Какви предимства има натриевата йонна батерия спрямо литиевата?

Наличност и достъпност на суровини

Наличност в земната кора на натрий спрямо литий

Натрият е на шесто място в списъка с елементи, срещащи се в земната кора, като съставлява около 2,3% по тегло. Литият обаче разказва напълно различна история – според данни на USGS от 2023 г. той е само 0,006%. Разликата между тези числа е огромна – над 380 пъти по-голяма за натрия. Това има голямо значение, когато говорим за батерийни технологии. Добивът на литий изисква или дълги процеси на изпарение на рассол, или трудоемки операции по добив на скали, които изразходват много енергия. Съединенията на натрий обаче? Те са навсякъде. Вземете например хлорида на натрий. Солени пустини, океани, пълни с морска вода, дори определени седиментни басейни съдържат изобилни запаси от съединения на натрий. Тези ресурси не са просто обилни, но и значително по-лесни за достъпване в сравнение с необходимото за производството на литий.

Географско разпределение и достъпност при добива на източници на натрий

По-голямата част от световния литий идва от т.нар. Литиев триъгълник между Аржентина, Чили и Боливия. Само тези три страни съставляват около 58% от целия наличен литий според данни на DOE от 2024 г. Натрият обаче е различен. Ресурсите на натрий могат да бъдат намерени в приблизително 94 различни страни по света, със значителни залежи на сол практически навсякъде, където живеят хора. Това по-широко разпределение всъщност прави натрия по-сигурен избор, когато става въпрос за геополитически проблеми. В последно време сме виждали проблеми с рязко покачване на цените на лития, защото южноамериканските страни внезапно ограничиха експорта. Тъй като натрият е разпределен много по-равномерно по планетата, вероятността една област да причини световни недостиги или ценови шокове е много по-малка.

Последици за устойчивостта на глобалните вериги за доставки на натриево-йонни батерии

Натрият е почти навсякъде, което означава, че производителите могат да създават локални производства, вместо да зависят от дългите и нестабилни глобални вериги за доставки, с които всички толкова добре сме запознати. Вземете литиево-йонните батерии например – те изискват материали, превозвани по целия свят, понякога средно около 10 хиляди мили. Технологията на натриево-йонните батерии работи по различен начин, защото може да използва наличните местни ресурси. Някои изследвания на МТИ от 2023 г. предполагат, че този подход може да намали зависимостта ни от тези „единствени доставчици“ на минерали с приблизително три четвърти. С политики на правителството, като Закона за намаляване на инфлацията, които насърчават компаниите да набавят материали в рамките на страната, натриево-йонната технология изглежда може сериозно да промени начина, по който съхраняваме енергия през следващото десетилетие или около това.

Икономическа ефективност и намалена зависимост от стратегически важни минерали

Ценови тенденции в литиев карбонат спрямо натриев карбонат

Цените на литиев карбонат скочиха до 74 000 щ.д. на тон през 2022 г., преди да паднат до 20 300 щ.д. на тон през 2024 г., което отразява екстремна пазарна волатилност. Натриевият карбонат, напротив, остава стабилен около 320 щ.д. на тон поради обилни запаси и евтино добиване. Тази разлика в цените от 60:1 осигурява силна икономическа основа за производството на натриево-йонни батерии.

Сравнение на материалните разходи между натриево-йонни и литиево-йонни батерии

Акумулаторите с натриеви йони използват алуминий вместо мед в компонентите на токопроводниците, което намалява разходите за материали с около 34%. Като се имат предвид реалните цифри, стандартен пакет от 60 kWh, изработен с натриева технология, струва около 940 долара за суровини, докато аналогичните литиеви пакети достигат приблизително 1420 долара според Energy Storage Insights от миналата година. Пазарът е преживял и рязки колебания – цените на лития са скочили почти три пъти между 2020 г. и днес, докато тези на натрия са останали относително стабилни с колебание от около 12%. Това означава, че системите въз основа на натрий осигуряват реална икономия веднага и запазват това предимство и в дългосрочен план.

Намалена зависимост от критични минерали като кобалт и никел

Батериите с натриеви йони работят по различен начин в сравнение с литиевите, тъй като не се нуждаят от кобалт, като повечето от който (около 70%) идва от Демократична република Конго. Те също избягват нуждата от големи количества никел, почти половината от който се добива в Индонезия. Според последния Доклад за критични минерали за 2025 г., Китай има огромен дял в преработката на литий – около 85%, но когато става въпрос за ресурсите за производство на натрий, техният дял пада до само 23%. Тази разлика създава възможности за компании, които търсят начини да намалят рисковете в своите вериги за доставки, без да зависят толкова силно от единични източници.

Анализ на контроверзията: Преувеличени ли са спестяванията на дългосрочен план?

Някои сочат, че батериите с натриев йон имат проблем с по-ниската плътност на енергията, което означава по-големи инсталации като цяло, така че спестяванията може да не са толкова големи, колкото се надяваме. От друга страна, появяват се нови конструкции, използващи сярови компоненти, които изглежда подобряват производителността, без да жертват стандартите за безопасност. При разглеждане на приложения в мащабни мрежи, където пространството не е толкова голям проблем, повечето оценки сочат около 18 до 22 процента спестяване на разходите през целия животен цикъл, дори и при всички тези първоначални предизвикателства при увеличаване на производството.

Подобрена безопасност и топлинна стабилност

По-нисък риск от топлинен пробой при батерии с натриев йон спрямо тези с литиев йон

Когато става въпрос за топлоустойчивост, натриевите йонни батерии всъщност по-добре издържат на топлинен разгон в сравнение с онези досадни литиеви, които толкова добре познаваме. Според проучване, публикувано миналата година в списание Journal of Power Sources, тези натриеви клетки могат да поемат работни температури с около 20 до дори 30 процента по-високи, преди нещата да станат опасни. Защо? Ами натрият просто не реагира толкова силно с електролитните материали вътре в батерията, което означава, че по-малко от тези опасни топлообразуващи реакции се случват, когато нещо се обърка – например при претоварване или ако батерията получи физическа повреда. Вземете като пример клетките с литиев желязен фосфат – те обикновено навлизат в топлинен разгон при около 210 градуса по Целзий, докато версиите с натриеви йони остават доста спокойни и сдържани над 250 градуса, без да възникнат проблеми с верижна реакция и отказ.

Вродена електрохимична стабилност на натриевите химически състави

По-големият размер на натриевите йони (около 0,95 ангстрьома в сравнение с 0,6 ангстрьома при литиевите) означава, че те могат да преминават по-лесно през електродите на батерии, което помага за намаляване на опасните дендрити, които се образуват с времето. Проучване, публикувано в „Nature Materials“ през 2022 г., показа още нещо интересно: натриево-йонните клетки всъщност имат около 40 процента по-малко вътрешни къси съединения при бързо зареждане в сравнение с литиевите аналогови. Друго голямо предимство идва от напълно изключването на кобалта, тъй като този елемент частично отговаря за това литиевите батерии понякога да възпламеняват. Без кобалт в сместа, натриево-йонната технология по подразбиране става значително по-безопасна.

Примерно изследване: Резултати от тестове за безопасност на водещи производители на натриево-йонни батерии

Тестовете по стандарт UN38.3 показаха нещо интересно за натриево-йонните клетки при пробив с гвоздей. Те запазват температурата на повърхността под 60 градуса по Целзий, дори когато излизат от строя, докато литиево-йонните NMC клетки се нагряват значително повече, надхвърляйки 180 градуса. Освен това, натриево-йонните батерийни пакети запазват 98 процента от първоначалния си капацитет след 500 цикъла на зареждане-разреждане при 45 градуса по Целзий. Това е значително по-добре в сравнение с литиевите батерии, които постигат около 85% запазване на капацитета при съпоставими условия. Като се имат предвид тези данни, става напълно ясно защо натриево-йонната технология може да е по-подходяща за ситуации, в които активното управление на топлината просто не е осъществимо или би било прекалено скъпо.

Тенденция: Увеличаващо се регулаторно внимание към безопасността на батериите в микроколи и стационарни системи за съхранение

Преработените правила на ЕС за батерии (2024 г.) изискват сертифициране от трета страна за устойчивост към топлинен пробив в стационарни системи за съхранение, което благоприятства по-сигурни по природа технологии като натриево-йонните. Анализаторите прогнозират увеличение с 300% на разположенията на базата на натрий до 2030 г., предизвикано от стандарти за пожарна безопасност в градски станции за зареждане на микроколи и жилищни фотоволтаични системи със съхранение.

Околосредни и устойчивостни предимства

По-нисък въглероден отпечатък при добива на суровини

Въглеродният отпечатък на натриево-йонните батерии намалява с около 54%, когато се разглежда добивът на суровини, в сравнение с литиевите аналогови модели, както показват скорошни изследвания от 2023 г. за жизнен цикъл. Добивът на натриев карбонат изисква значително по-малко енергия и водни ресурси в сравнение с лития, при който компаниите често използват масивни изпарителни пруди, които могат да погълнат около половин милион галона вода само за да произведат един тон литий. Още по-добро е, че добивът на натрий от морска вода намалява проблемите с увреждането на земята с около 37% според доклада на Global Mining Sustainability Index от миналата година. Такива екологични предимства правят натриево-йонните технологии все по-привлекателни за устойчиви приложения.

Рециклиране и управление в края на живота на натриево-йонните елементи

Липсата на кобалт и никел опростява рециклирането. Съществуващите процеси възстановяват 92% от материалите от клетки с натриеви йони в сравнение с 78% за литиево-йонните благодарение на нетоксични алуминиеви токопроводници и катоди на база желязо, които избягват опасното измиване. Затворени системи вече се прилагат за директно възстановяване на съединения на натрий с цел повторна употреба в нови батерии.

Показатели за устойчивост в сравнение с литиево-йонните аналогове

Йонните литиеви батерии определено имат по-голяма мощност, когато става въпрос за плътност на енергията – около 200 до 250 Wh на кг, спрямо само 100 до 160 Wh на кг при другите опции. Но като се имат предвид показатели за устойчивост, като количеството вода, използвано за производството на всеки kWh, дали материалите идват от етични източници и какво се случва с тях след употреба в депата за отпадъци, системите с натриеви йони всъщност постигат около 40 процента по-добри резултати според последните проучвания. Тъй като разпоредбите на Европейския съюз все повече наблягат на оценките на екологичното въздействие, все повече компании започват да виждат технологията с натриеви йони като предпочитано решение, особено за неща като съхранение на възобновяема енергия в електрическите мрежи и за захранване на онези малки местни електромобили, които масово се появяват напоследък.

Производителност, производство и приложна пригодност

Възможност за бързо зареждане и работа при ниски температури на натриево-йонните батерии

Акумулаторите с натриеви йони работят изключително добре при трудни температурни условия. Дори при минус 20 градуса по Целзий тези батерии запазват около 85 процента от капацитета си за зареждане, според Energy Storage Journal от миналата година. За сравнение, литиевите акумулатори едва достигат 60% при подобни условия. За райони, където зимата е сурова, или за малки електрически превозни средства, работещи в студени климатични зони, натриевите йони стават все по-привлекателна опция. Освен това има и друго предимство – тяхната способност за ефективно провеждане на йони означава, че могат да се зареждат около 25% по-бързо в сравнение с обикновените литиево-желязно-фосфатни клетки. Такава скорост има голямо значение за електрическите мрежи, които се нуждаят от бързи реакции по време на върхови натоварвания.

Компромис: Сравнение на плътността на енергията между натриево-йонни и литиево-йонни акумулатори

Батериите с натриев йон обикновено имат около 150 Wh на кг днес, което означава, че съдържат приблизително 60 процента от това, което могат да постигнат най-добрите литиеви клетки. Но нещата се променят бързо благодарение на някои пробиви в развитието на катодни материали през последното време. Според данни от сп. Materials Today от миналата година, разликата в производителността намалява до около 30% в лабораторни прототипи. Когато става въпрос за големи стационарни инсталации като съоръжения за съхранение на енергия в мрежата, по-ниската плътност на енергията не е толкова голям проблем, тъй като ограниченията по площ там не са толкова строги. Националната лаборатория по възобновяема енергия също провежда изследвания и установява, че технологията с натриев йон работи достатъчно добре за почти девет от десет приложения за големи системи за съхранение на енергия в страната в момента.

Подобни дизайн и производствени процеси, позволяващи повторна употреба на инфраструктурата

Производителите на батерии могат да адаптират 70–80% от съществуващите линии за производство на литиево-йонни елементи за изграждане на натриево-йонни клетки, като по този начин намалят капитаните разходи с до 40%. Преходът използва общи процеси, включително приготвяне на суспензия за електроди, оборудване за формиране и архитектури на системи за управление на батерии.

Модернизация на производствени линии за изграждане на натриево-йонни клетки

Големи батерийни заводи в Азия са завършили модернизациите за срок от 6–9 месеца — значително по-бързо от необходимите 24+ месеца за нови литиеви съоръжения. Според Доклада за производство на чиста енергия 2023 г., повторно използваната инфраструктура осигурява икономия от 18 долара/МВч, което ускорява глобалния капацитет на натриево-йонните батерии до 200 ГВч до 2025 г.

Приложения в мащабни енергийни съоръжения, микроколи и развиващи се пазари

С живот на цикъла, достигащ 92% от този на литиевите алтернативи, натриево-йонните батерии доминират новите оферти за мрежови съхранения с продължителност 4–8 часа. Тяхната устойчивост към топлина и предимства в безопасността са особено ценни в развиващи се пазари. В Югоизточна Азия разверзването на микроколи, използващи натриево-йонни технологии, нараства с 300% годишно от 2021 г., подпомагано от намалените изисквания за охлаждане и подобрена експлоатационна безопасност.

Често задавани въпроси

Как изобилието на натрий в земната кора благоприятства производството на батерии?

Натрият е по-широко разпространен и достъпен в сравнение с лития, което прави производството на натриево-йонни батерии по-икономично и по-малко обременено за околната среда поради по-прости процеси на добив.

Защо натриево-йонните батерии се считат за по-геополитически стабилни?

Ресурсите на натрия са широко разпределени по света, което намалява риска от прекъсвания в доставките, характерни за региони с концентрирани залежи на литий.

Какви са икономическите предимства при използването на натриево-йонни вместо литиево-йонни батерии?

Батериите с натриеви йони имат по-ниски разходи за материали поради изобилието и стабилността на цените на натрия, което осигурява икономически ефективна алтернатива на литиево-йонните батерии, особено при увеличаване на производството на натриево-йонни батерии.

По-сигурни ли са батериите с натриеви йони в сравнение с литиево-йонните батерии?

Да, батериите с натриеви йони притежават по-добра топлинна стабилност и по-нисък риск от топлинен пробой, което ги прави по-безопасни за приложения като микроколи и стационарни системи за съхранение.