Які переваги має натрієва іонна батарея порівняно з літієвою?

Поширеність та доступність сировини

Наявність натрію та літію в земній корі

Натрій посідає шосте місце у списку елементів, що трапляються в земній корі, становлячи близько 2,3% за масою. Літій розповідає зовсім іншу історію — за даними USGS 2023 року, його частка становить лише 0,006%. Різниця між цими показниками колосальна — натрію більше, ніж у 380 разів. І це має велике значення, коли мова йде про акумуляторні технології. Видобуток літію передбачає або тривалі процеси випарювання розсолу, або складну гірничу розробку порід, які споживають чимало енергії. А от натрієві сполуки? Вони всюди. Візьмемо, наприклад, хлорид натрію. Соляні равлини, океани, повні морської води, а також окремі осадові басейни містять великі запаси натрієвих сполук. Ці ресурси не лише численні, але й набагато простіші у доступі порівняно з тим, що потрібно для видобутку літію.

Географічний розподіл та доступність видобутку джерел натрію

Більшість літію у світі походить з так званого Літієвого трикутника між Аргентиною, Чилі та Болівією. Саме ці три країни складають приблизно 58% усіх доступних запасів літію за даними DOE за 2024 рік. З натрієм ситуація інша. Ресурси натрію можна знайти приблизно в 94 країнах світу, значні поклади солі є практично скрізь, де живуть люди. Такий ширший розподіл робить натрій більш надійним варіантом з точки зору геополітичних питань. Останнім часом ми спостерігали проблеми зі стрибком цін на літій через раптове обмеження експорту в південноамериканських країнах. Оскільки натрій розподілений набагато рівномірніше по планеті, імовірність того, що один регіон спричинить глобальні нестачі або шок цін, значно нижча.

Наслідки для стійкості глобальних ланцюгів поставок натрій-іонних акумуляторів

Натрій є практично скрізь, що означає, виробники можуть організовувати виробництво локально, замість залежності від тих довгих і нестабільних глобальних ланцюгів поставок, з якими ми всі занадто добре познайомилися. Візьмемо, наприклад, літій-іонні акумулятори — їм потрібні матеріали, які перевозять по всьому світу, іноді в середньому більше ніж на 10 тисяч кілометрів. Технологія натрій-іонних акумуляторів працює інакше, адже вона може використовувати те, що доступне поруч. Дослідження MIT 2023 року показало, що такий підхід може скоротити нашу залежність від централізованих джерел мінералів приблизно на три чверті. З огляду на державну політику, таку як Закон про скорочення інфляції, яка спонукає компанії закуповувати матеріали в межах країни, натрій-іонні технології, схоже, зможуть серйозно змінити те, як ми зберігаємо енергію, у наступному десятилітті.

Економічна ефективність та зменшення залежності від критичних мінералів

Тенденції цін на літій карбонат порівняно з натрій карбонатом

Ціни на карбонат літію зросли до 74 000 $/тонну в 2022 році, перш ніж знизитися до 20 300 $/тонну в 2024 році, що відображає екстремальну ринкову волатильність. Карбонат натрію, навпаки, залишається стабільним на рівні близько 320 $/тонну завдяки великим запасам та недорогому видобутку. Ця різниця в цінах 60:1 створює міцний економічний фундамент для виробництва натрій-іонних акумуляторів.

Порівняння вартості матеріалів між натрій-іонними та літій-іонними акумуляторами

Акумулятори на основі натрію замінюють мідь на алюміній у компонентах струмозбиральників, що зменшує витрати на матеріали приблизно на 34%. Якщо подивитися на реальні цифри, стандартний акумулятор 60 кВт·год, виготовлений за технологією на основі натрію, коштує близько 940 доларів США на сировину, тоді як аналогічні літієві акумулятори наближаються до 1420 доларів США, згідно з даними Energy Storage Insights минулого року. На ринку також спостерігалися різкі коливання: ціни на літій зросли майже втричі між 2020 роком і теперішнім часом, тоді як ціни на натрій залишалися відносно стабільними з коливанням лише близько 12%. Це означає, що системи на основі натрію забезпечують реальну економію відразу та зберігають цю перевагу з часом.

Зменшена залежність від критичних мінералів, таких як кобальт і нікель

Натрієві акумулятори працюють інакше, ніж літієві, оскільки їм не потрібен кобальт, близько 70% якого видобувають у Демократичній Республіці Конго. Вони також уникнули необхідності у величезних обсягах нікелю, майже половину якого добувають в Індонезії. Згідно з останнім Критичним звітом про мінерали за 2025 рік, Китай має значний контроль над переробкою літію — близько 85%, але коли мова доходить до ресурсів виробництва натрію, їхня частка знижується всього до 23%. Ця різниця створює можливості для компаній, які прагнуть зменшити ризики у своїх ланцюгах поставок, не покладаючись надто на окремі джерела.

Аналіз суперечок: чи переоцінюються довгострокові економічні вигоди?

Деякі зазначають, що у натрієвих іонних акумуляторів є проблема з нижчою густиною енергії, що означає більші габарити в цілому, тому економія може бути не такою значною, як ми сподіваємося. З іншого боку, з'являються нові конструкції, що використовують сірковмісні компоненти, і вони, схоже, дійсно покращують продуктивність, не жертвуючи при цьому стандартами безпеки. При розгляді застосування в масштабних електромережах, де простір не є критичним фактором, більшість оцінок свідчить про економію від 18 до, можливо, 22 відсотків у витратах протягом усього терміну служби, навіть з урахуванням всіх початкових труднощів із нарощуванням виробництва.

Покращена безпека та термічна стабільність

Знижений ризик теплового пробігу в натрієвих іонних акумуляторах порівняно з літій-іонними

Коли йдеться про термостійкість, натрієві акумулятори насправді краще протистоять тепловому неконтрольованому розгону у порівнянні з тими знайомими всім літієвими. Згідно з дослідженням, опублікованим у журналі Journal of Power Sources минулого року, ці натрієві елементи можуть витримувати робочі температури приблизно на 20–30 відсотків вищі, перш ніж ситуація стане небезпечною. Чому? Натрій просто менше реагує з матеріалами електроліту всередині акумулятора, що означає менше небезпечних реакцій, які виділяють тепло, коли виникає проблема — наприклад, перезарядка або фізичне пошкодження акумулятора. Візьмемо, наприклад, елементи літій-залізо-фосфату: вони зазвичай входять у стан теплового неконтрольованого розгону близько 210 градусів Цельсія, тоді як натрієві аналоги залишаються досить спокійними й стабільними понад 250 градусів без будь-яких ознак аварійного ланцюгового руйнування.

Внутрішня електрохімічна стабільність натрійвмісних хімічних складів

Більший розмір іонів натрію (близько 0,95 ангстрема порівняно з 0,6 ангстрема у літію) означає, що вони можуть легше рухатися через електроди акумулятора, що допомагає зменшити утворення небезпечних дендритів з часом. Дослідження, опубліковане в журналі Nature Materials у 2022 році, показало також цікавий результат: акумулятори на основі іонів натрію мали приблизно на 40 відсотків менше внутрішніх коротких замикань під час швидкого заряджання у порівнянні з літієвими аналогами. Ще одна велика перевага полягає в повному виключенні кобальту, адже саме цей елемент частково відповідальний за те, що літієві акумулятори іноді займаються полум'ям. Без кобальту технологія на основі іонів натрію з самого початку стає значно безпечнішою.

Дослідження випадку: результати тестування безпеки від провідних виробників акумуляторів на основі іонів натрію

Тести за стандартами UN38.3 показали цікаві результати щодо натрієвих іонних елементів під час випробування на проникнення цвяха. Навіть у разі виходу з ладу вони зберігали температуру поверхні нижче 60 градусів Цельсія, тоді як літієві елементи NMC нагрівалися значно сильніше, перевищуючи 180 градусів. Більше того, акумуляторні блоки на основі натрію зберігали 98 відсотків своєї початкової ємності після 500 циклів заряду-розряду при температурі 45 градусів Цельсія. Це значно краще, ніж у літієвих акумуляторів, які зберегли лише близько 85% ємності за аналогічних умов. Аналіз цих показників чітко демонструє, чому технологія натрієвих іонів може бути кращим варіантом для ситуацій, коли активне управління температурним режимом неможливе або надто коштовне.

Тренд: Посилення регуляторного фокусу на безпеці акумуляторів у мікрокарах та стаціонарних системах зберігання

Переглянуті регулювання ЄС щодо акумуляторів (2024) тепер вимагають сертифікації третьої сторони стійкості до термального пробою в системах стаціонарного зберігання, що сприяє природно безпечнішим технологіям, таким як натрій-іонні. Аналітики прогнозують зростання розгортання натрій-орієнтованих рішень на 300% до 2030 року, що зумовлено стандартами пожежної безпеки в міських станціях зарядки мікрокарів та побутових сонячних системах із накопиченням енергії.

Екологічні та суспільні користі

Знижений вуглецевий слід при видобутку сировини

Викиди вуглекислого газу при виробництві натрієвих акумуляторів знижуються приблизно на 54% порівняно з літієвими аналогами під час видобутку сировини, як показують дослідження життєвих циклів за 2023 рік. Видобуток натрію вимагає значно менше енергії та водних ресурсів, ніж літій, для отримання якого компанії часто використовують величезні випарні ставки, що можуть споживати близько півмільйона галонів води лише для виробництва однієї тонни літію. Ще більш привабливим фактором є те, що отримання натрію з морської води зменшує шкоду землі приблизно на 37%, згідно зі звітом Глобального індексу сталого гірничого видобутку минулого року. Такі екологічні переваги роблять натрієву технологію все більш привабливою для сталих застосувань.

Можливість переробки та управління відходами натрієвих акумуляторів

Відсутність кобальту та нікелю спрощує переробку. Існуючі процеси дозволяють відновлювати 92% матеріалів у порівнянні з 78% для літій-іонних завдяки нейтральним алюмінієвим токоприймачам і катодам на основі заліза, що запобігають виділенню небезпечних речовин. Замкнуті системи зараз впроваджуються для безпосереднього вилучення сполук натрію з метою повторного використання в нових акумуляторах.

Показники сталого розвитку у порівнянні з літій-іонними аналогами

Літій-іонні акумулятори безперечно мають вищу щільність енергії — близько 200–250 Вт·год на кг у порівнянні з 100–160 Вт·год на кг у інших варіантів. Однак, якщо враховувати показники сталості, такі як обсяг води, що витрачається на виробництво кожного кВт·год, походження матеріалів з етичних джерел і те, що відбувається з ними після потрапляння на звалища, за останніми дослідженнями, натрій-іонні системи демонструють приблизно на 40 відсотків кращі результати. Оскільки правила Європейського союзу все більше акцентують увагу на оцінці екологічного впливу, багато компаній починають розглядати натрій-іонні технології як основне рішення, особливо для зберігання енергії від поновлюваних джерел у електромережах та для живлення малих електромобілів, які останнім часом з'являються скрізь.

Продуктивність, виробництво та сфера застосування

Здатність до швидкого заряджання та робота натрій-іонних акумуляторів при низьких температурах

Батареї на основі натрію дуже добре працюють у важких температурних умовах. Навіть при мінус 20 градусах Цельсія ці батареї зберігають близько 85 відсотків своєї ємності заряду, згідно з Energy Storage Journal минулого року. Порівняйте це з літієвими акумуляторами, які ледве досягають 60% за подібних умов. Для регіонів із суворою зимою чи для малих електричних транспортних засобів, що працюють у холодному кліматі, натрій-іонні батареї стають все більш привабливим варіантом. Плюс є ще одна перевага, яку варто згадати — їхня здатність так ефективно проводити іони означає, що вони можуть заряджатися приблизно на 25% швидше, ніж звичайні літій-залізо-фосфатні елементи. Така швидкість має велике значення для енергомереж, яким потрібні швидкі реакції під час пікових навантажень.

Компроміс: порівняння енергетичної густини між натрій-іонними та літій-іонними акумуляторами

Сьогодні натрієві акумулятори зазвичай мають ємність близько 150 Вт·год на кг, що становить приблизно 60 відсотків від показників найкращих літієвих елементів. Однак ситуація швидко змінюється завдяки останнім проривам у розробці катодних матеріалів. Згідно з даними журналу Materials Today минулого року, різниця в продуктивності в лабораторних зразках скоротилася до приблизно 30 відсотків. Щодо великих стаціонарних установок, таких як об'єкти сховища енергії для мереж, нижча густина енергії не є такою вже великою проблемою, оскільки обмеження простору там не такі жорсткі. Національна лабораторія з відновлюваних джерел енергії також провела випробування й виявила, що технологія натрієвих акумуляторів цілком підходить майже для дев’яти з десяти застосунків масштабного зберігання енергії по всій країні саме зараз.

Подібні конструкція та виробничі процеси, що дозволяють повторне використання інфраструктури

Виробники акумуляторів можуть адаптувати 70–80% існуючих ліній з виробництва літій-іонних акумуляторів для виготовлення натрієво-іонних елементів, зменшуючи капітальні витрати до 40%. Перехід ґрунтується на спільних процесах, таких як приготування суспензії для електродів, устаткування для формування та архітектури систем управління батареями.

Модернізація виробничих ліній для виготовлення натрієво-іонних елементів

Основні акумуляторні заводи в Азії завершили модернізацію протягом 6–9 місяців — значно швидше, ніж потрібно 24+ місяці для будівництва нових літієвих потужностей. Згідно зі Звітом про виробництво чистої енергії за 2023 рік, повторне використання інфраструктури забезпечує економію вартості на рівні 18 $/МВт·год, що прискорює зростання глобальних потужностей з виробництва натрієво-іонних акумуляторів до 200 ГВт·год до 2025 року.

Застосування у масштабних системах накопичення енергії, мікромобілях та на ринках, що розвиваються

З циклом життя, що досягає 92% від літієвих аналогів, натрієві акумулятори домінують на нових тендерах для сіткового зберігання енергії на 4–8 годин. Їхня термічна стійкість і переваги у безпеці особливо цінні на ринках, що розвиваються. У Південно-Східній Азії кількість мікрокарів із використанням натрієвих технологій щороку зростає на 300% починаючи з 2021 року, що зумовлено зниженими вимогами до охолодження та покращеною експлуатаційною безпекою.

Поширені запитання

Як доступність натрію в земній корі впливає на виробництво акумуляторів?

Натрій є більш поширеним і доступним у порівнянні з літієм, що робить виробництво натрієвих акумуляторів економічно вигіднішим і менш навантаженим для навколишнього середовища завдяки простішим процесам видобутку.

Чому натрієві акумулятори вважаються більш геополітично стабільними?

Ресурси натрію широко розподілені по всьому світу, що зменшує ризик перебоїв у постачанні, які часто трапляються в регіонах із концентрованими родовищами літію.

Які економічні переваги використання натрієвих акумуляторів порівняно з літієвими?

Батареї на основі натрію мають нижчу вартість матеріалів завдяки поширеності та стабільності цін на натрій, що забезпечує економічно вигідну альтернативу літій-іонним батареям, особливо з розгортанням виробництва натрій-іонних батарей.

Чи є батареї на основі натрію безпечнішими, ніж літій-іонні батареї?

Так, батареї на основі натрію мають кращу термічну стабільність і менший ризик теплового пробою, що робить їх безпечнішими для застосувань, таких як мікрокари та стаціонарні системи зберігання.