Завжди здається, що чергова нова «революційна» технологія акумуляторів залишається лишена папері, а реальних продуктів ми так і не бачимо. Однак це лише тому, що ЗМІ вихоплюють лише найяскравіші одиночні події та не пишуть про тривалий процес, бо це нудно. Але нові технології акумуляторів уже впроваджуються, згадайте лише літій-іонні кремній-вуглецеві акумулятори, які за останні два роки дозволили смартфонам отримати акумулятори на 30% більшої ємності. Але у всіх літій-іонних батарей є недоліки, які обіцяє вирішити інша технологія – натрій-іонні батареї. Вони вже починають впроваджуватися, і, ймовірно, невдовзі від них залежатиме наше повсякденне життя.
Багато хто вперше чує про цю технологію, однак інтерес до натрій-іонів існує вже давно. Завдяки низці важливих проривів, можна сказати, що епоха натрій-іонних акумуляторів вже почалася.
Чому потрібна альтернатива літію
Літієві батареї живлять сучасний світ. Їхня висока енергетична щільність робить можливими смартфони, ноутбуки та більшість електромобілів. Проте вони мають серйозні недоліки: висока вартість матеріалів, крихкі ланцюги постачання, екологічні та етичні проблеми. Літій\іонні батареї також дуже вимогливі до умов роботи та зберігання.
Простіше кажучи – літієва технологія не масштабується ефективно, коли потрібна батарейка більше, ніж у смартфона. Потрібні батареї з дешевших і поширеніших матеріалів, безпечніші й стабільніші за вибухонебезпечний літій.
Тут на сцену виходять натрій-іонні (Na-ion) батареї.
Що робить натрій-іонні батареї особливими
Принцип дії такий самий, як у літієвих, тільки використовується інший елемент. Натрій є надзвичайно поширеним, дешевим і доступним у будь-якому регіоні світу. Це означає, що його неможливо монополізувати країнам, які мають родовища.
Катод для Na-ion може створюватися з заліза й марганцю — це також дешеві й поширені матеріали. Для порівняння, у літієвих батареях використовуються кобальт і нікель, які дорогі й відносно рідкісні. А ще токсичний кобальт видобувають африканські діти в шахтах-копанках
Натрій-іонні батареї безпечніші за літієві, що робить їх привабливими для електромобілів, адже ризик вибуху після ДТП мінімальний. Вони також краще працюють при низьких температурах, що актуально для регіонів, де Li-ion EV неефективні через холод.
Ключова перевага натрій-іонного акумулятора – його стійкість до повного розряду. Na-ion батарейку можна перевозити в абсолютно безпечному стані, розрядивши її до напруги 0 вольт. Li-ion можна розряджати лише до 2,5 вольт, інакше його можна викинути, але при цьому в акумуляторі залишається ще достатньо енергії для пожежі.
Прориви, що запускають розвиток Na-ion
Раніше ключовою проблемою була низька енергетична щільність: не мало сенсу брати вдвічі більший за розміром акумулятор для тієї самої ємності. Сучасні ж Na-ion досягли щільності, співставної з деякими літієвими акумуляторами меншої ємності.
Найбільший виробник батарей CATL представив у 2023–2024 рр. другу генерацію натрій-іонної платформи Naxtra з енергетичною щільністю близько 175 Wh/кг і планами масового виробництва. За словами компанії, нові елементи за ресурсом і безпекою порівнянні з літій-залізо-фосфатними (LFP) акумуляторами. Це нижче від найкращих Li-ion (понад 250 Wh/кг), але достатньо для практичного застосування — тим більше, що Na-ion дешевші, а отже можна встановити більшу кількість для збільшення дальності ходу.
У США компанія Natron Energy планує відкрити $1,4 млрд гігафабрику Na-ion, зменшуючи залежність від імпорту. В Японії виробник Elecom представив перший споживчий павербанк на натрій-іонній клітині з подовженим ресурсом і розширеним температурним діапазоном.
Попереду — подальші дослідження анодних матеріалів, електролітів та безанодних конструкцій для підвищення щільності й ресурсу. Літієві технології теж не стоять на місці, але вони й надалі прив’язані до дефіцитного елемента.
Тим часом, ви можете вільно придбати na-ion акумулятор в стандартних розмірах, включаючи 18650, 26700 в онлайн-магазинах, включаючи Aliexpress.
Де Na-ion найбільш ефективні
-
Стаціонарні системи накопичення енергії.
-
Легкі електромобілі та міські авто, де важлива дешевизна, довговічність і робота на морозі.
-
Павербанки, інструменти та IoT-пристрої, що потребують тисяч циклів і широких температурних меж.
-
Гібридні акумулятори, де комбінація Na-ion і Li-ion дозволяє використати переваги обох.
Перспективи
За оцінками IDTechEx, собівартість натрій-іонних елементів може впасти до ~$40/кВт·год при масштабуванні виробництва. Це значно нижче від літієвих аналогів, що обіцяє різке зростання попиту.
Na-ion, ймовірно, стануть не заміною, а доповненням до Li-ion, залишивши останній лише там, де портібна найбільша щільність енергії, наприклад, смартфони та ноутбуки. Але якщо літій стане занадто дорогим або дефіцитним, натрій-іон може й повністю перебрати на себе ринок. Уже сьогодні будується інфраструктура для масового виробництва цих акумуляторів.
Технічне порівняння: Na-ion vs Li-ion NMC
| Параметр | Na-ion | Li-ion NMC |
|---|---|---|
| Номінальна напруга клітини | ~3.1 В | ~3.6–3.7 В |
| Напруга повністю зарядженого елемента | 4.0 В | 4.2 В |
| Напруга повністю розрядженого елемента | 2.0–2.5 В | 2.5–3.0 В |
| Енергетична щільність | 110–175 Wh/кг (CATL Naxtra ~175) | 150–290 Wh/кг |
| Ресурс (цикли) | 1500–6000 | 1000–2000 |
| Робочий діапазон температур | ?30…+55 °C (деякі версії ?40…+80 °C) | ?20…+55 °C |
| Безпека | Вища термостабільність, допускають розряд до 0 В | Ризик пожежі |
| Вартість матеріалів | Дешевий натрій, залізо, марганець | Дорогі літій, нікель, кобальт |
Висновок
Na-ion батареї менш енергоємні, але дешевші, безпечніші та витриваліші. Їхнє місце — там, де важливі довговічність і стабільність, а не максимальна щільність, — енергосховища, бюджетні EV, побутова електроніка. Li-ion NMC залишаться основою преміальних EV і компактних гаджетів, але тиск на літій може змінити баланс у бік натрію.
