3DNews Технологии и рынок IT. Новости финансовые новости и аналитика Натрий-ионные аккумуляторы не особо угро… Самое интересное в обзорах 07.08.2021 [07:24], Алексей Разин С 2023 года китайская компания CATL, сейчас контролирующая примерно 30 % мирового рынка литиевых аккумуляторов, намеревается начать поставки натрий-ионных аккумуляторов, не требующих при производстве использования лития. Добывающие компании убеждены, что спрос на литий при этом не уменьшится, поскольку сфера применения натрий-ионных батарей будет ограниченной. Источник изображения: Reuters К преимуществам натрий-ионных батарей CATL отнесла более высокую скорость зарядки и меньшую восприимчивость к отрицательным температурам, но сниженная плотность хранения заряда неизбежно увеличит массу батарей, да и уменьшенный запас хода делает такие аккумуляторы не очень удобными для использования в электротранспорте. Скорее всего, как считают аналитики, натриевые батареи будут отнимать покупателей у литиевых аккумуляторов на основе фосфата железа, а вот батареи с содержанием никеля останутся вне конкуренции. Лишь они смогут оптимальным образом способствовать распространению электромобилей, при этом спрос на литий всё равно будет превышать предложение в ближайшие годы. К концу десятилетия он должен увеличиться в четыре с половиной раза до 2 млн тонн. Спрос на кобальт, никель, марганец и другие используемые при производстве аккумуляторов минералы вырастет почти в два раза до конца десятилетия. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1046182/natriyionnie-akkumulyatori-ne-osobo-ugrogayut-rinku-litievih-kak-schitayut-dobivayushchie-kompanii Рубрики: Новости Hardware, автомобили, мотоциклы, транспортные средства, финансовые новости и аналитика, Теги: catl, литийионные, аналитика, литий, аккумулятор ← В прошлое В будущее → |
Натрий-ионная батарея на 50 тысяч циклов и зарядкой за 8 минут появится в 2023 году
Георгий Голованов
Намечающийся дефицит лития заставляет производителей аккумуляторов искать другие способы удовлетворения потребностей электротранспорта и мобильной электроники.
Одной из альтернатив литиевым батареям стали натриевые — более дешевые, безопасные и доступные. Американская компания Natron планирует начать массовое производство своих прорывных натрий-ионных аккумуляторов с невероятным сроком службы и сверхбыстрой скоростью зарядки уже в следующем году.
В прошлом году китайский гигант CATL объявил о перевороте в области чистого транспорта — запуске производства натрий-ионных аккумуляторов, разработанных специально для электромобилей. Предполагается, что натрий-ионные аккумуляторы обеспечат быструю зарядку и эффективную работу при низких температурах. Первые поставки элементов питания с плотностью энергии 160 Вт*ч/кг — вполовину меньше, чем предлагают современные литий-ионные батареи — должны начаться в 2023 году. Сегодня выяснилось, что также в 2023 году производство своих аккумуляторов начнет компания Natron.
Калифорнийская Natron выбрала другой подход к химии натрий-ионного аккумулятора. Он основан на берлинской лазури — пигменте, известном с XVIII века.Широкая доступность сырья, по заверениям Natron, должна привести к стабилизации цен, что станет ключевым преимуществом натрий-ионных батарей перед литиевыми.
Широкая доступность сырья, по заверениям Natron, должна привести к стабилизации цен, что станет ключевым преимуществом натрий-ионных батарей перед литиевыми.Разработка аккумулятора — это поиск компромиссов между множеством факторов, включая тепловые характеристики, плотность энергии и удельную мощность, безопасность, время зарядки и количество циклов. Natron утверждает, что ее ученым удалось добиться высокой плотности энергии, сверхбыстрой зарядки с 0 до 99% всего за восемь минут и внушительного срока службы свыше 50 000 циклов (от 5 до 25 раз больше, чем у литий-ионного аккумулятора). Вдобавок, благодаря тепловой стабильности такие батареи безопасно транспортировать, устанавливать и утилизировать, пишет New Atlas.
В отличие от CATL, Natron не собирается предлагать свою разработку автомобильным компаниям. Ее больше интересует промышленное применение: дата-центры, вилочные погрузчики и прочая индустриальная техника, телекоммуникационное оборудование. Возможно также использование натриевых батарей в качестве буферных для станций зарядки электромобилей.
Для запуска массового производства в 2023 году Natron заключила партнерское соглашение с Clarios International. Когда фабрика в штате Мичиган заработает в полную силу, она станет крупнейшей в мире по объемам выпускаемой продукции.
Шведские ученые предложили в прошлом году свой вариант повышения производительности натрий-ионных батарей. Для этого они обратились к новой форме графена, обладающей уникальными свойствами.
Натрий-ионные аккумуляторы догоняют и вытесняют литий-ионные в электромобилях?
В последние годы резко возросла популярность натрий-ионных аккумуляторов. Китайские компании, такие как Contemporary Amperex Technology (CATL), Gotion Hi-Tech, EVE Energy и BYD, занимаются исследованиями натрий-ионных аккумуляторов. CATL даже собирается запустить их в серийное производство. Вот некоторые анализы натрий-ионных аккумуляторов.
Три причины, по которым натрий-ионные батареи становятся привлекательными
Во-первых, цены на литиевое сырье, особенно на карбонат лития для аккумуляторов, в течение последних нескольких лет были непостоянными, и будущую тенденцию понять непросто.
Более 70% китайского лития импортируется, а ценовая власть контролируется предприятиями стран-производителей. Таким образом, автопроизводителям необходимо найти замену продукта в пределах досягаемости.
Во-вторых, основной принцип натрий-литиевых батарей такой же, как у литий-ионных батарей. Большинство существующих технических систем литий-ионных аккумуляторов можно перевести на натрий-литиевые аккумуляторы. Конечно, некоторые барьеры необходимо преодолеть. Условно говоря, техническая стоимость этой реализации ниже, чем стоимость и время разработки совершенно новой батареи.
В-третьих, текущая нехватка литиевых батарей, кажется, полностью преодолена за счет натрий-литиевых батарей. Учитывая комплексную техническую возможность и разницу в стоимости, вместо того, чтобы придерживаться литий-ионных аккумуляторов, лучше пойти другим путем.
Литий-ионные и натрий-ионные аккумуляторы можно назвать братьями-близнецами. Они оба имеют один и тот же ген и принадлежат к «батарейке-качалке».
Оба они полагаются на ион металла, который перемещается туда и обратно между катодом и анодом. Уже в 19В 70-х годах две батареи были изобретены одновременно. Однако на более позднем этапе промышленного развития натрий-литиевая батарея не нашла подходящего катодного материала, и причина, по которой условия исследования не были зрелыми, была безразличной. Наоборот, литий-ионные аккумуляторы добились технологических прорывов в катодных и анодных материалах, сепараторной пленке и электролитах. Он был коммерциализирован Sony в 1991 году. На сегодняшний день можно сказать, что литий-ионные аккумуляторы завершили разработку необходимой технической системы, люди выяснили многие технические детали, а также технологии обработки и упаковки аккумуляторов. они относительно зрелые. Другими словами, таким образом, остальное — заменить ионы лития ионами натрия, верно? Да, но батареи, которые вы делаете таким образом, не могут использоваться только для привода электромобилей.
Возможность замены литий-ионных аккумуляторов натрий-ионными: обсуждение с семи направлений
Первое: Безусловным преимуществом ионов натрия является стоимость.
С точки зрения сырья для анодов, недавняя цена на карбонат лития составляет 570 000 долларов США за тонну, тогда как цена на карбонат натрия составляет менее 3 000 долларов США за тонну. Это не только мир различий. Кроме того, поскольку натриевая соль имеет лучшую проводимость, можно уменьшить концентрацию электролита, что также снижает стоимость. Кроме того, этот тип батареи содержит соли металлов, анод литий-ионной батареи — алюминий, а катод — медь. Коллектор электрического тока используется для соединения активных материалов для сбора тока, так зачем использовать медь для катода литий-ионных аккумуляторов? Поскольку ионы лития будут реагировать с медью с образованием сплавов, а ионы натрия — нет, поэтому алюминий можно использовать как для катода, так и для анода натрий-ионных батарей, и стоимость может быть дополнительно снижена. Если натрий-ионные батареи смогут достичь той же производительности, что и литий-ионные, цена на электромобили должна снизиться примерно на 50%. Таким образом, ресурсы лития больше не имеют возможности монополизировать и поднимать цены.
Второй: Натрий-ионные батареи не просто заменяют основные ионы лития. Есть относительно большие изменения в материалах катода и анода. Что касается анодных материалов, существует три типа, аналогичных материалам анодов литий-ионных аккумуляторов.
Тип I представляет собой слоистый оксид переходного металла, аналогичный так называемым унитарным, бинарным, тройным соединениям лития в литий-ионных батареях, таким как никель-кобальтовый литий-марганцевый оксид и т. д. Используемые переходные элементы включают марганец, никель, хром, железо, титан, ванадий и т. д. Но это не то же самое, что кобальтат лития. Унитарный ион натрия, однослойный оксид металла натрия, нестабилен; он должен быть легирован другими металлами, чтобы сформировать стабильную структуру. В настоящее время британская компания использует четырехкомпонентную слоистую структуру Mn-Ni-Ti-Mg в качестве анодного материала с плотностью энергии 160 Втч/кг. Предприятие в Китае использует трехкомпонентный раствор Cu-Fe-Mn, плотность энергии которого может достигать 135 Втч/кг.
Анодный материал типа II представляет собой соединение берлинской белизны, представляющее собой гексацианоферрат переходного металла – NaxMa[Mb(CN)6], Ma={Fe, Mn, Ni}, Mb={Fe, Mn}. Кристаллическая структура относительно открыта, что в большей степени способствует интеркаляции и экстракции ионов натрия, но ее стабильность и цикличность все еще нуждаются в улучшении из-за некоторых побочных эффектов. Компания CATL приложила много усилий для разработки этого материала, и плотность энергии батареи нового материала после испытаний достигла 160 кВт/кг.
Тип III представляет собой анионное соединение NaXMy[(XOm)n-]z, где M представляет собой ион металла переменной валентности, такой как железо, ванадий и т. д., а X представляет собой такой элемент, как фосфор и сера. Этот материал представляет собой трехмерную сетчатую структуру, высокое рабочее напряжение и хорошую цикличность, но относительно низкую плотность энергии.
Вышеуказанные три катодных материала имеют свои преимущества и недостатки, и все производители изучают их.
До сих пор неясно, какой из них станет мейнстримом в конце концов.
Третье: Что касается материала катода, то материал катода литий-ионных аккумуляторов представляет собой графит, а ионы натрия не могут быть встроены в графит из-за их большого размера. Если будет использоваться графит, расстояние между слоями графита должно быть увеличено. Это увеличивает стоимость изготовления и снижает структурную стабильность катода. Ключевым моментом является то, что возможности этой технологии ограничены. Сейчас считается, что лучшим катодным материалом для ионов натрия является аморфный углерод. Это изомер углерода с тем же углеродным компонентом, но с другой структурой. Существует два вида аморфного углерода: твердый углерод (углеродный материал, который трудно графитизировать) и мягкий углерод (углеродный материал, который легко графитизировать). Твердый углерод признан лучшим катодным материалом, а его единичная плотность энергии в натрий-ионных батареях относительно высока и составляет около 200-450 мАч/г, что сравнимо с плотностью энергии графита в литий-ионных батареях (что составляет 375 мА·ч).
мАч/г). Но его цена очень высока и составляет около 100 000-200 000 долларов США за тонну. Это ключевой момент для оптимизации затрат при популяризации натрий-ионных аккумуляторов.
Четвертый: Электролиты натрий-ионных и литий-ионных аккумуляторов аналогичны. Оба используют органические растворы карбонатного эфира, но электролиты разные. В натрий-ионных батареях может использоваться гексафторфосфат натрия, как и в литий-ионных батареях, использующих гексафторфосфат лития. Однако из-за некоторых технических и экологических проблем промышленность продвигает отказ от фторирования электролитов, и в натрий-ионных батареях можно использовать более дешевый перхлорат натрия.
Перхлорат натрия также считается стандартной солью для натрий-литий-ионных аккумуляторов и очень дешев, что очень подходит для крупномасштабных приложений по хранению энергии. Однако, поскольку перхлорат является сильным окислителем, растворение в органических веществах вызовет сильную химическую реакцию, поэтому ни перхлорат натрия, ни перхлорат лития не стали лучшим выбором для электролитов.
В-пятых: Что касается производительности натрий-ионных аккумуляторов, то они не имеют проблем с переразрядом и теоретически могут быть разряжены до нуля вольт. Литий-ионные аккумуляторы нельзя полностью разряжать. При полном извлечении ионов лития межслойная структура катодного графита может разрушиться и повлиять на вторичное внедрение ионов лития. Кроме того, низкотемпературные характеристики натрий-ионных аккумуляторов намного выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Он по-прежнему поддерживает уровень удержания источника питания более 90% при -20 градусах и по-прежнему имеет коэффициент удержания более 70% при -40 градусах. Зимой проблемы с неспособностью электромобилей крейсировать больше не будет.
Шестое: Как упоминалось ранее, проводимость натрий-литий-ионных аккумуляторов выше, а также сильнее диффузионная способность ионов натрия, а значит, его C-скорость лучше. Натрий-ионный аккумулятор имеет скорость зарядки-разрядки не менее 3C, поэтому, если используется натрий-ионный аккумулятор, выходная мощность аккумулятора будет выше, а скорость зарядки будет выше.
Тем не менее, плотность энергии является ключевым фактором. Хотя стоимость низкая, плотность энергии также низкая; поэтому для достижения той же крейсерской способности может потребоваться добавить еще несколько модулей. Это легко понять; нам не нужно анализировать свойства материала анода и катода. Нам нужно только взглянуть на данные самого элемента натрия в периодической таблице для понимания. Натрий — 11-й элемент с атомным весом 22,9.г/моль, и он может нести только один заряд в окислительно-восстановительной реакции, по сравнению с литием 6,9 г/моль, чтобы нести заряд, который не является доминирующим. Что касается реальных продуктов, то можно увидеть, что текущая плотность энергии натрий-ионных аккумуляторов обычно составляет около 100-150 Втч/кг, а у литий-ионных аккумуляторов — 120-180 Втч/кг. Между ними все еще есть разрыв, и этот разрыв все еще трудно совместить. Однако с развитием анодных материалов плотность энергии натрий-ионных аккумуляторов будет продолжать расти. Если они смогут достичь того же уровня, что и литий-железо-фосфатные батареи, я думаю, что они смогут самостоятельно управлять электромобилями.
Седьмой: Будущая стратегия некоторых производителей заключается в объединении натрий-ионных батарей с литий-ионными батареями для формирования гибридной батареи, чтобы косвенно снизить стоимость литий-ионных батарей. Поэтому нам все же стоит побеспокоиться о полном использовании натрий-ионных аккумуляторов для привода транспортных средств. Далее, с точки зрения безопасности, внутреннее сопротивление натрий-ионных аккумуляторов относительно велико. При возникновении короткого замыкания мгновенное выделение тепла меньше, чем у ионов лития, а температура повышается медленно, поэтому это относительно безопасно. Кроме того, литиевые дендриты, важное соображение безопасности ионных батарей, относительно менее важны в натрий-ионных батареях, поскольку вероятность образования дендритов ионами натрия-лития относительно низка, что может еще больше повысить безопасность. Однако если металлический элемент натрия восстанавливается на катоде и сталкивается с водой, это также вызывает пожар и взрыв.
Одним словом, это относительно безопасно.
Производительность цикла еще не определена. Судя по текущим относительно зрелым продуктам, срок службы натрий-ионных аккумуляторов ниже, чем у литий-ионных, что во многом связано с их технической стабильностью. Тем не менее, существуют также соответствующие технические решения, которые могут увеличить срок службы более чем в 4000 раз, но это лишь некоторые решения, которые не были коммерциализированы.
Вообще говоря, в исследованиях анодных, катодных материалов и электролитов натрий-литиевых аккумуляторов есть еще много барьеров, которые необходимо преодолеть. Конечно, эта трудность в основном отражается на использовании силовых аккумуляторов. Если речь идет о крупномасштабном хранении энергии, то соображения стоимости являются приоритетными. В настоящее время его конкурентами являются свинцово-кислотные аккумуляторы вместо литий-ионных аккумуляторов.
Вывод: Производительность важнее
Мой вывод довольно пессимистичен.
Я не думаю, что натрий-ионные батареи могут заменить литий-ионные батареи только в электромобилях или в хранилищах для замены свинцово-кислотных батарей. В лучшем случае это средство снижения стоимости, и его можно использовать в сочетании с литий-ионными батареями для снижения стоимости всего аккумуляторного блока.
Важной точкой зрения является то, что в основе конкуренции между мощными батареями должна быть производительность, а не стоимость. Это должно быть сначала производительность, а затем снижение затрат, а не сначала снижение затрат, а затем улучшение производительности. Отказ от производительности только ради затрат — это ставить телегу впереди лошади.
Примечание редактора: «Доктор Стил» Джин-Лу Моу, специализируется на науках о Земле и окружающей среде. Он работает в сталелитейной промышленности уже 33 года и знаком с производством стали. Выйдя на пенсию в 2020 году, он возобновил обучение для получения второй докторской степени в Национальном университете Цинхуа.
В настоящее время он является консультантом Phoneix Battery Corporation.
Авторы и права: д-р Джин-Лу Моу
Недорогое, широко распространенное на Земле сырье питает новое решение для хранения энергии в сети — ScienceDaily
Согласно исследованию, только что опубликованному в журнале Energy Storage Materials , новый дизайн батареи может облегчить интеграцию возобновляемой энергии в национальную электрическую сеть с меньшими затратами, с использованием распространенных на Земле металлов. Исследовательская группа, возглавляемая Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией Министерства энергетики, продемонстрировала, что новая конструкция аккумуляторной батареи, построенной из недорогих металлов, натрия и алюминия, обеспечивает путь к более безопасной и масштабируемой стационарной системе хранения энергии.
«Мы показали, что эта новая конструкция батареи с расплавленной солью может заряжаться и разряжаться намного быстрее, чем другие обычные высокотемпературные натриевые батареи, работать при более низкой температуре и поддерживать превосходную емкость хранения энергии», — сказал Гуошэн Ли, материаловед из PNNL и главный исследователь исследования.
Поставлено больше накопителей энергии
Имре Гюк, директор Управления электроэнергетики Министерства энергетики, программы накопления энергии, которая поддержала это исследование, отметил: «Эта аккумуляторная технология, созданная из недорогих отечественных материалов, приближает нас на один шаг к к достижению целей нашей страны в области чистой энергии».
Новая батарея из расплавленной соли на основе натрия использует две различные реакции. Ранее команда сообщала о нейтральной реакции расплавленной соли. Новое открытие показывает, что эта нейтральная расплавленная соль может подвергаться дальнейшей реакции в кислую расплавленную соль. Важно отметить, что этот второй кислотный механизм реакции увеличивает емкость батареи.
Энергия, которую батарея может отдать в процессе разрядки, называется удельной плотностью энергии и выражается как «ватт-час на килограмм» (Втч/кг). Несмотря на то, что батарея находится на ранней стадии тестирования, исследователи предполагают, что она может привести к практической плотности энергии до 100 Втч/кг. Для сравнения, плотность энергии литий-ионных аккумуляторов, используемых в коммерческой электронике и электромобилях, составляет около 170-250 Втч/кг. Однако новая конструкция натрий-алюминиевой батареи имеет то преимущество, что она недорогая и ее легко производить в Соединенных Штатах из гораздо более распространенных материалов.
«Мы ожидаем, что благодаря оптимизации удельная плотность энергии и жизненный цикл могут стать еще выше и длиннее», — добавил Ли.
Натриевая батарея показывает свой характер
Действительно, ученые PNNL сотрудничали с коллегами из американского пионера возобновляемых источников энергии Nexceris, чтобы собрать и протестировать батарею.
Nexceris через свой новый бизнес Adena Power поставила PNNL свой запатентованный твердотельный электролит на основе натрия для проверки производительности батареи. Этот важный компонент батареи позволяет ионам натрия перемещаться от отрицательной (анодной) к положительной (катодной) стороне батареи по мере ее зарядки.
«Наша главная цель в этой технологии — обеспечить недорогую ежедневную передачу солнечной энергии в электрическую сеть в течение периода от 10 до 24 часов», — сказал Винс Спренкл, эксперт по аккумуляторным технологиям PNNL с более чем 30 запатентованными технологиями. проекты систем хранения энергии и связанных с ними технологий. «Это удачное место, где мы можем начать думать об интеграции более высоких уровней возобновляемых источников энергии в электрическую сеть, чтобы обеспечить истинную устойчивость сети за счет возобновляемых ресурсов, таких как энергия ветра и солнца».
Sprenkle был частью команды, разработавшей новую гибкую конструкцию этой батареи, которая также изменила форму батареи с традиционной трубчатой на плоскую, масштабируемую, которую можно легко складывать и расширять по мере развития технологии от батарей размером с монету до больший размер демонстрации в масштабе сетки.
Большинство современных батарей, включая литий-ионные, хорошо подходят для кратковременного хранения энергии. Чтобы удовлетворить спрос на 10 с лишним часов хранения энергии, потребуется разработка новых, недорогих, безопасных и долговечных концепций аккумуляторов, выходящих за рамки современных современных аккумуляторных технологий. Это исследование представляет собой многообещающую демонстрацию лабораторного масштаба для достижения этой цели.
Вариация на тему устойчивости сети
Способность накапливать энергию, вырабатываемую возобновляемыми источниками энергии, и высвобождать ее по запросу в электрическую сеть привела к быстрому развитию аккумуляторных технологий, и многие новые разработки конкурируют за внимание и клиентов.
По сравнению с сезонной батареей эта новая конструкция особенно хорошо подходит для краткосрочного и среднесрочного хранения энергии в сети в течение от 12 до 24 часов. Это разновидность так называемой натрий-металлогалогенной батареи. Аналогичная конструкция, использующая никелевый катод как часть системы, доказала свою эффективность в промышленных масштабах и уже коммерчески доступна.
«Мы устранили потребность в никеле, относительно дефицитном и дорогом элементе, не жертвуя при этом производительностью батареи», — сказал Ли. «Еще одно преимущество использования алюминия по сравнению с никелем заключается в том, что алюминиевый катод заряжается быстрее, что имеет решающее значение для увеличения продолжительности разряда, продемонстрированной в этой работе».
Достигнув этого рубежа, команда сосредоточилась на дальнейших улучшениях, чтобы увеличить продолжительность разряда, что могло бы значительно улучшить гибкость сети для более широкого использования возобновляемых источников энергии.
А поскольку он работает при более низкой температуре, его можно производить из недорогих аккумуляторных материалов, вместо того, чтобы требовать более сложных и дорогих компонентов и процессов, как в обычных высокотемпературных натриевых аккумуляторах, сказал Дэвид Рид, эксперт по аккумуляторам PNNL и исследовательский соавтор. -автор.
Больше аккумулирования энергии в сети при меньших затратах
В 2023 году уровень техники для хранения энергии в сети с использованием литий-ионных батарей будет составлять около четырех часов емкости для хранения энергии, сказал Спренкл. «Эта новая система может значительно увеличить объем хранимой энергии, если мы сможем достичь ожидаемых целевых показателей затрат на материалы и производство», — добавил он.
В рамках исследования исследователи подсчитали, что конструкция натрий-алюминиевой батареи на основе недорогого сырья может стоить всего 7,02 доллара за кВтч для активных материалов. Они прогнозируют, что за счет оптимизации и увеличения практической плотности энергии эти затраты могут быть снижены еще больше. Эта многообещающая недорогая технология хранения в масштабе сети может позволить прерывистым возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра и солнца, более динамично вносить свой вклад в национальную электрическую сеть.
Нил Киднер, соавтор исследования и президент компании Adena Power, производителя твердотельных натриевых батарей, сотрудничает с PNNL для продвижения технологии батарей на основе натрия. «Это исследование демонстрирует, что наш натриевый электролит работает не только с нашей запатентованной технологией, но и с конструкцией натрий-алюминиевой батареи», — сказал он. «Мы с нетерпением ждем продолжения нашего партнерства с исследовательской группой PNNL для продвижения технологии натриевых батарей».