Настало время натрий-ионных батарей - бюджетной и безопасной альтернативы литию

Натрий-ионные аккумуляторы, долгое время остававшиеся в тени литий-ионных, наконец, выходят на первый план. Невероятный спрос на электромобили и системы накопления энергии обнажил критическую зависимость современного мира от лития, кобальта и никеля – материалов, добыча которых сопряжена с экологическими проблемами и геополитическими рисками. В связи с этим производители обратили внимание на натрий, доступный и безопасный элемент, который станет основой для перспективной альтернативы.

Последние события в технологическом мире подчеркивают растущий интерес к этой технологии. Так, в ноябре 2023 года CATL – лидер мирового рынка аккумуляторов – представила второе поколение своих натрий-ионных батарей. Согласно заявлению компании из КНР, серийный выпуск новинки, обладающей удельной энергоемкостью в 200 Вт·ч/кг (против 160 Вт·ч/кг у предыдущего поколения), стартует в 2027 году. Это значительно повысит запас хода электромобилей, оснащенных такими батареями.

В том же месяце консорциум, объединивший семь национальных лабораторий США, анонсировал масштабный проект стоимостью 50 миллионов долларов, направленный на ускорение разработки и внедрения натрий-ионных технологий. Возглавляет эту инициативу Аргоннская национальная лаборатория.

Все эти новости отражают глобальный тренд, обусловленный необходимостью поиска альтернативы литий-ионным батареям, которые сейчас доминируют в сегменте электромобилей и накопителей энергии. Пока что на наших дорогах не встретишь автомобилей с натрий-ионными аккумуляторами. Однако такие модели уже представлены на китайском рынке и в странах, импортирующих автомобили из Китая.

Стремление к переходу на натрий-ионные технологии продиктовано рядом причин. Как отмечает Венкат Сринивасан, ведущий специалист Аргоннской лаборатории, «колоссальный спрос на литий-ионные батареи породил серьезные проблемы в цепочках поставок сырья».

В частности, добыча кобальта и никеля, ключевых компонентов литий-ионных аккумуляторов, сопряжена с экологическими проблемами и нередко ведется в странах с низкими трудовыми стандартами. Кроме того, значительная часть мировых запасов этих металлов контролируется геополитическими конкурентами. В свою очередь, натрий – основной элемент новых батарей – легкодоступен и содержится в обычной поваренной соли и океанической воде.

Натрий-ионные аккумуляторы не только решают сырьевую проблему, но и демонстрируют ряд других преимуществ. Они лучше переносят экстремальные холода: согласно заявлению CATL, их новые батареи сохраняют работоспособность при температуре до -40°C. Более того, эти аккумуляторы значительно безопаснее, так как не подвержены риску "теплового разгона" – неконтролируемого саморазогрева, который может привести к возгоранию и выделению токсичных веществ в литий-ионных батареях при повреждении.

Производственный процесс натрий-ионных аккумуляторов во многом схож с производством литий-ионных, что позволяет производителям относительно легко адаптировать существующие линии и избежать значительных затрат на переоснащение.

Однако у этой технологии есть и свои ограничения. Основной недостаток – более низкая удельная энергоемкость по сравнению с литий-ионными аналогами. Как поясняет Сринивасан, это обусловлено фундаментальными физическими свойствами натрия. В среднем, натрий-ионные аккумуляторы обладают удельной энергоемкостью около 150 Вт·ч/кг на уровне ячейки, в то время как у литий-ионных этот показатель может достигать 300 Вт·ч/кг.

Скептицизм экспертного сообщества вызывают заявления CATL об аккумуляторе с 200 Вт·ч/кг. Как подчеркивает Сринивасан, к пресс-релизам производителей батарей принято относиться с определенной долей недоверия.

Тем не менее, пятилетняя программа американских лабораторий нацелена на создание натрий-ионных батарей, не уступающих по энергоемкости литий-железо-фосфатным аккумуляторам, которые сегодня широко используются в электромобилях. Достичь этого планируется за счет оптимизации конструкции и поиска новых материалов.

В настоящий момент литий-ионные аккумуляторы безраздельно господствуют на рынке. Согласно данным Benchmark Mineral Intelligence, в 2023 году их мировое производство составило около 1500 ГВт·ч, в то время как на долю натрий-ионных пришлось всего 11 ГВт·ч. Однако ситуация стремительно меняется: к 2030 году, по прогнозам, объем производства натрий-ионных батарей вырастет в 13 раз и достигнет 140 ГВт·ч.

Основным фактором, стимулирующим развитие натрий-ионных технологий, является их потенциальная ценовая конкурентоспособность. Хотя сейчас, на фоне временного падения цен на литий, этот аспект не столь очевиден, в долгосрочной перспективе натрий-ионные аккумуляторы обещают быть значительно дешевле. По оценкам McKinsey & Co., их стоимость может быть на 20% ниже, чем у литий-ионных аналогов. С этой оценкой согласен и Сринивасан.

На данный момент Китай лидирует в разработке и внедрении натрий-ионных технологий, но активные шаги предпринимаются и в других странах. Так, калифорнийская компания Natron Energy планирует запуск крупного завода по производству натрий-ионных аккумуляторов в Северной Каролине с инвестициями в размере 1,4 миллиарда долларов.

Венкат Сринивасан уверен, что в ближайшие годы натрий-ионные аккумуляторы займут значительную долю рынка, став реальной альтернативой литий-ионным. Ближе к концу десятилетия ожидается появление твердотельных аккумуляторов, отличающихся еще большей энергоемкостью и дальностью хода.

Эксперты полагают, что эти технологии будут мирно сосуществовать, занимая разные ниши: твердотельные аккумуляторы, вероятно, найдут применение в премиальных электромобилях, а натрий-ионные станут оптимальным решением для доступных городских и пригородных моделей, где запас хода не является определяющим фактором. В любом случае, заключает эксперт, натрий-ионные аккумуляторы – это не просто "нишевый игрок", а стремительно развивающийся сегмент рынка с огромным потенциалом.