Natrium-ioni vs. solid-state-akut, jotka korvaavat litium-ionin

Uusiutuvan energian nousu (RE) ja sähköajoneuvojen nopea kasvu on herättänyt odotuksia energian varastointiteollisuudesta - mukaan lukien suurempi tehokkuus, suurempi turvallisuus, lisääntynyt energiatiheys ja ihannetapauksessa alhaisemmat kustannukset. Natrium-ioni- ja solid-state-akut pyrkivät tarjoamaan vaihtoehtoisia ratkaisuja. Jokaisella on omat edut ja se voi mahdollisesti korvata olemassa olevia litium-ionin varastointitekniikoita tulevina vuosina.

Tässä artikkelissa tutkimme, miksi litium -ioni -akut voivat olla vaarassa potentiaalista - vaikka tämä riski näyttää edelleen vähäiseltä. Keskitymme kahteen nousevaan tekniikkaan, jolla on voimakkain potentiaali hallita energian varastoinnin tulevaisuutta: natrium-ioniakkuja ja solid-state-akkuja.

Litium-ioni-akut hallitsevat tällä hetkellä energian varastointiasektoria ja niiden odotetaan ylläpitävän tätä sijaintia keskipitkällä aikavälillä. Kannettavista laitteista laajamittaisiin uusiutuvan energian + varastointiprojekteihin litium-ionitekniikka johtaa tietä kaikilla tärkeimmillä suuntauksilla.

Äskettäisen raportin mukaan litium-ioni-akkumateriaalimarkkinat kasvavat nopeasti kasvavan kysynnän vuoksi useilla toimialoilla. Sen ennustetaan kasvavan 41,9 miljardista dollarista vuonna 2024 yli 120 miljardiin dollariin vuoteen 2029 mennessä. Yhdisteen vuotuinen kasvuvauhti (CAGR) on noin 23,6%.

Nykyään litium-ion-akkumarkkinoita johtavat suuret toimijat, kuten Tesla, Panasonic, LG Chem, Catl ja BYD. Erityisesti kaksi viimeksi mainittua kiinalaista yritystä ovat edistyneet merkittävästi kahden viime vuoden aikana.

Vaikka sähköajoneuvojen nousu on tärkeä kasvun kuljettaja,paikallaan oleva energian varastointiMarkkinoiden odotetaan tuottavan vielä suurempaa kysyntää tulevina vuosina.

On hyvin tiedossa, että litium-ioni-akut luottavat voimakkaasti kriittisiin mineraaleihin, kuten litiumiin ja usein myös kobolttiin ja nikkeliin. Toimitusrajoitukset ovat johtaneet merkittävään hinnan volatiliteettiin. Esimerkiksi akun luokan litiumkarbonaatin kustannukset ovat vaihdelleet noin 5,8 USD: stä kiloa kohti jopa 80 USD viime vuosina. Tämä volatiliteetti ja niukkuus ovat nostaneet litium-ioni-akkujen kustannuksia ja aiheuttaneet pitkäaikaisen toimitusriskin.

Yksi kiireellinen kysymys on vankan litiumin toimitusketjun puute suurilla markkinoilla Kiinan ulkopuolella. Esimerkiksi noin 77% litium-ioni-akkuissa käytetystä grafiitista on peräisin Kiinasta. Tämä korostaa kiinalaisen tarjonnan voimakasta riippuvuutta globaalien kaupan jännitteiden aikakaudella ja korostaa tarjonnan monipuolistamisen merkitystä.

Turvallisuusriskit, kuten lämmön karkaa aiheuttamien sähköajoneuvojen akkupalot, lisää toinen huolenaihe.

Nämä tekijät tasoittavat tietä uuden sukupolven energian varastointitekniikoille. Vaikka Kiinan ulkopuolella olevat yritykset etsivät aktiivisesti vaihtoehtoja, jotka eivät luota litiumiin, Kiinan markkinoiden johtajat ovat myös tietoisia siitä, että niiden määräävä asema voi olla vaarassa. Itse asiassa monet heistä ovat jo siirtyneet nopeasti natrium-ioniin ja kiinteän tilan akun kehitykseen varmistaakseen, että ne pysyvät käyrän edessä.

Kiinteän tilan paristot (SSB) Vaihda litium-ioni-akkuissa käytetyt nestemäiset elektrolyyttit kiinteillä elektrolyytteillä-kuten keramiikka, lasi tai kiinteät polymeerit. Poistamalla tilaa vievä grafiitti -anodi ja käyttämällä tiheitä kiinteitä materiaaleja SSB: t voivat säilyttää huomattavasti enemmän energiaa samassa volyymissa, mikä mahdollisesti laajentaa sähköajoneuvoja (EV) laajalla marginaalilla.

Useat alan keskeiset toimijat ovat jo tunnustaneet tämän tekniikan muuntavan potentiaalin. Esimerkiksi vuonna 2024 Quantumscape paljasti prototyypin kiinteän tilan akun (qSE -5) energiatiheydellä 844 WH/L-olennaisesti korkeampi kuin 300–700 WH/L, joka on tyypillinen kaupallisille litium-ioni-paristoille. Yhtiö aikoo toimittaa ensimmäisen kaupallisen 100+ kerrossolunsa (QSE -5) vuonna 2025. Tämä energiatiheys on noin 1,5 kertaa parhaiden litium-ioni-solujen, jotka voisivat johtaa 20–50%: n lisäykseen ajoalueella lisäämättä akun kokoa tai painoa.

Kiinan akkujätti, CATL (Contemporary Amperex Technology Co. Ltd.) on myös lisännyt merkittävästi sijoitustaan ​​SSB -kehitykseen, laajentaen omistettua T & K -tiimiä yli 1, 000 -ihmisille. CATL on kohdistanut pienimuotoisen kokonaisvaltion paristojen tuotantoon vuoteen 2027 mennessä.

Toyota on ilmoittanut kaupallistamisen aikataulusta matkustaja-EV: ille, jotka on varustettu kiinteiden tilan paristoilla vuosina 2027–2028. Yhtiö väittää, että tämä innovaatio voisi lisätä ajoaluetta jopa 20%. Vuonna 2023 kiinteä virtalähde toimittaa BMW: n A-näytteen soluilla käytettäväksi sen esittelyauto-ohjelmassa. Muut suuret teollisuuden johtajat - mukaan lukien Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW ja Toyota - ovat myös tehneet strategisia investointeja kiinteän tilan akkutilaan.

Lisääntyneen alueen lisäksi kiinteän tilan paristot osoittavat myös erinomaisia ​​nopean latausominaisuuksia. Erinomaisen lämmön stabiilisuuden ja ionisen johtavuuden ansiosta SSB: t voivat tukea erittäin nopeaa latausnopeutta vahingoittamatta soluja. Esimerkiksi Toyota odottaa kiinteän tilan akkutekniikan mahdollistavan 300 km: n alueen latautuvan vain 15 minuutissa-kaksi tai kolme kertaa nopeammin kuin useimpien litium-ioni-EV: ien nykyinen nopean latausnopeus, jonka lataaminen on yleensä noin 30 minuuttia 10%: sta 80%: iin.

Kiinteiden elektrolyyttien käyttö, jotka eivät ole palamattomia, eliminoi yhden perinteisten akkukennojen keskeisistä turvallisuusriskistä. Kiinteät keraamiset tai lasielektrolyyttit eivät syttyvät ja voivat toimia laajemman lämpötila -alueen yli. Ne pysyvät myös vakaissa jännitteissä, mikä mahdollistaa suuren kapasiteetin katodimateriaalien käytön ja tukahduttamalla litium -dendriitin kasvua - parantaen siten sekä syklin käyttöikää että turvallisuutta.

Lisäksi SSB: t voivat olla helpompi kierrättää yksinkertaisemman suunnittelun vuoksi - ilman monimutkaisia ​​liuotin- ja sideaineseoksia - ja välttää ongelmallisten lisäaineiden ja liimojen käyttöä.

Niin monilla eduilla voidaan olettaa, että solid-state-akut korvaavat ja nopeasti litium-ion-akut. Kuitenkin, jos eiheidän korkeat kustannukset, SSB: t ovat saattaneet jo ottaa haltuunsa.

Kustannukset ovat edelleen merkittävin este laajalle levinneelle adoptiolle. Esimerkiksi BMW -ryhmä on tunnustanut tämän haasteen. Vaikka yrityksen odotetaan paljastavan myöhemmin tänä vuonna prototyyppiajoneuvon, joka on varustettu solid-state-akkuilla, se on todennut, että SSB: n käyttämät sähköajoneuvojen kaupallinen lanseeraus on epätodennäköistä seuraavan vuosikymmenen aikana.

Kiinalainen akkuvalmistaja Sunwoda on arvioinut, että solid-state-akut voivat maksaa noin275 dollaria / kWh, suunnilleen samanlainen kuin puoliksi kiinteät tilan akut. KuitenkinKorkeat materiaalinkäsittelykustannuksetjaMatala valmistustuoto, todelliset kustannukset voivat olla käytännössä huomattavasti korkeammat.

Ennen kuin näitä haasteita käsitellään - etenkin tuotannon skaalaamisessa ja materiaalikustannusten vähentämisessä - kiinteän tilan akut pysyvät todennäköisesti markkinoiden varhaisessa vaiheessa tai premium -segmentissä sen sijaan, että saavutettaisiin laajalle levinnyt kaupallinen käyttöönotto.

Vertailun vuoksi joulukuusta 2024 lähtien Kiinassa sijaitsevien litium-ioni-akkupakettien keskimääräinen hinta oli pudonnut94 dollaria / kWh. Hinnat Yhdysvalloissa ja Euroopassa ovat edelleen30% - 50% korkeampi, mutta silti merkittävästialhaisempi kuin solid-state-akut.

Sellaisenaan,Kustannukset ovat edelleen merkittävä pullonkaulaTämän valtion akkutekniikan kannattajien on voitettava energian varastointimarkkinoiden häiritsemiseksi. Tältä osinNatrium-ioni- ja litium-ioni-akut ovat kaukana eteenpäinsolid-state-akkuja.

Muita kriittisiä haasteita ovattuotannon skaalaaminen, etenkinKeraamisten elektrolyyttien massavalmistusja jaluotettava kokoonpanosolid-solujen solujen. HallitaRajapinta kiinteiden elektrolyyttien ja elektrodien välilläon myös huolenaihe, koska se voi johtaa suureen rajapinnan vastus- tai halkeiluun useiden varauksen purkamisjaksojen aikana-molemmat estävät täysimittaista kaupallistamista.

Lisäksi varmistaminenkestävyys reaalimaailman stressiolosuhteissa, kuten värähtely, lämpötilan vaihtelut ja nopea lataus, on edelleen yksi kiireellisimmistä teknisistä esteistä.

Kiinteän tilan paristot paranevat litium-ionitekniikan avulla muuttamalla elektrolyyttiä ja lisäämällä energiatiheyttä, mutta niiden korkeat kustannukset ovat edelleen suuri haaste. Sitä vastoin natrium-ionin (Na-ion) paristot kohtaavat päinvastaisen ongelman. Yrittämällä korvata litium-ioni-akkuissa käytetyt elementit yleisemmillä materiaaleilla, natrium-ioni-akkujen kustannukset voivat pudota merkittävästi, mutta ne kohtaavat haasteita energiatiheyden suhteen.

Natrium -ionin paristot toimivat suunnilleen samalla tavalla kuin litium -ioni -akut - ionit sukkula katodin ja anodin välillä - mutta ne käyttävät natrium -ioneja litiumionien sijasta. Tämä muutos muuttaa kaiken,raaka -aineiden hankintasiihenkohtuuhintaisuus- joka on yksi keskeisistä tekijöistä, jotka määrittävät tulevan valtavirran akkutekniikan.

Natrium-ioni-akkujen alhaiset kustannukset tarkoittavat, että vuoteen 2030 mennessä ne vastaavatAlle 10% sähköajoneuvoparistoista, mutta heidän osuutensaenergian varastointiSovellusten odotetaan kasvavan merkittävästi. Natrium-ioni-akut käyttäväthalvemmat materiaalitja älä vaadi litiumia, mikä tarkoittaa, että niiden tuotantokustannukset voivat olla30% pienempi kuin litiumrautafosfaatti (LFP)paristot.

Natrium-ionitekniikan suurin vetoomus on sen kyvyssä hyödyntäärunsaasti ja halpoja materiaalejaKorvata niukampien. Natriumvarannot maankuoressa ovat1, 000 kertaa suurempikuin litiumin. Natrium voidaan jopa uuttaa halvallasuhteellisen ehtymätön merivettä.

Alan innovaatioiden ansio130-160 wh/kg, mikä on kysekaksi kolmasosaaTyypilliset litium-ionin NMC (nikkeli mangaanikoboltti) -akkut. Ne ovat kuitenkin jo saavuttaneet tai jopa ylittäneet energiatiheydenlyijyakutja lähestyylitiumrautafosfaatti (LFP)paristot.

Asiantuntijat väittävät, että seuraavan sukupolven natrium-ioni-akkuja saavutetaanyli 200 Wh/kg, mahdollisesti ylittää teoreettinen energiatiheysrajaLFP -akut. Natrium-ioni-akkujen tyypillinen elinikä vaihtelee100 - 1, 000 syklit, ja intialainen kehittäjä Kpit väittää, että sen akut ylläpitävät80%: n kapasiteetin pidätys 6: n jälkeen 000 -syklit, verrattavissa litium-ioni-akun suorituskykyyn.

Natrium-ioni-akut myös huippuosateho- ja matalan lämpötilan suorituskyky. Jotkut mallit kykenevätNoin 1 kW/kg: n voimatiheys, joka ylittää huomattavastilitium-ionin NMC- tai LFP-akut. Lisäksi natrium-ioni-akut osoittavatminimaalinen suorituskyvyn heikkeneminenniin alhaisissa lämpötiloissa-20 aste, kun taas litium-ioni-akut kamppailevat latauksen ylläpitämiseksi tai nopeasti lataamiseksi nopeasti tällaisissa kylmissä olosuhteissa.

Natrium-ioni-akut voivat myös ollaTäysin purettu 0 Vaiheuttamatta vaurioita, tekemällä niistä erittäin turvallisiakuljetus- ja varastointi. Alemman lämmöntuotannon ja ei-palamattomien materiaalien käytön vuoksi monissa malleissa myös natrium-ioni-akut osoittavatylivoimainen lämpövakaus. Itse asiassapaloharkkinatrium-ionin akkupakkausten odotetaan olevanmerkittävästi alhaisempikuin litium-ioni-akkupakkaukset, parantavaturvallisuussovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa ja ruudukon varastossa.

Nämä ominaisuudet tekevät natrium-ioni-akkuista houkuttelevan vaihtoehdon, jopa litium-ioni-akkujen johtajille Kiinassa. Viime vuonna Kiinan ensimmäinen laajamittainen natrium-ionin akkuenergian säilytysasema aloitti toimintansa-a10 MWh Natrium-ioni-akun varastotila, osa 100 MWh -projektia. Tämä laitos, jonka on rakentanut China Southern Power Grid, käyttää210 AH Natrium-ionisoluaja siinä on joitain vaikuttavia tietoja: akku voi ollaveloitettu 90%: iin vain 12 minuutissa.

Globaali akkujen valmistusjättiNykyaikainen Amperex Teknologia Co. Limited (CATL)on selvästi innokas tutkimaan natrium-ioni-akkujen potentiaalia. Esimerkiksi se integroidaan natrium-ioni-akkuja siihenlitium-ionin akkuinfrastruktuuri ja tuotteet. Yhtiö paljasti sen vuonna2023, Kiinalainen automaattiCherytuli ensimmäinen yritys, joka käytti CATL: n natrium-ioni-akkuja.

Sisä-Tammikuu 2024, Keski -Aasian suurin valmistaja ja yksi suurimmista akuntoimittajista,Byd, ilmoitti aikovansa rakentaa a1,4 miljardia dollariaNatrium-ionin akkutehdas, jolla on vuosittainen tuotantokapasiteetti30 gwh.

Eurooppalaiset yritykset tutkivat myös tätä tekniikkaa. Nyt pankkien akun valmistajaPohjoinenkäynnisti a160 Wh/kg natrium-ioniakkuMarraskuussa 2023, joka varmistettiin suorituskykyä varten. Yhdistyneessä kuningaskunnassa,Faradionon ollut natrium-ion-akkutekniikan edelläkävijä yli kymmenen vuoden ajan. Intian hankkimaLuottamusteollisuusVuonna 2021 Faradion kehitti a160 WH/kg akkuja on nyt levittänyt parannettua versiota, joka ylpeilee20% korkeampi energiatiheysja30% pidempi sykliikä. Reliance Industries on myös ilmoittanut aikovansa rakentaa aMulti-GWh-natrium-ioni-akkutehdasIntiassa tuotanto todennäköisesti alkaa2025.

Nämä kehitykset osoittavat voimakkaasti, että natrium-ioni-akkuista on asetettu tekniikka, joka kykenee haastamaan litium-ioni-akkujen hallitsevuuden.

Kun taas syntyvä akkutekniikka -natrium-ioni-akutjasolid-akku- Näytä lupaava potentiaali, on vaikea ennustaa, mikä lopulta hallitsee. Niiden etujen vuoksi molemmilla tekniikoilla voi olla ratkaisevia rooleja etenemisessäpuhdas energiajapuhdas kuljetustulevaisuudessa.

Jos solid -state -akun kustannukset vähenevät - potentiaalisesti putoaminen nykyisestä$ 150+/kWhlitium-ion-akkuja noin$ 80- 100 dollaria/kWh- Kiinteän tilan paristot voivat hallitakorkean suorituskyvyn segmentit, kuten sähköajoneuvot, seuraavan vuosikymmenen aikana. Tämä on uskottava skenaario. SeKansainvälinen energiavirasto (IEA)on optimistinen näkymäKiinteän tilan paristojen kustannukset -2030, korostamalla, että solid-state-tekniikka todennäköisesti saavuttaa kaupallisen kannattavuuden.

Toisaalta natrium-ioni-akut ovat enemmänkustannuskilpailu, tehdä niistä hyvin sopiviaruudukon säilytysjanousevat markkinat, ja heidän odotetaan saavuttavan menestystä nopeammin. Monet kannattajat pyrkivät rakentamaanlaajamittaiset projektitseuraavassakaksi vuotta. Vuonna 2024,Akun energian varastointijärjestelmän (BESS) markkinatkasvoi44%, asennetun kapasiteetin ja purkaussumman saavuttaessa69 GW/161 GWh. Etenkin2030, paristojen odotetaan ajavan90% varastointikasvustatapaamiseksiNet-nollatavoitteet.

Seurauksena on tulevaisuudessa valikoima akkutekniikoita, jasolid-sidosjanatrium-ioni-akuttodennäköisesti johtaa tietä.