Вони живлять крихітні телефони та двотонні електромобілі. Вони формують хребет стабільності для «зеленої» енергетики. Без них неможливо було б уявити засилля портативної електроніки. А в 2019 році вони принесли трьом своїм піонерам Нобелівську премію. Це літій-іонні батареї, які стали опорою сучасного світу, але їхні мінуси змушують шукати альтернативи і багато компаній бачать на цій ролі натрієві акумулятори.
У літій-іонних (Li-ion) акумуляторів є кілька суттєвих мінусів. Наприклад, літій у дефіциті. Для літій-іонних акумуляторів також потрібні кобальт і нікель. Ці метали також є дефіцитними, а кобальт також є біологічно токсичним і суспільно проблематичним, оскільки його переважно видобувають у Демократичній Республіці Конго майже в рабських умовах.
Тому багато компаній вважають, що краще натомість виготовляти батареї з натрієм. На відміну від літію, натрію багато: він становить більшу частину солі в океанах. Хіміки виявили, що шаруваті оксидні катоди, в яких використовується натрій, а не літій, можуть обійтися без кобальту чи нікелю.
Тому ідея масштабного виробництва натрій-іонних (або Na-ion) акумуляторів набирає популярності. Інженери допрацьовують дизайн. Заводи, особливо в Китаї, ростуть. Вперше з початку літій-іонної революції місце літію на електрохімічному п’єдесталі піддається сумніву.
Солі Землі
Літій і натрій, члени групи лужних металів, розташовані трохи нижче водню в першому стовпці періодичної таблиці. Лужні метали відомі реакційною здатністю – вибухають навіть при контакті з водою.
Це тому, що зовнішня оболонка електронів, що оточує ядро атома лужного металу, має лише одного мешканця. Ці валентні електрони легко відриваються, створюючи позитивні іони (катіони), які можуть з’єднуватися з негативними аналогами (аніонами), такими як гідроксильні іони, отримані з води. Результатом є такі сполуки, як гідроксид літію та хлорид натрію, остання більш відома як кухонна сіль.
Однак якщо такі втрачені електрони направляються до місця призначення по дроту – результатом стає батарея. А якщо весь процес повернути у зворотний бік шляхом подачі зовнішнього струму, електрони почнуть заштовхуватися в атоми і таким чином батарею можна перезарядити, отримавши акумулятор.
Усе це стосується як натрію, так і літію. Враховуючи переваги натрію у вартості, можна задатися питанням, чому сьогодні бал правлять літієві акумулятори. йВідповідь полягає в тому, що атоми натрію, які мають 11 протонів, 12 нейтронів і додаткову електронну оболонку, більші і важчі за літій (три протони і три нейтрони). Натрієва батарея буде більшою і важчою за літієву такої ж ємності.
Невеликий розмір і невелика вага є ключовими для телефонів і, принаймні, бажана в електромобілях. Але ці фактори не всюди мають значення. Натрієві батареї можуть працювати як буфер електромережі, у домашніх електростанціях, на важких видах транспорту, таких як вантажівки та кораблі.
Китайці опановують натрій-іонні акумулятори
Інтерес Китаю до натрієвих батарей частково пов’язаний із поточним п’ятирічним економічним планом уряду, який розпочався у 2021 році та який, серед іншого, спрямований на вивчення різноманітних хімічних речовин акумуляторів.
Лондонська фірма Benchmark Mineral Intelligence налічує 36 китайських компаній, які виробляють або досліджують натрієві батареї. Ці фірми здебільшого тримають таємницю — у чотирьох випадках дослідники Benchmark навіть не можуть точно визначити, про яку хімію батареї йдеться. Тим не менш, лідером, як правило, вважається CATL, що базується у Фуцзяні.
CATL вже є найбільшим у світі виробником літій-іонних акумуляторів для транспорту. У 2021 році компанія анонсувала першу в світі натрієву батарею для електромобілів. Chery, китайський автовиробник, використовуватиме Catl разом із деякими літієвими у своєму бренді iCAR, який незабаром буде випущений на ринок.
BYD, головний конкурент CATL та виробник автомобілів, так само активний. Його хетчбек Seagull, який був представлений на автосалоні в Шанхаї в квітні, також скоро матиме Na-ion акумулятори. Farasis Energy, інший відомий виробник акумуляторів, об’єднався з Jiangling Motors; HiNa Battery Technology, фірма, створена спеціально для розробки Na-ion акумуляторів, співпрацює з JAC, ще одним автовиробником; і Svolt, дочірня компанія Great Wall Motor, має готового автомобільного партнера у своїй материнській компанії.
За даними Benchmark, ці п’ять фірм разом із 22 іншими використовують катоди з шаруватим оксидом (крім чотирьох невідомих, решта працюють або над поліаніонними конструкціями, або над третім підходом із залізовмісною речовиною, яка називається берлінська лазурь).
І ось тут з’являються кобальт і нікель. Досвід показує, що оксидні шари, що містять іони кобальту та нікелю (разом з іонами марганцю, який є дешевим і не суперечливим для видобутку), створюють найкращі катоди для літієвих батарей.
Кобальт і нікель (а також марганець і залізо) є так званими перехідними металами з більш ніж одним валентним електроном. Тоді як іони літію та натрію завжди мають один позитивний заряд, кобальт, наприклад, може утворювати іони із зарядами +2 або +3. Коли електрон досягає катода багатошарової оксидної батареї, він реагує з іоном перехідного металу, зменшуючи свій позитивний заряд на одиницю та створюючи чистий негативний заряд. Іон лужного металу (позитивно заряджений) переміщується в кристалічну структуру, щоб збалансувати заряди.
У натрієвих батареях шаруваті оксидні катоди можна виготовляти лише з марганцю та заліза (хоча для покращення продуктивності їх можна дооповнювати такими металами, як мідь і титан). Чому, не зовсім зрозуміло.
Домінік Брессер з Технологічного інституту Карлсруе в Німеччині вважає, що це тому, що більші розміри атомів натрію та дещо інші електронні властивості дозволяють їм поміститися в більш широкий діапазон кристалів.
Якою б не була відповідь, практичним результатом є значне зниження вартості матеріалів. Ця гнучкість також дозволяє розробляти Na-іонні батареї таких властивостей, як вища вихідна потужність, яких важче досягти з Li-ion.
Стартова сітка
За словами Рорі Макналті, дослідницького аналітика Benchmark, китайські фірми побудували 34 заводи з виробництва Na-іонних акумуляторів, які будуються або анонсуються всередині країни, і один планується в Малайзії. Навпаки, відомі виробники акумуляторів в інших місцях поки що не виявляють особливого інтересу. Однак навіть без п’ятирічного плану, який би їм керував, деякі некитайські стартапи намагаються виграти маршу, розробляючи альтернативи шаруватим оксидам, в надії покращити технологію, зменшити її вартість або і те, і інше.
Одним із найбільш інтригуючих із цих неофітів є Natron Energy із Санта-Клари, Каліфорнія. Він використовує підхід берлінської блакиті. Берлінська лазурь, яка є поширеним барвником, дешева. Але Natron сподівається, що це може продовжити термін служби батареї.
Принаймні на даний момент Na-іонні шаруваті оксидні катоди менш довговічні, ніж літій-іонні аналоги. Natron стверджує, що його елементи можуть витримувати 50 000 циклів заряджання та розряджання — у 10-100 разів більше, ніж можуть витримати комерційні літій-іонні батареї. Фірма побудувала фабрику в Мічигані, яка, за її словами, розпочне виробництво пізніше цього року.
Інші некитайські фірми менш просунуті, але сповнені надії. Компанія Altris у Швеції, яка також будує фабрику, використовує матеріал під назвою берлінський білий, який замінює частину заліза берлінської лазурі натрієм. Тіамат у Франції використовує поліаніонний дизайн із залученням ванадію. А Faradion у Британії (зараз належить індійській фірмі Reliance) має намір дотримуватися системи з шаруватим оксидом металу.
Як все буде розвиватися, ще належить побачити. Доктор Макналті закликає бути обережними, принаймні в короткостроковій перспективі. Технологіям акумуляторів потрібен час для розвитку (перші дослідження літієвих батарей датуються 1960-ми роками).
Benchmark передбачає, що потужність виробництва натрієвих акумуляторів у 2030 році становитиме близько 140 гігават-годин на рік. Однак фірма вважає, що лише трохи більше половини цієї потужності буде фактично виробляти акумуляторні комірки. Це становить 2% від прогнозованого виробництва літієвих елементів у цьому році.
Натрієві батареї, тим не менш, виглядають привабливо. Для мережевого зберігання вони здаються серйозними конкурентами залізо-фосфатним літій-іонним акумуляторам (LFP), хоча їм також доведеться конкурувати з іншими новими підходами, такими як ванадієві батареї. Їхніми головними конкурентами на ринках вантажівок і судноплавства, ймовірно, є водневі паливні елементи, але це неперевірена технологія, яка покладається на ще не розбудовану інфраструктуру для постачання водню.
Для чутливих до ваги застосувань, таких як електромобілі чи навіть літаки, майбутнє менш визначене. Вирішальним фактором будуть ціни на матеріали. Якщо розвідка літію, кобальту та нікелю створить достатньо нових копалень, щоб утримувати ціни, може зникнути стимул платити вченим та інженерам за збільшення кількості енергії на кілограм, яку можуть зберігати натрієві батареї. Але якщо вартість цих металів залишиться високою, то для натрію може настати перспективне майбутнє.
За матеріалами: Economist
