Mitä etuja natriumionikäyttö tarjoaa litiumkäyttöön verrattuna?

Raaka-aineiden runsaus ja saatavuus

Maan kuoren natriumpitoisuus verrattuna litiumiin

Natrium on kuudenneksi yleisin maankuoren alkuaine, ja sen osuus painoprosenttina on noin 2,3 %. Litiumin tilanne on täysin erilainen: se on ainoastaan 0,006 % vuoden 2023 Yhdysvaltain geologian tutkimuslaitoksen (USGS) mukaan. Näiden lukujen ero on valtava – natriumia on yli 380 kertaa enemmän. Tämä on erittäin merkityksellistä akkuteknologiaa ajateltaessa. Litiumin louhintaan liittyy joko pitkäkestoisia suolaveteen perustuvia haihdutusprosesseja tai energiakäyttöä vaativia kivien kaivamisoperaatioita. Natriumyhdisteet taas ovat kaikkialla. Otetaan esimerkiksi natriumkloridi eli ruokasuu. Suolasuot, valtameret täyteen merivettä ja tietyt sedimenttikäännökset sisältävät runsaasti natriumyhdisteitä. Nämä eivät ole ainoastaan runsassa määrin saatavilla, vaan niiden hankinta on myös huomattavasti suoraviivaisempaa verrattuna litiumin tuotantoon.

Natriumin lähteiden maantieteellinen jakautuminen ja louhintapääsy

Suurin osa maailman litiumista saadaan niin sanotusta litiumkolmioalueelta, joka sijaitsee Argentiinan, Chilen ja Bolivian välillä. Nämä kolme maata vastaavat noin 58 % kaikista saatavilla olevista litiumvarannoista vuoden 2024 DOE-tietojen mukaan. Natrium on kuitenkin erilainen. Natriumresursseja löytyy noin 94 eri maasta ympäri maailmaa, ja merkittäviä suolavarantoja on käytännössä kaikkialla, missä ihmisiä asuu. Tämä laajempi jakautuminen tekee natriumsta turvallisemman vaihtoehdon geopoliittisissa kysymyksissä. Olemme viime aikoina nähneet ongelmia litiumin hinnan nousun muodossa, kun eteläamerikkalaiset maat rajoittivat yhtäkkiä vientiään. Koska natrium on paljon tasaisemmin jakautunut ympäri planeettaa, on pienempi mahdollisuus sille, että yksi alue aiheuttaa maailmanlaajuisia puutteita tai hintashokkeja.

Natrium-ionibatterioiden vaikutukset globaalin toimitusketjun kestävyyteen

Natriumia on lähes kaikkialla, mikä tarkoittaa, että valmistajat voivat perustaa toimipisteitä paikallisesti eivätkä joudu riippumaan niistä pitkistä ja epävakaista maailmanlaajuisista toimitusketjuista, joiden kanssa olemme kaikki päässeet tutuksi. Otetaan esimerkiksi litiumioniakut, joiden raaka-aineita kuljetetaan ympäri maailmaa – keskimäärin joskus yli 10 000 mailia. Natriumionitekniikka toimii eri tavalla, koska se voi hyödyntää lähellä saatavilla olevia materiaaleja. Jotkin MIT:n vuoden 2023 tutkimukset viittaavat siihen, että tämä lähestymistapa saattaa vähentää mineraalien yhden katon alla -ostamiseen liittyvää riippuvuuttamme noin kolmenvaiheisesti. Kun hallituksen politiikat, kuten inflaation hillintälaki (Inflation Reduction Act), kannustavat yrityksiä hankkimaan raaka-aineita kotimaasta, natriumionitekniikka vaikuttaa siltä, että se saattaa todella ravistella energian varastoinnin tapoja seuraavan parin vuosikymmenen aikana.

Kustannustehokkuus ja vähentynyt riippuvuus kriittisistä mineraaleista

Litiumkarbonaatin ja natriumkarbonaatin hintakehitys

Litiumkarbonaatin hinta nousi 74 000 $/tonniin vuonna 2022 ennen kuin se laski 20 300 $/tonniin vuonna 2024, mikä kuvastaa erittäin suurta markkinavaihtelua. Natriumkarbonaatti sen sijaan on pysynyt vakavana noin 320 $/tonnissa runsaiden varantojen ja edullisen hankinnan ansiosta. Tämä 60:1 hintaero tarjoaa vahvan taloudellisen perustan natrium-ionisakkujen tuotannolle.

Natrium- ja litiumionisakkojen materiaalikustannusten vertailu

Natriumioniakut vaihtavat kuparin alumiiniksi virtakontaktinsa komponenteissa, mikä vähentää materiaalikustannuksia noin 34 %. Katsotaanpa konkreettisia lukuja: standardi 60 kWh akku, joka on valmistettu natriumpohjaisella teknologialla, maksaa noin 940 dollaria raaka-aineista, kun taas vastaava litiumakku maksaa noin 1 420 dollaria viime vuoden Energy Storage Insights -tietojen mukaan. Markkinoilla on nähty myös voimakkaita heilahduksia – litiumin hinnat nousivat lähes kolminkertaisiksi vuodesta 2020 lähtien, kun taas natriumin hinta on pysynyt suhteellisen vakiona noin 12 %:n vaihteluvälillä. Tämä tarkoittaa, että natriumpohjaiset järjestelmät tarjoavat välittömiä säästöjä ja säilyttävät edunsa ajan mittaan.

Vähentynyt riippuvuus kriittisistä mineraaleista, kuten koboltista ja nikkelistä

Natriumioniakut toimivat eri tavalla kuin niiden litiumakut, koska ne eivät tarvitse kobolttia, jonka suurin osa (noin 70 %) on peräisin Kongon demokraattisesta tasavallasta. Ne myös välttävät suurten määrien nikkelin käyttöä, joista lähes puolet louhitaan Indonesiassa. Viimeisimmän vuoden 2025 kriittisten mineraalien raportin mukaan Kiina hallitsee noin 85 %:sti litiumin jalostuksesta, mutta kun tulee natriumin tuotantoresursseihin, heidän osuutensa laskee vain 23 %:iin. Tämä ero luo mahdollisuuksia yrityksille, jotka pyrkivät vähentämään riskien altistumistaan toimitusketjuissaan ilman, että luotetaan liikaa yksittäisiin lähteisiin.

Kiistanalainen analyysi: Ylitulkitaanko pitkän aikavälin säästöt?

Jotkut huomauttavat, että natrium-ioniaakkujen ongelmana on alhaisempi energiatiheys, mikä tarkoittaa suurempia asennuksia yleisesti ottaen, joten säästöt eivät ehkä ole niin merkittäviä kuin toivoisimme. Toisaalta kehitteillä on uusia suunnitelmia, jotka käyttävät rikkiä sisältäviä osia, ja nämä vaikuttavat parantavan suorituskykyä turvallisuusstandardeja vaarantamatta. Kun tarkastellaan laajamittaisia sähköverkkosovelluksia, joissa tila ei ole suuri ongelma, useimmat arviot viittaavat noin 18–22 prosentin säästöihin elinkaaren kustannuksissa, edes silloin kun otetaan huomioon kaikki tuotannon skaalautumiseen liittyvät alkuvaiheen haasteet.

Parannettu turvallisuus ja termistävakkuus

Natrium-ioniakkujen alhaisempi termisen läpilöydön riski verrattuna litium-ioniakkuihin

Kun kyseessä on lämpötilan kestävyys, natriumionikennot oikeastaan kestävät paremmin termistä lähtemistä verrattuna niihin tuttuihin litiumkennoihin. Viime vuonna Journal of Power Sourcesissa julkaistun tutkimuksen mukaan nämä natriumkennot kestävät toimintalämpötiloja, jotka ovat noin 20–30 prosenttia korkeammat ennen kuin tilanteesta tulee vaarallinen. Miksi? No, natrium ei reagoi yhtä voimakkaasti akun sisällä olevien elektrolyyttimateriaalien kanssa, mikä tarkoittaa, että vähemmän vaarallisia lämpöä tuottavia reaktioita tapahtuu, kun jokin menee pieleen – esimerkiksi ylikuormituksen tai fyysisen vaurion sattuessa. Otetaan esimerkiksi litiumrautafosfaattikennot: ne alkavat yleensä mennä termiseen lähtemiseen noin 210 asteen Celsius-asteessa, kun taas natriumioniversiot pysyvät rauhallisina ja hallituksissa yli 250 asteessa ilman ketjureaktiovaurioiden esiintymistä.

Natriumpohjaisten kemiallisten systeemien luontainen sähkökemiallinen stabiilius

Natriumionien suurempi koko (noin 0,95 ångströmiä vastaan litiumin 0,6 ångströmiä) tarkoittaa, että ne liikkuvat helpommin akkujen elektrodeissa, mikä vähentää vaarallisten ajan myötä muodostuvien sientenkaltaisten rakenteiden syntymistä. Nature Materials -julkaisussa vuonna 2022 julkaistu tutkimus osoitti myös mielenkiintoisen seikan: natriumionisoluissa oli noin 40 prosenttia vähemmän sisäisiä oikosulkuja nopean latauksen aikana verrattuna litiumakkeihin. Toinen merkittävä etu on koboltin täydellinen poissulkeminen, koska tämä alkuaine osaltaan aiheuttaa sen, että litiumakut joskus syttyvät palamaan. Ilman kobolttia natriumionitekniikka on luonteeltaan turvallisempi jo alusta alkaen.

Tapausstudy: Turvallisuustestien tulokset johtavilta natriumioniakkuvalmistajilta

Koe tulosten mukaan UN38.3 -standardien mukaisissa kynsien läpäisytesteissä natrium-ionikeskuissa säilyi pinnan lämpötila alle 60 asteen, vaikka kenno vaurioitui, kun taas litium-NMC-kennot kuohosivat paljon enemmän ja ylittivät 180 asteen lämpötilan. Lisäksi natrium-ionia käyttävät akkupaketit säilyttivät 98 prosenttia alkuperäisestä kapasiteetistaan 500 lataus-purkussyklin jälkeen 45 asteen lämpötilassa. Tämä on selvästi parempi kuin litiumakkuja, jotka säilyttivät noin 85 prosenttia kapasiteetistaan samankaltaisissa olosuhteissa. Näiden lukujen perusteella on melko selvää, miksi natrium-ionitekniikka saattaa soveltua paremmin tilanteisiin, joissa aktiivinen lämmönhallinta ei ole mahdollista tai olisi liian kallista.

Trendi: Kasvava sääntelyllinen painopiste akkujen turvallisuudessa mikroautoissa ja staattisessa varastoinnissa

Uudet EU:n akkumääräykset (2024) edellyttävät nyt kolmannen osapuolen sertifiointia lämpöperkeleen kestävyydestä pysäköidyn varastoinnin järjestelmissä, mikä suosii luonteeltaan turvallisempia teknologioita, kuten natrium-ionitekniikkaa. Analyytikot ennustavat natriumpohjaisten järjestelmien käytön kasvavan 300 % vuoteen 2030 mennessä, ja tämän kasvun ajaa paloturvallisuusvaatimukset kaupunkien mikroautojen latausasemissa ja asuinkohtaisten aurinko- ja varastosovellusten yhteydessä.

Ympäristö- ja kestävyysedut

Alhaisempi hiilijalanjälki raaka-aineiden hankinnassa

Natriumioniakkujen hiilijalanjälki laskee noin 54 % raaka-aineiden louhinnan osalta verrattuna litiumakkeihin, kuten vuoden 2023 elinkaariarviointitutkimukset ovat osoittaneet. Natriumkarbonaatin hankinta vaatii huomattavasti vähemmän energiaa ja vettä kuin litiumin, jossa yritykset käyttävät usein valtavia haihdutuslamautta, jotka voivat kuluttaa noin puoli miljoonaa gallonaa vettä ainoastaan yhden tonnin litiumin tuottamiseksi. Asiaa vielä parantaa se, että merivedestä peräisin oleva natrium vähentää maa-aloihin kohdistuvia haittoja noin 37 %, kuten viime vuoden Global Mining Sustainability Index -raportti kertoo. Tällaiset ympäristöedut tekevät natriumionitekniikasta yhä houkuttelevampaa kestävissä sovelluksissa.

Natriumionisellien kierrätettävyys ja käytöstä poistamisen hallinta

Kobolttin ja nikkelin puuttuminen yksinkertaistaa kierrätystä. Nykyiset prosessit hyödyntävät 92 % materiaaleista natrium-ionisoluista verrattuna litium-ionisoluihin, joissa hyödynnetään myrkyttömiä alumiinivirtakiskojen ja rautapohjaisia katodeja, jotka estävät vaarallisen liukenemisen. Suljettuja kierrätysjärjestelmiä otetaan nyt käyttöön natriumyhdisteiden keräämiseksi uudelleenkäyttöön uusissa akkuissa.

Ympäristövaikutusten mittarit vertailussa vastaaviin litium-ioniratkaisuihin

Litiumioniakut tarjoavat selvästi enemmän tehoa energiatiheyden osalta, noin 200–250 Wh/kg, kun taas muilla vaihtoehdoilla se on vain 100–160 Wh/kg. Mutta kun tarkastellaan kestävyyttä mittareiden mukaan, kuten kuinka paljon vettä käytetään tuotettaessa jokaista kWh:ia, ovatko materiaalit peräisin eettisistä lähteistä ja mitä niille tapahtuu roskakatoissa, natriumioniakut todellisuudessa suoriutuvat noin 40 prosenttia paremmin viimeaikaisten tutkimusten mukaan. Kun Euroopan unionin säännökset yhä enemmän painottavat ympäristövaikutusten arviointia, monet yritykset alkavat nähdä natriumioniteknologian ensisijaisena ratkaisuna erityisesti sellaisissa sovelluksissa kuin uusiutuvan energian varastointi sähköverkoissa ja pienien naapurustojen sähköautojen virittäminen, joita on viime aikoina nähty kaikkialla.

Suorituskyky, valmistus ja sovelluskelpoisuus

Natrium-ioniakkujen nopealatauskyky ja toiminta alhaisissa lämpötiloissa

Natriumioniakut toimivat erittäin hyvin kovissa lämpötiloissa. Viime vuoden Energy Storage Journal -julkaisun mukaan nämä akut säilyttävät noin 85 prosenttia varauskapasiteetistaan jo -20 asteen pakkasessa. Vertailuksi litiumakut säilyttävät vastaavissa olosuhteissa tuskin kuin 60 prosenttia kapasiteetistaan. Alueilla, joilla talvet ovat ankaria, tai pienille sähköajoneuvoille kylmissä ilmastoissa natriumionit ovat yhä houkuttelevampi vaihtoehto. Lisäksi niillä on toinen etu: niiden kyky johtaa ioneita niin tehokkaasti tarkoittaa, että ne latautuvat noin 25 prosenttia nopeammin kuin tavalliset litiumrauta-fosfaattiakut. Tämäntyyppinen nopeus on erittäin tärkeää sähköverkoille, jotka tarvitsevat nopeaa reaktiota huippukysynnän aikana.

Kompromissi: Energiantiheyden vertailu natrium- ja litiumioniakkujen välillä

Natriumioniakut nykyään yleensä saavat noin 150 Wh/kg, mikä tarkoittaa, että ne sisältävät noin 60 prosenttia siitä, mitä parhaat litiumkennon tyypit pystyvät tarjoamaan. Mutta tilanne muuttuu nopeasti viimeaikaisen katodimateriaalikehityksen läpimurtojen ansiosta. Materials Todayin viime vuoden mukaan laboratoriotestien mukaan suorituskykyero on kutistunut noin 30 prosenttiin. Kun kyseessä ovat suuret kiinteät asennukset, kuten sähköverkkovarastot, alhaisempi energiatiheys ei ole yhtä suuri ongelma, koska tilalliset rajoitteet eivät ole yhtä tiukat. National Renewable Energy Laboratory teki myös testejä ja totesi, että natriumionitekniikka soveltuu riittävän hyvin lähes kauteen kymmenestä suuren mittakaavan sähkövarastointisovelluksesta maan laajuisesti juuri nyt.

Samankaltainen suunnittelu- ja valmistusprosessi mahdollistaa infrastruktuurin uudelleenkäytön

Akunvalmistajat voivat sovittaa 70–80 % olemassa olevista litiumioni-tuotantolinjoista natriumioniakkujen valmistukseen, mikä vähentää pääomakustannuksia jopa 40 %. Siirtyminen hyödyntää yhteisiä prosesseja, kuten elektrodisuspension valmistusta, muodostuslaitteistoa ja akkujärjestelmien hallintarkkitehtuureja.

Tuotantolinjojen uudelleenrakentaminen natriumionisellujen valmistukseen

Suuret akkutehtaat Aasiassa ovat saattaneet uudelleenrakennukset päätökseen 6–9 kuukaudessa – huomattavasti nopeammin kuin uusien litiumtehtaiden vaatimat yli 24 kuukautta. Vuoden 2023 Clean Energy Manufacturing -raportin mukaan uudelleenkäytetty infrastruktuuri tuo 18 $/MWh säästöt, mikä kiihdyttää maailmanlaajuista natriumionikapasiteettia 200 GWh:iin mennessä vuoteen 2025.

Käyttökohteet verkkokohtaisessa energiavarastoinnissa, mikroautoissa ja nousevissa markkinoilla

Kun syklin kesto saavuttaa 92 % litiumvaihtoehdoista, natriumioniakut hallitsevat uusia tarjouksia 4–8 tunnin verkkosäilytykseen. Niiden lämpöresistenssi ja turvallisuusedut ovat erityisen arvokkaita kehittyvillä markkinoilla. Kaakkois-Aasiassa mikroautojen käyttöönotto, joka hyödyntää natriumionitekniikkaa, on kasvanut vuodesta 2021 lähtien vuosittain 300 %, mikä johtuu vähentyneistä jäähdytystarpeista ja parantuneesta käyttöturvallisuudesta.

Usein kysytyt kysymykset

Miten natriumin runsaus maankuoressa hyödyttää akkujen tuotantoa?

Natriumi on saatavilla runsaasti verrattuna litiumiin, mikä tekee natriumioniakkujen tuotannosta kustannustehokkaampaa ja ympäristölle kevyempää yksinkertaisempien louhintamenetelmien ansiosta.

Miksi natriumioniakkuja pidetään geopoliittisesti vakaina?

Natriumvarat ovat laajalti hajautettuja maailmanlaajuisesti, mikä vähentää toimitusketjun keskeytymisen riskiä, joka on yleistä alueilla, joissa litiumvarat ovat keskittyneitä.

Mitä taloudellisia etuja natriumioniakkujen käytöllä on litiumioniakkuihin verrattuna?

Natriumioniakkujen materiaalikustannukset ovat alhaisemmat natriumin runsauden ja hintavakautta vuoksi, mikä tarjoaa kustannustehokkaan vaihtoehdon litiumioniakkuihin, erityisesti kun natriumioniakkujen tuotanto skaalautuu.

Ovatko natriumioniakut turvallisempia kuin litiumioniakut?

Kyllä, natriumioniakut ovat termisesti stabiilimpia ja niissä on pienempi riski lämpöläpimurrosta, mikä tekee niistä turvallisempia sovelluksissa, kuten mikroautoissa ja kiinteissä varastointijärjestelmissä.