Kodėl natrio jonų baterija yra galima litio alternatyva?

Kaip veikia natrio jonų baterijos ir kas jas išskiria

Pagrindinė natrio jonų baterijos struktūra ir veikimo principas

Natrio jonų baterijos kaupia ir atima energiją dėl atvirkštinio natrio jonų (Na) judėjimo tarp elektrodų. Kaip ir litio jonų sistemos, jos sudarytos iš trijų pagrindinių dalių:

Komponentas	Medžiaga/Funkcija
Katodas	Natrio pagrindu gautos jungtinės medžiagos (pvz., sluoksninės oksidų arba fosfatų jungtys), kurios išskiria Na jonus išsikrovimo metu
Anodas	Kietas anglis arba lydinių medžiagos, kurios kaupia natrio jonus
Elektrolitas	Natrio druskos tirpalas, kuris leidžia jonams judėti tarp elektrodų

Kraunant, Na jonai juda nuo katodo prie anodo per elektrolitą; išsikraunant, jie grįžta atgal, generuodami elektrinę srovę. Šis mechanizmas primena litio jonų technologiją, tačiau panaudoja natrio gausumą – 2,6 % Žemės plutos, 1 400 kartų daugiau nei litis – todėl mažėja žaliavų kaina ir tiekimo grandinės pažeidžiamumas.

Pagrindiniai natrio-ir litio jonų akumuliatorių jonų transportavimo skirtumai

Dėl didesnio natrio jonų dydžio lyginant su litio jonais (apytiksliai 1,02 angströmai prieš 0,76 angströmų) jie akumuliatoriaus elementuose juda ne taip lengvai. Tai lėtesnį krūvio įkrovimą ir išsikrovimą. Tačiau svarbus privalumas yra tas, kad natrio rūgštinė savybė (pagal Lewis) yra silpnesnė, todėl jis mažiau stipriai suriša kitus medžiagos. Dėl šios savybės gamintojai vietoj brangaus vario gali naudoti aliuminį, kad surinktų elektros srovę abiejose akumuliatoriaus dalyse. Pakeitus varį aliuminiu gamybos išlaidos gali sumažėti apie 30 procentų. Tiems praktiškiems taikymams, kur greitis nėra svarbiausias dalykas, o biudžetas yra svarbus, natrio pagrindu pagaminti akumuliatoriai turi realių privalumų lyginant su brangesniais litio atitinkamais analogais.

Elektrolitų ir separatorių vaidmuo natrio-jonų akumuliatorių našumo užtikrinime

Baterijų našumas ir saugumas labai priklauso nuo gerų elektrolitų ir separatorių. Kietojo kūno elektrolitai daro dalykus daug saugesnius, nes jie geriau susidoroja su šiluma ir nėra tokie linkę užsidegti, kaip įprastos litio jonų baterijos linkę būti. Separatoriams yra šis naujas produktas iš celiuliozės, kuris veikia taip pat gerai kaip brangūs poliolių plėvelės, bet kainuoja daug mažiau. Šie medžiagos leidžia jonams tinkamai judėti per jas be jokio pavojingo vidinio baterijos elementų trumpojo jungimo. Kartu sujungus šiuos patobulinimus, tai reiškia, kad natrio jonų baterijos dabar gali kaupti elektrinę energiją apie 85–90 proc. efektyvumo lygmenims didelio masto energijos kaupimo projektams visoje šalyje.

Natrio jonų baterijų kainos efektyvumas ir ekonominiai privalumai

Natrio gausa ir žema kaina lyginant su litio

Kai kalbama apie prieinamumą, natrijis pranoksta litį. Mes kalbame apie 2,6% Žemės plutos, palyginti su vos 0,002% litio. Be to, natrijaus gauti nėra sunku, nes jis lengvai pasiekiamas jūros vandenyje ir mineraluose, tokiuose kaip sodos pelenai. Kainų skirtumas pasakoja visai kitą istoriją. Praėjusiais metais litis kainavo maždaug 15 dolerių už kilogramą, o natrijus – tik 0,05 dolerio/kg. Tai reiškia, kad įmonės sutaupo beveik visą sumą, išleistą žaliavoms. Ir dar vienas didelis pliusas. Dėl tokio natrijaus gausos, įmonės nėra pririštos prie sudėtingų globalinių litio tiekimo grandinių, kurios anksčiau sukėlė problemų.

Retų medžiagų, tokių kaip kobaltas ir nikelis, naudojimo mažinimas

Natrio jonų baterijos paprastai naudoja geležimi, mangano arba vario pagrindu pagamintus katodus vietoj kobalto ir nikelio, todėl išvengiama tiek kainų svyravimų, tiek etinių problemų, susijusių su konfliktiniuose regionuose vykdomu iškasinėjimu. Tai sumažina katodinių medžiagų kainas 18–22% (Astute Analytica, 2024 m.) ir skatina darnesnę gamybą.

Natrio jonų baterijų kainos ir litio jonų baterijų kainos palyginimas

2024 m. natrio jonų elementų kaina yra 87 JAV dol./kWh, lyginant su 89 JAV dol./kWh litio jonų baterijoms, o kainų mažėjimas tikimasi toliau. Natrio jonų gamyba pašalina būtinybę naudoti energiją naikinančias sausinimo patalpas gamybos metu, sumažinant gamyklų išlaidas 30%. Tokios sutaupytos lėšos padeda didinti mastelio efektą ir daro natrio jonų technologiją vis labiau konkurencingą, ypač didelės apimties energijos kaupiklių rinkoje.

Litio kainų svyravimų poveikis alternatyvių baterijų plėtrai

Litio kainos 2021–2023 metais svyravo daugiau nei 400 %, todėl 62 % išaugo investicijos į alternatyvias technologijas. Rinkos analitikai prognozuoja, kad natrio- jonų baterijų gamybos galia iki 2030 metų pasieks 335 GWh, kurią skatins paklausa dėl stabilios kainodaros ir atsparių tiekimo grandinių.

Energijos tankis, našumas ir vykstantys technologiniai patobulinimai

Natrio- ir litio jonų baterijų energijos tankio palyginimas

Natrio jonų baterijos šiandien pasiekia apie 100–150 Wh/kg, maždaug pusę to, ką matome litio jonų atitikmenyse, kurie svyruoja nuo 200 iki 300 Wh/kg pagal praeitų metų „Energy Storage Journal“. Kodėl tokia skirtumas? Na, natrio jonai yra didesni, todėl jie laisvai juda per medžiagas mažiau ir galiausiai riboja, kiek krūvio gali išlaikyti elektrodai. Visgi daugelyje sritis nereikia tokio aukšto energijos tankio. Tinklo saugojimo sprendimams arba elektriniams riedučiams ir dviračiams, žemesnis našumas nėra svarbus, kai įvertinami reikšmingi privalumai, susiję su kaina ir būdinga saugos prasme, lyginant su litio technologija.

Baterijų tipas	Energijos tankis (Wh/kg)	Ciklo trukmė (pilni ciklai)
Natrio jonų (2024)	100–150	2 000–3 500
Litynio geležies fosfato	150–200	4 000–6 000

Technologiniai natrio jonų baterijų patobulinimai, padidinantys našumą

Nauji progresai katodo medžiagose – tokiose kaip sluoksninės oksidų medžiagos ir Prūsijos mėlynės analogai – nuo 2022 metų padidino specifinę talpą 20 %. Tyrimai sulfidais pagrįstų kietų elektrolitų srityje rodo 40 % greitesnį jonų difuziją, reikšmingai sumažinant našumo skirtumą krūvio/įtampos rodikliuose.

Naujos katodo medžiagos didina našumą ir stabilumą

Ternariosios natrio sluoksninės oksidų medžiagos (pvz., NaNiO dariniai) šiuo metu suteikia iki 160 mAh/g, artėdamos prie 190 mAh/g litio kobalto oksido rodiklio. Aliuminio legiravimas taip pat sumažino katodo ištirpimą, pratęsdamas ciklo tarnavimo laiką iki 3500 pilnų ciklų laboratorinėse sąlygose (2023 metų baterijų medžiagų simpoziumas).

Padidinta energijos tankis ir tarnavimo laikas dėl medžiagų inžinerijos

Nanostuktūriniai kietojo anglies anodai pasiekia 300–350 mAh/g, kas yra 25 % pagerinimas lyginant su ankstesniais modeliais. Kartu naudojant celiuliozės pagrįstas pertvaras, kurios sumažina vidinę varžą 15 %, šie anodai padeda išlaikyti 80 % talpos po 2500 ciklų (Advanced Energy Materials, 2024).

Ar natrio jonai iš tiesų gali prilygti litio jonų energijos išeigai? Aptariama kontroversija

Natrio jonų baterijos, greičiausiai, nepranoks litio jonų baterijų pagal energijos talpą, tačiau jų trūkumus tankio požiūriu kompensuoja kaina ir saugos savybės, kurios puikiai tinka naudoti pastoviose vietose, tokiuose kaip sandėmiai ar duomenų centrai. Pramonės ekspertai drąsiai investuoja į šias baterijas, prognozuojant, kad artimiausiais dešimtmečiais jos užims apie 30 procentų rinkos dalį. Kai kurios įmonės jau pradėjo derinti natrio jonų technologijas su superkondensatoriais, sukuriant hibridines sistemas, kurios kritinėmis akimirkomis veikia beveik taip pat gerai kaip ir litio ferofosfato sprendimai, kai reikia greitai tiekti papildomą energiją elektros tinkluose.

Sauga, terminis stabilumas ir ekologinė atsakomybė

Natrio jonų baterijos siūlo geresnį saugumą, terminį atsparumą ir ekologinę darną lyginant su litio jonų sistemomis. Šie privalumai kyla iš būdingų cheminių savybių ir paprastesnio medžiagų tiekimo, todėl jos geriau tinka namų ūkio ir atsinaujinančios energijos saugojimui.

Natrio jonų baterijų chemijos būdingi saugumo privalumai

Natrias yra mažiau reakcingas nei litis, todėl jis turi didesnę terminę stabilumą ir mažesnį dendritų susidarymo ir vidinių trumpųjų jungimų riziką. 2023 metų JAV Atsinaujinančios energijos laboratorijos tyrimas parodė, kad natrio jonų elementai išlaikė konstrukcinį vientisumą esant temperatūrai iki 60°C (140°F), pranokdami litio jonų baterijas 22% karščio sąlygose.

Atsparumas terminiam nekontroliuojamam kaitimui lyginant su litio jonų sistemomis

Natrio jonų elektrolitai skyla esant 40–50 °C aukštesnei temperatūrai nei litio jonų elektrolitai, kur kas sumažinant termoizgrynimo riziką. Perkrovos testai parodė, kad natrio baterijos išskiria 63 % mažiau dujų tūrio (Journal of Power Sources, 2024), padidinant saugumą tankiai supakuotose įrenginiuose, tokiuose kaip namų energijos kaupiklių vienetai.

Mažesnis aplinkos pėdsakas dėl gausių natrio išteklių

Kadangi natrio masė sudaro 2,8 % Žemės plutos – 1200 kartų daugiau nei litio – jo gavyba reikalauja mažiau išteklių. Natrio jonų gamybai reikia 85 % mažiau šviežio vandens vienam kWh nei litio gavybai, todėl mažėja apkrova vandens stygiaus regionuose.

Sumažintas gavybos poveikis ir etinės problemos lyginant su litio jonų baterijomis

Skirtingai nuo litio ir kobalto gavybos, kurios dažnai susijusios su ekologinės aplinkos degradacija ir žmogaus teisėmis, natris gali būti atsakingai gaunamas iš jūros vandens arba mėsos sodos. 2022 metų atsakingumo analizė parodė, kad natrio jonų gamyba sukuria 34 % mažiau CO emisijų vienam kWh nei litio geležies fosfatas ir sumažina gavybos poveikį 91 %.

Įveikiant iššūkius: mastelio didinimas ir ateities inovacijos natrio jonų technologijose

Esami iššūkiai ciklo gyvenime ir krūvio efektyvumo srityse

Nors šiuolaikinės natrio jonų baterijos pasiekia daugiau nei 5 000 krūvio ciklų – nuo 2020 m. pagerinta 150 % – jos vis dar atsilieka nuo litio jonų baterijų energijos tankio, kuris yra 30–40 % didesnis. Pagal 2025 Journal of Alloys and Compounds apžvalgą, lėta jonų difuzija ir elektrodų degradacija išlieka pagrindinėmis techninėmis kliūtimis platesniam EV ir ilgalaikio kaupimo sektoriuje priėmimui.

Proveržiai anodo ir elektrolito konstrukcijoje, skirti padidinti ilgaamžiškumą

Mankštos anglies anodų ir neįžiebiamų elektrolitų inovacijos padidino krūvio išlaikymą laboratorinėmis sąlygomis 22%. Dabar atomų sluoksnio nešimas leidžia naudoti ultra plonas apsauginės danga katoduose, sumažinant talpos mažėjimą mažiau nei 1% per 100 ciklų – lygiavertis komercinių litio jonų baterijų našumui – kartu išlaikant kainos privalumus.

Inovacijos, skatinančios natrio- jonų baterijų plėtrą

Trys pagrindinės inovacijos greitina komercionalizavimą:

• Medžiagos inžinerija : sluoksniuoti oksido katodai dabar pasiekia 160 Wh/kg
• Gaminiama : sausas elektrodų dengimas sumažina gamybos kaštus 18%
• Architektūra : dvipolių elementų konstrukcijos gerina baterijų blokų erdvės naudojimą

Šie pasiekimai natrio-jonų baterijas paverčia gyvybinga, ekonomiškai efektyvia galimybe saulės elektrinėms, rezerviniam maitinimui ir lengvosioms elektrinėms transporto priemonėms.

Gaminio kėlimas nepaisant mažesnės energijos tankio: sprendžiame pramonės paradoksą

Gamintojai plečia gamybą, nors natrio jonų baterijos turi mažesnį energijos tankį lyginant su kitomis alternatyvomis. Jie siekia į konkrečias rinkas, kur pradinės kainos ir saugos klausimai yra svarbesni nei produkto svoris. Šių elementų konstrukcija dažniausiai yra modulinė ir standartinė, todėl jas lengviau integruoti į esamas sistemas. Daugelis įmonių taip pat eksperimentuoja su deriniais, kurie derina natrio jonų technologiją su litio jonų ar superkondensatoriais, sukuriant tam tikrą kompromisinę būklę tarp skirtingų variantų. Pagal 2025 m. Benchmark Minerals duomenis, natrio jonų sistemų medžiagų kaina yra maždaug 40 % mažesnė nei litio jonų. Dėl to pramonė pradėjo diegti šią technologiją srityse, kur tai iš tikrųjų yra finansiškai naudinga ir ilaininkui suteikia realių ekologinių privalumų.

DAK

Kokie yra pagrindiniai skirtumai tarp natrio jonų ir litio jonų baterijų?

Natrio jonų baterijos skiriasi nuo litio jonų baterijų daugiausiai dėl jonų dydžio, kuris daro įtaką jų perkėlimo greičiui ir medžiagos suderinamumui. Natrio yra gausiau ir mažiau brangus, todėl galima pigiau gaminti naudojant tokią medžiagą kaip aliuminį, o ne varį.

Kodėl natrio jonų baterijos laikomos saugesnėmis nei litio jonų baterijos?

Natrio jonų baterijos turi įgimtas saugos privalumus dėl natrio mažesnės reakcingumo, mažesnio dendritų susidarymo linkmės ir geresnės terminės stabilumo, todėl mažėja tokie rizikos veiksniai kaip terminis iširusis reiškinys.

Ar natrio jonų baterijos yra ekologiškesnės lyginant su kitomis baterijų rūšimis?

Taip, natrio jonų baterijos turi mažesnį ekologinį pėdsaką, nes gamybai reikia mažiau gėlo vandens ir išsiskiria mažiau CO emisijų. Be to, jos išvengia etinių problemų, susijusių su retų medžiagų, tokių kaip litis ir kobaltas, gavyba.

Ar natrio jonų baterijos gali būti naudojamos elektrinėms transporto priemonėms?

Nors natrio jonų baterijos turi mažesnį energijos tankį, technologiniai pasiekimai leidžia jas vis labiau naudoti, pavyzdžiui, elektriniuose riedučiuose ir dviračiuose. Didesnėms elektrinėms transporto priemonėms šiai technologijai vis dar kyla kliūčių, tokios kaip lėtesnis jonų difuzija.

Kiek natrio jonų baterijos yra ekonomiškai naudingos?

Natrio jonų baterijos vis labiau konkuruoja su litio jonų baterijomis pagal kainą už kWh. Jų gamybai naudojamos pigesnės ir gausios žaliavos, o taip pat paprastesni gamybos procesai leidžia sumažinti bendras išlaidas iki 30%.