Или не съвсем…Натриево-йонните батерии са готови за едросерийно производство при компактни електромобили и са значително по-евтини

Натриево-йонните (Na-Ion) батерии са базирани на много по-разпространени и по-евтини материали от литиево-йонните – с отчитане не само на естеството на използваните суровини, но и на процесите на производството им. Въпреки вече изградените вериги за доставки и дългосрочни договори за добив на литиеви минерали и въпреки че в света има достатъчно литий, за да се поддържат глобалните цели за развитие на електрификация, непрекъснатият поток от непредвидени обстоятелства изисква необходимостта от алтернатива. Очаква се цената на натриево-йонните клетки да бъде около 40–80 долара/kWh още в началото на производството им, в сравнение със средно 120 долара/kWh за Li-Ion клетка към момента и след доста натрупан опит в областта. Натриево-йонните батерии са по-безопасни по отношение на диапазона на работна температура и стабилност, могат да се зареждат по-бързо и имат по-дълъг жизнен цикъл. За съжаление, енергийната им плътност е по-ниска, а това ги прави по-обемисти и по-тежки при параметри като капацитет и мощност. Но дори стойността от 160 Wh/kg (параметър, който би трябвало да продължава да се подобрява) е достатъчно добра за използване в малки електромобили за града. Китайски производители като JAC вече представиха автомобили с натриево-йонни батерии с пробег от 250 км. Що се касае до използването при стационарни системи, размерът въобще не е проблемен. Което от своя страна означава че този тип батерии могат да се използват и като буферни системи за зарядни станции, с което биха се подобрили възможностите за зареждане с голям ток. Натриево-йонните батерии ще са важен компонент в енергийния преход като форма на разнообразие на веригата за доставки и достъпни цени, отбелязват в свое мащабно изследване Карлос Риуз, Мартина Лайънс, Айзък Гарсия И Жаоиу Ву.

С възобновяеми енергийни източници в основата си, глобалният енергиен преход ще изисква промени както в производството, така и в потреблението на енергия. Една от тези промени ще бъде евентуалната допълнителна електрификация (пряка и непряка) на секторите за крайно потребление на енергия (включително сгради, транспорт и промишленост), което ще доведе до утрояване на глобалното търсене на електроенергия до 2050 г. (според прогнозата за световните енергийни преходи на IRENA). При използване на все повече възобновяеми източници необходимостта от системи за акумулиране на енергия ще става все по-актуална.

Проблемът с литиево-йонните (Li-Ion) батерии

Литиево-йонните батерии са в челните редици на съвременните решения за съхранение на енергия поради своята висока енергийна плътност и гъвкавост, но нарастващото търсене на компоненти за тях и актуалните глобални политически събития водят до опасения по отношение на устойчивостта, наличността на ресурси, геополитическите съображения, и потенциални тесни места във веригата за доставки. Да, светът разполага с повече от достатъчно материали за поддържане на енергийния преход, включително литий. Основното безпокойство обаче е свързано с веригите за доставка на батерии и стремежът да се поддържа темпото на непрекъснато нарастващото търсене на електромобили и рязко нарастващите цени на литиевия карбонат като базисна суровина. Тези опасения от доста време са ясен сигнал за необходимостта от проучване на алтернативи както за развиващата се електрическа мобилност, така и за необходимите решения за съхранение на енергия. Именно иновациите в тази област могат да бъдат катализатор за ускоряване на прехода.

Натриево-йонните (Na-Ion) батерии

Тъкмо тук в уравнението се появяват натриево-йонните (Na-Ion) батерии. Натриево-йонните батерии са подобни като архитектура и конструкция на литиево-йонните, но разчитат на натриеви съединения като основен „движещ“ се на йонно ниво компонент, а не на литий. Количеството на готови за обработка източници на натрий е около хиляда пъти по-изобилно от това на еквивалентния литий, което означава, че тази технология може потенциално да облекчи краткосрочните опасения за доставките, които засягат базираните на литий технологии, и нестабилността на разходите за последните. При това, както споменахме, става дума не само за лития, но и за други компоненти в клетките. Това от своя страна може да помогне за натиск върху цените на литиево базираните електрохимии.

Производството на натриево-йонни батерии разчита главно на натриев карбонат (калцинирана сода) като прекурсор на натрий – съединение, което е много по-разпространено и по-устойчиво за извличане и рафиниране от литиeвите. Този факт от своя страна прави веществото по-евтино и по-малко податливо на проблеми с наличността на ресурси и нестабилност на цените. Само в САЩ има идентифицирани около 47 милиарда тона продуктивни ресурси от натриев карбонат и над 23 милиарда тона установени запаси от него. Натриевият карбонат също може да се (и вече се) произвежда като синтетичен продукт от сол и варовик чрез технологията Solvay process, отваряйки възможността да се произвежда практически по целия свят.

Предимства и недостатъци

Натриево-йонните батерии притежават няколко ключови характеристики, които предлагат обещаващи предимства пред съществуващите литиево-йонни батерии и които ги правят жизнеспособни за конкретно приложение. Едно от основните е тяхната цена. Очаква се цената на натриево-йонните батерии да бъде значително по-ниска от тази на литиево-йонните. На практика това означава около 40–80 долара/kWh за натриево-йонна клетка в сравнение със средно 120 долара на kWh за литиево-йонна клетка.

Натриево-йонните батерии предлагат предимства и по отношение на устойчивостта на производството в сравнение с литиево-йонните батерии. Голямото изобилие от натрий отваря вратата за по-разнообразни източници. В същото време съществуват конфигурации на този тип батерии, които дават възможност за намаляване на необходимостта от критични материали, като мед (предвид техния алуминиев колектор), никел и кобалт. Докато слоестите металоокисни натриево-йонни батерии (най-преобладаващият тип), като тази, разработена от Faradion, все пак използват никел и кобалт, някои полианионни типове и т.нар. Prussian Blue електрохимии не използват нито един от тези материали.

Натриево-йонните батерии показват обещаващи резултати и по отношение на безопасността, осигурявайки по-широки температурни диапазони на работа и по-стабилна анодно-електролитна смес от литиево-йонните батерии, както и възможността да бъдат безопасно транспортирани напълно разредени. Те притежават и ценни качества по отношение на топлинната ефективност, като запазват високо ниво на капацитет дори при минусови температури, бързо време за зареждане с голям ток (80% SOC за 15 минути) и имат по-дълъг живот като брой цикли на зареждане и разреждане (80% запазване на капацитета след 4000–5000 цикъла) в сравнение с литиевите батерии.

Едно от основните ограничения на тези батерии е тяхната енергийна плътност, означаваща на практика по-обемисти и по-тежки батерии. Последната информация от някои производители на клетки е за енергийна плътност от 160 Wh/kg за тези батерии, но те добавят, че в краткосрочен план са постижими 200 Wh/kg. Въпреки че тези числа са сравними с някои използвани преди литиево-йонни композиции, те все още изостават от вече класическите NMC и LFP електрохимии, които са в диапазона 250 Wh/kg.

Приложенията

Дори и тези параметри правят натриево-йонните батерии подходящи за редица приложения. Едно от най-обещаващите е стационарното съхранение. Бързо ускоряващата се интеграция на възобновяеми енергийни източници със силно флуктуиращи възможности за генериране на електричество създава належаща необходимост от евтино съхранение на енергия в мрежови системи на голямо и малко ниво и дори у дома. По-ниската цена, дългият живот, безопасността и всички споменати качества на натриево-йонните батерии, съчетани с факта, че размерът и теглото не са големи проблеми за стационарни приложения, биха могли да ги направят конкурентни на литиево-йонните, а това би освободило капацитет за последните.

По-ниската енергийна плътност не е спънка този вид батерии да могат да се използват и в електромобили и особено в тези с относително малък пробег. Както споменахме, някои китайски производители, като JAC, имат твърдо намерение да внедрят в серийно производство малки електромобили, захранвани с Na-Ion батерии, с пробег в диапазона около 250 км. Както стана ясно, по-честото зареждане не е проблем за този вид батерии.

Подобен пробег може да бъде задоволителен при малките електромобили. На този етап изглежда малък, но е повече от достатъчен за градски и кратки пътувания. В много държави в Европа средното дневно изминато разстояние в градска среда е около 19 км, което означава, че едно зареждане може да е достатъчно, за да издържи над 10 дни употреба в града. Ако в уравнението вземем предвид и по-ниската цена на тези батерии и факта, че пробегът ще се увеличава, те имат потенциала да създадат абсолютно нова ниша на пазара. Все пак електрическите първопроходци, като Smart Electric Drive и Mitsubishi i-Miev, изминаваха доста по-малки дистанции.

И отново водещите са китайците

Интересът към натриево-йонните батерии продължава да нараства и изглежда, че тази технология е много близо до достигането на момента на своя пробив. Факт са голям брой обявени проекти и много амбициозните планове на някои производители за внедряване на натриево-йонни електромобили. Активни в тези разработки са CATL, Chery, BYD, JAC / HiNa, Faradion, Natron, PNNL, Volkswagen и други, като освен за електромобили проектите включват разработки за мрежово съхранение.

На този етап за определени приложения натриево-йонните батерии имат потенциала да се конкурират със съществуващите оловно-киселинни, литиево-йонни NMC (никел-манган-кобалтовите) или LFP (литиево-желязо- фосфатните). Все още съществуват обаче редица предизвикателства, които трябва да бъдат преодолени, за да се постигне ниво на комерсиална конкурентност, включително подобряване на тяхната конструкция и материали, установяване на вериги за доставки, постигане на допълнително намаляване на себестойността с икономии от мащаба.

Оставащите месеци от тази и следващата година ще бъдат решаващи за тази технология предвид направените анонси от компаниите. Но независимо от техния потенциален успех важно е, че те подчертават значението на иновациите в прехода към възобновяема енергия. Натриево-йонните батерии са обещаваща технология и биха могли да се превърнат в добра алтернатива за специфични приложения, помагайки за облекчаване на тесните места във веригата за доставки и ускоряване на енергийния преход. С по-нататъшни изследвания и разработки те биха могли да играят значителна роля в прехода към въглеродно неутрална енергийна система.

Текст: Георги Колев