátás nyílik aA szilárdtest akkumulátorok költségei -2030, kiemelve, hogy a szilárdtest technológia valószínűleg eléri a kereskedelmi életképességet.

Másrészt a nátrium-ion akkumulátorok többekköltség-versenyképes, hogy jól illeszkedjenekrács tárolásésfeltörekvő piacok, és várhatóan gyorsabban érnek el a sikert. Sok szurkoló ösztönzi a felépítéstnagyszabású projekteka következőbenKét -három év- 2024 -ben aakkumulátor energiatároló rendszer (BESS) piacnőtt44%, a telepített kapacitással és a kisülési összeg elérésével69 GW/161 GWH- Nevezetesen, hogy2030, az akkumulátorok várhatóan vezetnekA tárolás növekedésének 90% -ahogy találkozzanakNet-nulla célok.

Ennek eredményeként a jövőben számos akkumulátor -technológiát jelentenekszilárdtestésnátrium-ion akkumulátorokvalószínűleg az utat vezeti.