Kokie privalumai natrio jonų baterijos turi prieš litio baterijas?

Žaliavų gausa ir prieinamumas

Žemės plutos natrio ir litio palyginimas

Natrijus yra šeštas pagal eilę elementas žemės plutos sudėtyje, sudarydamas apie 2,3 % masės. Litis visiškai kitoks atvejis – pagal JAV geologijos tarnybos (USGS) 2023 m. duomenis, jis sudaro tik 0,006 %. Šių skaičių skirtumas yra milžiniškas – natrijaus kiekis viršija litį daugiau nei 380 kartų. Tai labai svarbu kalbant apie baterijų technologiją. Lio ekstrahavimas reikalauja ilgų tirpalo garinimo procesų arba energiją intensyviai naudojančių akmens kasybos operacijų. O natrio junginiai? Jie yra visur. Paimkime pavyzdžiui natrio chloridą. Druskos lygumos, jūros, pilnos jūros vandens, netgi tam tikri sedimentaciniai baseinai turi gausybę natrio junginių. Šie ištekliai yra ne tik gausūs, bet ir palyginti lengvai pasiekiami, priešingai nei tie, kurie reikalingi lio gamybai.

Natrio šaltinių geografinis pasiskirstymas ir kasybos prieinamumas

Dauguma pasaulio litio kiekio kilęs iš taip vadinamo Litio trikampio tarp Argentinos, Čilės ir Bolivijos. Tik šios trys šalys pagal JAV energetikos departamentą (DOE) 2024 m. duomenis sudaro apie 58 % viso prieinamo litio. Natrijus yra kitoks. Natrijaus išteklių galima rasti maždaug 94 skirtingose šalyse visame pasaulyje, o dideli druskos klodai yra praktiškai visur, kur gyvena žmonės. Šis platesnis paplitimas iš tikrųjų daro natrijų saugesniu pasirinkimu, kalbant apie geopolitines problemas. Pastaruoju metu matėme sunkumų dėl litio kainų staigaus kilimo, kai Pietų Amerikos šalys netikėtai apribojo eksportą. Dėl to, kad natrijus yra tolygiau paskirstytas visame pasaulyje, mažesnė tikimybė, kad viena regione kiltų pasaulinė trūkstis arba kainų šuoliai.

Natrio- joninių baterijų poveikis globalios tiekimo grandinės atsparumui

Natris praktiškai yra visur, kas reiškia, kad gamintojai gali kurti gamyklas vietos lygmeniu, o ne priklausyti nuo ilgų ir nestabilios veikos pasaulinių tiekimo grandinių, su kuriomis visi jau pernelyg gerai susipažinome. Paimkime litio jonų baterijas – joms reikalingos medžiagos vidutiniškai vežamos daugiau nei 10 tūkstančių mylių aplink pasaulį. Natrio jono technologija veikia kitaip, nes gali naudoti tai, kas yra prieinama vietos mastu. Kai kurie 2023 metais atlikti MIT tyrimai parodė, kad šis požiūris galėtų sumažinti mūsų priklausomybę nuo mineralų vienvietėse pirkimo vietose maždaug trimis ketvirtais. Be to, vyriausybės politika, tokia kaip Infliacijos sumažinimo aktas, skatina įmones medžiagas įsigyti vietos mastu, todėl natrio jono technologija ateinančiais dešimtmečiais gali rimtai paveikti energijos kaupimo sektorių.

Kainos efektyvumas ir sumažinta priklausomybė nuo kritinių mineralų

Litio karbonato ir natrio karbonato kainų tendencijos

Litio karbonato kainos 2022 m. išaugo iki 74 000 USD/toną, o 2024 m. sumažėjo iki 20 300 USD/toną, atspindėdamos ekstremalią rinkos nestabilumą. Atrako karbonatas, palyginti, išlieka stabilus – arti 320 USD/toną – dėl gausių atsargų ir žemos išgavimo kainos. Šis 60:1 kainų skirtumas sukuria stiprią ekonominę bazę natrį naudojančių baterijų gamybai.

Medžiagų kainų palyginimas tarp natrį ir litį naudojančių baterijų

Natrio jonų baterijos savo srovės kolektorių komponentuose keičia varį į aliuminį, dėl ko medžiagų išlaidos sumažėja apie 34 %. Atsižvelgiant į faktinius skaičius, standartinis 60 kWh šio tipo paketas kainuoja apie 940 JAV dolerių už žaliavas, tuo tarpu panašūs litio paketai kainuoja arti 1 420 JAV dolerių, tai rodo duomenys iš Energy Storage Insights praėjusiais metais. Rinka taip pat patyrė smarkius svyravimus – litio kainos nuo 2020 metų išaugo beveik trigubai, tuo tarpu natrio kaina išliko santykinai stabilus su tik apie 12 % svyravimais. Tai reiškia, kad natriu pagrįstos sistemos siūlo tikras ir nedelsiant pasireiškiančias sutaupymo galimybes, kurios išlaikomos ilgainiui.

Sumažinta priklausomybė nuo kritinių mineralų, tokių kaip kobaltas ir nikelis

Natrio jonų baterijos veikia kitaip nei jų litis pagrindu pagamintos atmainos, nes jos neturi reikalauti kobalto, kurio didžiąją dalį (apie 70 %) sudaro Demokratinės Kongos Respublikos eksportas. Jos taip pat išvengia didelių nikelio kiekio poreikio, beveik pusę kurio gauna Indonezija. Pagal naujausią 2025 m. kritinių mineralų ataskaitą, Kinija kontroliuoja apie 85 % litio perdirbimo, tačiau kalbant apie natrio gamybos išteklius, jų dalis sumažėja iki tik 23 %. Šis skirtumas sukuria galimybes įmonėms, kurios siekia sumažinti riziką tiekimo grandinėse ir nepriklausyti nuo vienintelio šaltinio.

Prieštaringumo analizė: ar ilgalaikės sąnaudų taupymo prognozės pervertintos?

Kai kurie žmonės atkreipia dėmesį, kad natrio jonų baterijos turi mažesnį energijos tankį, dėl ko bendrai reikia didesnių įrenginių, todėl taupymas gali pasirodyti ne toks didelis, kaip tikimasi. Kita vertus, atsiranda nauji konstrukciniai sprendimai, naudojantys sieros pagrindu pagamintas dalis, kurie atrodo pagerina našumą, nesumažindami saugos standartų. Didelės apimties tinklo taikymo srityse, kur plotas nėra tokia problema, dauguma prognozių rodo apie 18–22 procentų sąnaudų taupymą visą eksploatacijos laikotarpį, net atsižvelgiant į visas ankstyvas gamybos mastelio didinimo problemas.

Patobulinta sauga ir termine stabiliškumas

Mažesnė šiluminio nestabilumo rizika natrio jonų baterijose lyginant su litijaus jonų baterijomis

Kalbant apie karščio atsparumą, natrio jonų baterijos iš tiesų geriau atlaiko šiluminį nestabilumą lyginant su tais varganais litio tipais, kuriuos visi taip gerai pažįstame. Pagal prieš metus paskelbtą tyrimą žurnale „Journal of Power Sources“, šios natrio elementės gali išlaikyti darbo temperatūras, kurios yra apie 20–30 procentų aukštesnės, kol situacija tampa pavojinga. Kodėl? Na, natris tiesiog mažiau smarkiai reaguoja su elektrolito medžiagomis baterijos viduje, kas reiškia, kad gedimo atveju – pvz., perkrovos ar fizinio pažeidimo – vyksta mažiau pavojingų šilumą generuojančių reakcijų. Paimkime, pavyzdžiui, litio ferofosfato elementus – jie paprastai patenka į šiluminį nestabilumą esant apie 210 °C, tuo tarpu natrio jonų versijos lieka ramios ir subtilios net virš 250 °C be jokių grandininės reakcijos gedimų.

Natriso pagrindų chemijos elektrocheminė stabilumas

Didesnis natrio jonų dydis (apie 0,95 angstromų palyginti su litu – 0,6 angstromų) reiškia, kad jie gali lengviau judėti per baterijos elektrodus, kas padeda sumažinti pavojingus dendritus, kurie laikui bėgant susidaro. 2022 m. žurnale „Nature Materials“ paskelbtas tyrimas parodė dar kai ką įdomaus: greitai įkraunant, natrio jonų elementuose viduje trumpųjų jungčių buvo apie 40 procentų mažiau lyginant su litio atitikmenimis. Kitas svarbus pranašumas yra tai, kad visiškai atsisakoma kobalto, nes šis elementas dalinai atsakingas už tai, kodėl kartais užsidega litio baterijos. Pašalinus kobaltą iš sudėties, natrio jonų technologija nuo pat pradžių tampa žymiai saugesnė.

Atvejo analizė: saugumo testavimo rezultatai iš pirmaujančių natrio jonų gamintojų

Bandymai pagal UN38.3 standartus parodė kažką įdomaus apie natrio jonų elementus, kai buvo atliekamas vinies pradūrimo testas. Net ir sugedus, jų paviršiaus temperatūra išliko žemiau 60 laipsnių Celsijaus, tuo tarpu litio NMC elementai įkaista daug labiau – viršija 180 laipsnių. Be to, natrio jonų akumuliatorių blokai išlaikė 98 procentus pradinės talpos po 500 įkrovos-iškrovos ciklų esant 45 laipsnių Celsijaus temperatūrai. Tai gerokai pranašesnis rezultatas lyginant su litio akumuliatoriais, kurie panašiomis sąlygomis išlaikė tik apie 85 % talpos. Šie skaičiai aiškiai rodo, kodėl natrio jonų technologija gali būti tinkamesnė situacijoms, kai veikli šilumos valdymo sistemos naudojimas nėra įmanomas arba per brangus.

Tendencija: augantis reguliavimo dėmesys baterijų saugai mikroautomobiliuose ir stacionariose saugyklose

Peržiūrėtos ES baterijų taisyklės (2024 m.) dabar reikalauja trečiosios šalies sertifikavimo dėl atsparumo terminiam iškrovimui stacionariuose saugojimo sistemose, teikiant pranašumą nuo prigimties saugesniems sprendimams, tokiems kaip natrijo-jonų technologijos. Ekspertai prognozuoja 300 % padidėjimą natriju pagrįstų sistemų diegime iki 2030 m., ką skatina gaisrinės saugos standartai miestų mikroautomobilių įkrovimo stotelių ir buitinėse saulės energijos saugojimo sistemose.

Aplinkos ir tvarumo pranašumai

Mažesnis anglies pėdsakas gaunant žaliavas

Atsižvelgiant į žaliavų išgavimą, natrio jonų baterijų anglies pėdsakas sumažėja apie 54 % lyginant su litio baterijomis, kaip rodo 2023 m. metų gyvavimo ciklų tyrimai. Natrio karbonato gavybai reikia daug mažiau energijos ir vandens nei litio gavybai, kurioje įmonės dažnai naudoja milžiniškus garinimo baseinus, kuriuose sunaudojama apie pusę milijono galonų vandens, kad būtų pagaminta viena toną litio. Dar geriau tai, kad jūros vandenyje esantis natrias sumažina žemės pažeidimus apie 37 %, pagal praėjusiais metais paskelbtą Globalinės kalnakasybos darnumo indekso ataskaitą. Tokios aplinkosauginės naudos daro natrio jonų technologiją vis labiau patrauklią darniems taikymams.

Natrio jonų elementų perdirbimas ir naikinimas pasibaigus jų naudotojui

Kobalto ir nikolio nebuvimas supaprastina perdirbimą. Esami procesai išgauna 92% medžiagų nuo natrio-jonų elementų lyginant su 78 % litio-jonų dėka netoksiškų aliuminio srovės kolektorių ir geležimi pagrįstų katodų, kurie išvengia pavojingų išsiskyrimų. Uždarosios sistemos šiuo metu diegiamos, kad tiesiogiai perdirbtų natrio junginius ir juos pakartotinai naudotų naujuose akumuliatoriuose.

Tvarumo rodikliai, palyginti su litio-jonų atitikmenimis

Ličio jonų baterijos tikrai pasižymi didesniu energijos tankiu – apie 200–250 Wh/kg, palyginti su kitomis parinktimis, kurios siekia tik 100–160 Wh/kg. Tačiau vertinant atsakingo naudojimo rodiklius, tokius kaip vandens kiekis, reikalingas kiekvienam gaminti kWh, ar medžiagų kilmė iš etinių šaltinių bei jų likimą pasiekus sąvartynams, natrio jonų sistemos, pagal naujausius tyrimus, veikia apie 40 procentų geriau. Kadangi Europos Sąjungos taisyklės vis labiau dėmesį skiria aplinkos poveikio įvertinimui, vis daugiau įmonių pradeda matyti natrio jonų technologiją kaip pagrindinį sprendimą, ypač saugant atsinaujinančios energijos tinkluose ir maitinant mažus elektrinius automobilius, kuriuos pastaruoju metu vis dažniau galima pamatyti miesteliuose.

Našumas, gamyba ir taikymo tinkamumas

Natrio jonų baterijų greito įkrovimo gebėjimas ir veikimas žemoje temperatūroje

Natrio jonų baterijos puikiai veikia sunkiomis temperatūrinėmis sąlygomis. Net minus 20 laipsnių Celsijaus temperatūroje šios baterijos išlaiko apie 85 procentus savo talpos, teigia praėjusių metų Energy Storage Journal. Palyginimui, litio baterijos panašiomis sąlygomis vos pasiekia 60 %. Vietovėms, kur žiemos būna žiaurios, ar mažiems elektriniams automobiliams šaltuose klimatiniuose regionuose, natrio jonai tampa vis labiau patraukli alternatyva. Be to, yra dar viena verta minėti privalumas – jų gebėjimas efektyviai laiduoti jonus leidžia jiems įkrautis apie 25 % greičiau nei įprastinės litio geležies fosfato elementai. Toks greitis ypač svarbus energijos tinklams, kuriems reikia greitų atsakų didelės apkrovos metu.

Kompromisas: energijos tankio palyginimas tarp natrio ir litio jonų baterijų

Šiuo metu natrio jonų baterijos paprastai pasiekia apie 150 Wh/kg, kas reiškia, kad jos talpina maždaug 60 procentų to, ką gali aukščiausios kokybės litio elementai. Tačiau dėl pastarųjų laikų pralaužimų katodo medžiagų kūrime situacija sparčiai keičiasi. Pagal „Materials Today“ duomenis praėjusiais metais laboratoriniuose prototipuose matomas našumo skirtumas sumažėjo iki apie 30 procentų. Kalbant apie stambias fiksuotas įrangos sistemas, tokias kaip tinklo energijos kaupimo įrenginiai, žemesnis energijos tankis nėra toks svarbus, nes erdvės apribojimai ten nėra tokie griežti. Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija taip pat atliko tyrimus ir nustatė, kad natrio jonų technologija šiuo metu tinka beveik devyniems iš dešimties didelės apimties energijos kaupimo taikymų visoje šalyje.

Panašus dizainas ir gamybos procesai, leidžiantys pakartotinai naudoti infrastruktūrą

Baterijų gamintojai gali pritaikyti 70–80 % esamų litio jonų gamybos linijų natrio jonų elementų gamybai, sumažindami kapitalines išlaidas iki 40 %. Šis pereinamasis etapas pasitelkia bendrus procesus, tokius kaip elektrodų tyros paruošimas, formavimo įranga ir baterijų valdymo sistemų architektūros.

Gamybos linijų modernizavimas natrio jonų elementų gamybai

Didelės baterijų gamyklos Azijoje baigė modernizavimą per 6–9 mėnesius – kur kas greičiau nei reikia 24+ mėnesių naujoms litio gamykloms. Pagal 2023 metų Žydrosios energijos gamybos ataskaitą, pakartotinai naudojama infrastruktūra sutaupo 18 USD/MWh, dėl ko iki 2025 m. pasaulinė natrio jonų talpa pasieks 200 GWh.

Taikymas tinklo masto energijos kaupime, mikroautomobiliuose ir besivystančiose rinkose

Pasiekus ciklo trukmę, kuri sudaro 92 % nuo litio alternatyvų, natrio-jonų baterijos dominuoja naujuose pasiūlymuose keturių–aštuonių valandų tinklo saugybai. Jų šiluminė atsparumas ir saugos privalumai ypač vertingi besivystančiose rinkose. Pietryčių Azijoje mikroautomobilių diegimas, naudojant natrio-jonų technologiją, nuo 2021 m. kasmet auga 300 %, ką skatina sumažėję aušinimo poreikiai ir pagerinta eksploatacinė sauga.

Dažniausiai užduodami klausimai

Kaip žemės plutos natrio gausa naudinga baterijų gamybai?

Natrias yra gausesnis ir lengviau prieinamas lyginant su ličiu, todėl natrio-jonų baterijų gamyba yra ekonomiškesnė ir mažiau apkrauna aplinką dėl paprastesnių išgavimo procesų.

Kodėl natrio-jonų baterijos laikomos geopolitiškai stabilomesnėmis?

Natrio ištekliai yra plačiai paskirstyti visame pasaulyje, todėl sumažėja tiekimo grandinės sutrikimų rizika, kuri būdinga regionams su koncentruotais litio telkiniais.

Kokie yra ekonominiai natrio-jonų baterijų naudojimo privalumai lyginant su litio-jonų baterijomis?

Natrio jonų baterijos turi žemesnes medžiagų kainas dėl natūralaus natrio pertekliaus ir kainų stabilumo, todėl jos yra ekonomiškesnė alternatyva litio jonų baterijoms, ypač didėjant natrio jonų gamybai.

Ar natrio jonų baterijos saugesnės nei litio jonų baterijos?

Taip, natrio jonų baterijos pasižymi geresne termine stabilumu ir mažesniu perkaitimo rizika, todėl jos yra saugesnės mikroautomobilių ir stacionarių saugyklų sistemų naudojimui.