Один из крупнейших китайский производителей аккумуляторов для электроники CATL (расшифровывается как Contemporary Amperex Technology Co. с добавкой «Limited», занимает около 30% мирового рынка ячеек) предложил [источник] использовать натрий-ионные батареи (SIB от Sodium-ion Battery) в качестве альтернативы литий-ионным (LIB, Lithium-ion Battery).
CATL входит в список основных поставщиков аккумуляторов для гаджетов, включая Apple iPhone.
Пока характеристики SIB не так хороши для гаджетов вроде айфонов и андроид-телефонов, как у LIB (громоздкие, тяжёлые и меньше ёмкость).
Но уже сейчас SIB-ячейки лучше, чем LIB для использования в электромобилях из-за быстрой зарядки (80% за 15 минут) и за счёт сохранения больше 90% ёмкости при морозах -20°C.
Когда SIB (натрий-ионные) лучше, чем LIB (литий-ионные)?
В двух областях SIB особенно эффективны. Они действительно угрожают LIB-отрасли в этих сегментах. Главным образом, литий-железо-фосфатным (LiFePO4) и литий-титанатным (Li4Ti5O12). Но не более.
То есть можно говорить, что применение натрий-ионных аккумуляторов ограничено (пока что) этими двумя областями.
Краткое описание натрий-ионных батарей (SIB) и совместимость
Натриево-ионные батареи (Sodium-ion, SIB) доступнее, экологичнее, используют для хранения энергии ионы натрия (Na+) вместо ионов лития (Li+). Они не такие роскошные по характеристикам (держат заряд хуже), зато их производство обходится в 50 раз дешевле. Считается, что они не заменят прижившиеся литий-ионные батареи, а всего лишь дополнят их [источник].
Натрий-ионные аккумуляторы работают по тем же принципам, что и литий-ионные (ионы перемещаются между анодом и катодом). Обратно-совместимы с устройствами, где электроника рассчитана на питание 3,6-3,7В с ячейки.
Таблица с основными фактами и характеристиками батареи SIB (Sodium-ion/Na-ion)
| Особенность | Факты и описание |
|---|---|
| Дата релиза: | Представлены в 2021-м году, начало производства с 2023-го. |
| Диапазон напряжения: | Номинально 2 — 4,25В; предельно 1,5 — 4,3В. |
| Материал анода: | Твёрдый углеродный, как у Li-ion (неизвестно про литий-титанатные). |
| Материал катода: | Из оксида металла Na, в соединениях вместо кобальта (Co) и никеля (Ni) применяют железо (Fe) и марганец (Mn). |
| Доступность: | Натрий дешевле, чем литий, так как встречается чаще в природе (в ~100 раз)и дешевле в добыче и поставке (в ~50 раз). |
| Проблематика стабильности: | Ионы натрия крупнее литиевых, поэтому повышены требования к стабильности и кинетическим свойствам материалов батареи. |
| Надёжность: | Испытания на безопасность показали лучшую термическую стабильность и устойчивость к небрежному обращению (протыканию), чем у литий-ионных, даже планируются послабления в правилах авиаперевозки батарей типа SIB. |
| Срок службы: | Испытания с щадящим режимом (током 1C при +25°C) показали срок службы 4000 циклов до «полного выхода из строя» (пока неясно, это 70% от номинальной ёмкости или меньше), но в целом считается, что они служат меньше литий-ионных (правду покажут ближайшие годы практической эксплуатации). |
| Электролиты: | Такие же, как в Li-ion (солевой органический), включают одновременно три из четырёх компонентов: этиленкарбонат (EC), пропиленкарбонат (PC), диметоксиэтан (DME) и диметилкарбонат (DMC). |
| Энергоёмкость: | В целом уступает показателям литий-ионных, но дольше держит заряд в экстремальных температурах (морозы и выше +45°C). |
| Предел энергоёмкости: | Предел для SIB — 200 Вт·ч/кг, когда как у LIB в среднем ~350 Вт·ч/кг для разных типов катодов. |
Для самостоятельного изучения характеристик рекомендуем это исследование.
В этом смысле переход с лития на натрий поможет избежать простоев из-за сбоев поставок дефицитного материала [источник]. Так производители электроники и техники стремятся снизить свою зависимость от дорожающего литиевого сырья. В CATL это называют доступной диверсификацией, используя природное изобилие натрия (легко получить из солёной воды, что делает их экономически эффективными и экологически чистыми).
Частые вопросы и ответы на них по натрий-ионным аккумуляторам
В: Что даёт натрий аккумулятору?
- 1) Дешевле лития при схожих физико-химических свойствах;
- 2) Выше скорость зарядки (с анодом 2,9-DMQA — 2,9-диметилхинакридон);
- 3) Увеличивает ёмкость (за счёт ограничения поверхности и увеличения межслойного расстояния).
В: Натрий-ионные батареи уже применяются?
На 2023-й год массово не применяются. Опытные образцы используются только в демонстрационных электромобилях, так как натрий пока ещё изучается в качестве потенциальной замены лития — в настоящий момент учёным удалось добиться устойчивости этого типа батарей и экономичности (дешевле в производстве, чем Li-ion), но сохраняются проблемы, которые планируется решить к концу 2023-го.
В: Почему натрий-ионные батареи до сих пор не выпускают?
Большой размер и медленное движение ионов натрия затрудняют их включение в традиционные аноды на основе углерода — эту проблему сейчас решают учёные.
В: Смогут ли натрий-ионные заменить существующие литий-ионные батареи в ближайшее время?
Разработчик и бенефициар технологии SIB компания CATL планирует использовать такие батареи в качестве дополнения к основной своей деятельности по производству и исследованию литий-ионных аккумуляторов — в планах до 2025-го года нарастить поаставки Li-ion под своим брендом на 207%. Натрий-ионные аккумуляторы будут хорошей альтернативой, но не заменой. В прогнозах к 2030-му году рыночный спрос достигнет $4,3 млрд, когда как литий-ионные достигнут уже $278 млрд (сейчас $58,61 млрд).
В: Когда можно будет купить и пощупать SIB-ячейки?
Уже сейчас можно их купить. Нужно мониторить китайские площадки на предмет штучных экземпляров.
От небольших розничных заказов к массовым оптовым коммерческим поставкам SIB-ячеек компания CATL планирует перейти в 2023-м году. Пока главная задача — показать всем интересующимся преимущества нового типа аккумуляторов.
В последнем отчёте ResearchAndMarkets «Глобальный рынок натрий-ионных аккумуляторов 2022-2023» от 18 июля 2023 говорится [источник]:
Рынок натрий-ионных аккумуляторов сейчас в зачаточной стадии, хотя быстро растёт. Коммерциализация SIB оказалась быстрее, чем указано в прогнозах. Им помогает дешевизна — выгода примерно 50 долларов США за каждый кВт·ч относительно литий-ионных (а точнее литий-железо-фосфатных) батарей.
В настоящий момент за поставку элементов натрий-ионного типа отвечает китайская компания BYD. Для этого было создано дочернее предприятие FinDreams в соглашении с Huaihai Holding Group. Сейчас строится крупнейший в мире завод по производству натрий-ионных аккумуляторов для небольших электромобилей. Ведущий производитель силовых аккумуляторов CATL намерен начать массовые поставки натрий-ионных аккумуляторов для автомобилей в четвёртом квартале 2023 года.
Какие ещё типы новых батарей существуют?
Для самостоятельного ознакомления с технологией натрий-ионной батареи (SIB) рекомендуем эти материалы:
- • «Новый натрий-ионный аккумулятор от CATL призван избежать дефицита лития» © Reuters.
- • «Исследователи CATL о технологии натрий-ионных аккумуляторов» © PV Magazine.
- • «Изучение экономического потенциала натрий-ионных батарей» © MDPI.
- • «Учёные: альтернативы литий-ионным аккумуляторам не видать» © Neovolt на основе исследований MEET Battery Research Center.
