Они питают крошечные телефоны и двухтонные электромобили. Они формируют позвоночник стабильности для «зеленой» энергетики. Без них невозможно было бы представить засилье портативной электроники. А в 2019 году они принесли трем своим пионерам Нобелевскую премию. Это литий-ионные батареи, ставшие опорой современного мира, но их минусы заставляют искать альтернативы и многие компании видят на этой роли натриевые аккумуляторы.
У литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов есть несколько существенных минусов. К примеру, литий в дефиците. Для литий-ионных аккумуляторов также требуются кобальт и никель. Эти металлы также дефицитны, а кобальт также является биологически токсичным и общественно проблематичным, поскольку его преимущественно добывают в Демократической Республике Конго почти в рабских условиях.
Поэтому многие компании считают, что лучше производить батареи с натрием. В отличие от лития натрия много: он составляет большую часть соли в океанах. Химики обнаружили, что слоистые оксидные катоды, в которых используется натрий, а не литий, могут обойтись без кобальта или никеля.
Поэтому идея масштабного производства натрий-ионных (или Na-ion) аккумуляторов набирает популярность. Инженеры дорабатывают дизайн. Заводы, особенно в Китае, растут. Впервые с начала литий-ионной революции место лития на электрохимическом пьедестале подвергается сомнению.
Соли Земли
Литий и натрий, члены группы щелочных металлов, расположены несколько ниже водорода в первом столбце периодической таблицы. Щелочные металлы известны реакционной способностью – взрываются даже при контакте с водой.
Это потому, что внешняя оболочка электронов, окружающая ядро ??атома щелочного металла, имеет только одного обитателя. Эти валентные электроны легко отрываются, создавая положительные ионы (катионы), которые могут соединяться с отрицательными аналогами (анионами), такими как гидроксильные ионы, полученные из воды. Результатом являются такие соединения, как гидроксид лития и хлорид натрия, последняя более известна как поваренная соль.
Однако если такие потерянные электроны направляются к месту назначения по проводу – результатом становится батарея. А если весь процесс повернуть в обратную сторону путем подачи внешнего тока, электроны начнут заталкиваться в атомы и таким образом можно перезарядить батарею, получив аккумулятор.
Все это касается как натрия, так и лития. Учитывая преимущества натрия в стоимости, можно задаться вопросом, почему сегодня балл правят литиевые аккумуляторы. Ответ состоит в том, что атомы натрия, имеющие 11 протонов, 12 нейтронов и дополнительную электронную оболочку, больше и тяжелее лития (три протона и три нейтрона). Натриевая батарея будет больше и тяжелее литиевой такой же емкости.
Небольшой размер и небольшой вес являются ключевыми для телефонов и, по крайней мере, желательны в электромобилях. Но эти факторы не повсюду имеют значение. Натриевые батареи могут работать в качестве буфера электросети, в домашних электростанциях, на тяжелых видах транспорта, таких как грузовики и корабли.
Китайцы овладевают натрий-ионными аккумуляторами
Интерес Китая к натриевым батареям частично связан с текущим пятилетним экономическим планом правительства, который начался в 2021 году и, среди прочего, направлен на изучение различных химических веществ аккумуляторов.
Лондонская фирма Benchmark Mineral Intelligence насчитывает 36 китайских компаний, производящих или исследующих натриевые батареи. Эти фирмы в большинстве своем держат тайну — в четырех случаях исследователи Benchmark даже не могут точно определить, о какой химии батареи идет речь. Тем не менее, лидером, как правило, считается CATL, базирующийся в Фуцзяне.
CATL уже является крупнейшим в мире производителем литиево-ионных аккумуляторов для транспорта. В 2021 году компания анонсировала первую в мире натриевую батарею для электромобилей. Chery, китайский автопроизводитель, будет использовать Catl вместе с некоторыми литиевыми в своем бренде iCAR, который в скором времени будет выпущен на рынок.
BYD, главный конкурент CATL и производитель автомобилей, также активен. Его хэтчбек Seagull, который был представлен на автосалоне в Шанхае в апреле, также скоро будет иметь Na-ion аккумуляторы. Farasis Energy, другой известный изготовитель аккумуляторов, объединился с Jiangling Motors; HiNa Battery Technology, фирма, созданная специально для разработки Na-ion аккумуляторов, сотрудничает с JAC, еще одним автопроизводителем; и Svolt, дочерняя компания Great Wall Motor, имеет готового автомобильного партнера в своей материнской компании.
По данным Benchmark, эти пять фирм вместе с 22 другими используют катоды со слоистым оксидом (кроме четырех неизвестных, остальные работают либо над полианионными конструкциями, либо над третьим подходом с железосодержащим веществом, которое называется берлинская лазурь).
И вот тут возникают кобальт и никель. Опыт показывает, что оксидные слои, содержащие ионы кобальта и никеля (вместе с ионами марганца, который является дешевым и не противоречивым добыче), создают лучшие катоды для литиевых батарей.
Кобальт и никель (а также марганец и железо) являются так называемыми переходными металлами с более чем одним валентным электроном. В то время как ионы лития и натрия всегда имеют один положительный заряд, кобальт, например, может образовывать ионы с зарядами +2 или +3. Когда электрон достигает катода многослойной оксидной батареи, он реагирует с ионом переходного металла, уменьшая положительный заряд на единицу и создавая чистый отрицательный заряд. Ион щелочного металла (положительно заряженный) перемещается в кристаллическую структуру, чтобы сбалансировать заряды.
В натриевых батареях слоистые оксидные катоды можно производить только из марганца и железа (хотя для улучшения производительности их можно дополнять такими металлами, как медь и титан). Почему, не совсем ясно.
Доминик Брессер из Технологического института Карлсруэ в Германии считает, что это потому, что большие размеры атомов натрия и другие электронные свойства позволяют им поместиться в более широкий диапазон кристаллов.
Каким бы ни был ответ, практическим результатом является значительное снижение стоимости материалов. Эта гибкость также позволяет разрабатывать Na-ионные батареи таких свойств, как более высокая выходная мощность, которых труднее достичь с Li-ion.
Стартовая сетка
По словам Рори Макналти, исследовательского аналитика Benchmark, китайские фирмы построили 34 завода по производству Na-ионных аккумуляторов, которые строятся или анонсируются внутри страны, и один планируется в Малайзии. Напротив, известные производители аккумуляторов в других местах пока не проявляют особого интереса. Однако даже без пятилетнего плана, который бы им руководил, некоторые некитайские стартапы пытаются выиграть маршу, разрабатывая альтернативы слоистым оксидам, в надежде улучшить технологию, снизить ее стоимость или и то, и другое.
Одним из наиболее интригующих из этих неофитов является Natron Energy из Санта-Клары, Калифорния. Он использует подход берлинской голубизны. Берлинская лазурь, являющаяся распространенным красителем, дешева. Но Natron надеется, что это может продлить срок службы батареи.
По крайней мере, на данный момент Na-ионные слоистые оксидные катоды менее долговечны, чем литий-ионные аналоги. Natron утверждает, что его элементы могут выдерживать 50 000 циклов зарядки и разрядки – в 10-100 раз больше, чем могут выдержать коммерческие литий-ионные батареи. Фирма построила фабрику в Мичигане, которая, по ее словам, начнет производство позже в этом году.
Другие некитайские фирмы менее продвинуты, но полны надежды. Компания Altris в Швеции, также строящая фабрику, использует материал под названием берлинский белый, заменяющий часть железа берлинской лазури натрием. Тиамат во Франции использует полианионный дизайн с привлечением ванадия. А Faradion в Британии (сейчас принадлежит индийской фирме Reliance) намерена соблюдать систему со слоистым оксидом металла.
Как все будет развиваться, еще предстоит увидеть. Доктор Макналти призывает быть осторожными, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Технологиям аккумуляторов требуется время для развития (первые исследования литиевых батарей датируются 1960-ми годами).
Benchmark предполагает, что мощность производства натриевых аккумуляторов в 2030 году составит около 140 гигаватт-часов в год. Однако фирма считает, что лишь немногим более половины этой мощности будет фактически производить аккумуляторные ячейки. Это составляет 2% прогнозируемого производства литиевых элементов в этом году.
Натриевые батареи, тем не менее, смотрятся привлекательно. Для сетевого хранения они кажутся серьезными конкурентами железофосфатным литий-ионным аккумуляторам (LFP), хотя им также придется конкурировать с другими новыми подходами, такими как ванадиевые батареи. Их главными конкурентами на рынках грузовиков и судоходства, вероятно, являются водородные топливные элементы, но это непроверенная технология, которая полагается на еще не построенную инфраструктуру для снабжения водородом.
Для чувствительных к весу применений, таких как электромобили или самолеты, будущее менее определено. Решающим фактором будут цены на материалы. Если разведка лития, кобальта и никеля создаст достаточно новых рудников, чтобы удерживать цены, может исчезнуть стимул платить ученым и инженерам за увеличение количества энергии на килограмм, которое могут хранить натриевые батареи. Но если стоимость этих металлов остается высокой, то для натрия может наступить перспективное будущее.
По материалам: Economist
