Всегда кажется, что очередная новая «революционная» технология аккумуляторов остается оставлена бумаге, а реальных продуктов мы так и не видим. Однако это только потому, что СМИ выхватывают только самые яркие одиночные события и не пишут о длительном процессе, потому что это скучно. Но новые технологии аккумуляторов уже внедряются, вспомните лишь литий-ионные кремний-углеродные аккумуляторы, которые за последние два года позволили смартфонам получить аккумуляторы на 30% большей емкости . Но у всех литий-ионных батарей есть недостатки, которые обещает решить другая технология – натрий-ионные батареи. Они уже начинают внедряться, и, вероятно, вскоре от них будет зависеть наша повседневная жизнь.
Многие впервые слышат об этой технологии, однако интерес к натрий-ионам существует уже давно. Благодаря ряду важных прорывов, можно сказать, что эпоха натрий-ионных аккумуляторов уже началась.
Почему нужна альтернатива литию
Литиевые батареи питают современный мир. Их высокая плотность энергии делает возможными смартфоны, ноутбуки и большинство электромобилей. Однако у них есть серьезные недостатки: высокая стоимость материалов, хрупкие цепочки поставок, экологические и этические проблемы. Литий \ ионные батареи также очень требовательны к условиям работы и хранения.
Проще говоря-литиевая технология не масштабируется эффективно, когда требуется батарейка больше, чем у смартфона. Нужны батареи из более дешевых и распространенных материалов, безопаснее и стабильнее взрывоопасного лития.
Здесь на сцену выходят натрий-ионные (Na-ion) батареи.
Что делает натрий-ионные батареи особенными
Принцип действия такой же, как у литиевых, только используется другой элемент. Натрий чрезвычайно распространен, дешев и доступен в любом регионе мира. Это означает, что его невозможно монополизировать странам, имеющим месторождения.
Катод для Na — ion может создаваться из железа и марганца-это также дешевые и распространенные материалы. Для сравнения, в литиевых батареях используются кобальт и никель, которые дороги и относительно редки. А еще токсичный кобальт добывают африканские дети в шахтах-копанках
Натрий-ионные батареи безопаснее литиевых, что делает их привлекательными для электромобилей, ведь риск взрыва после ДТП минимален. Они также лучше работают при низких температурах, что актуально для регионов, где Li-ion EV неэффективны из-за холода.
Ключевое преимущество натрий-ионного аккумулятора-его устойчивость к полному разряду. Na-ion батарейку можно перевозить в абсолютно безопасном состоянии, разрядив ее до напряжения 0 вольт. Li-ion можно разряжать только до 2,5 вольт, иначе его можно выбросить, но при этом в аккумуляторе остается еще достаточно энергии для пожара.
Прорывы, запускающие развитие Na-ion
Ранее ключевой проблемой была низкая энергетическая плотность: не имело смысла брать вдвое больший по размеру аккумулятор для той же емкости. Современные же Na-ion достигли плотности, сопоставимой с некоторыми литиевыми аккумуляторами меньшей емкости.
Крупнейший производитель батарей CATL представил в 2023-2024 гг. вторую генерацию натрий-ионной платформы Naxtra с энергетической плотностью около 175 Wh/кг и планами массового производства. По словам компании, новые элементы по ресурсу и безопасности сопоставимы с литий-железо-фосфатными (LFP) аккумуляторами. Это ниже лучших Li — ion (более 250 Wh/кг), но достаточно для практического применения-тем более, что Na-ion дешевле и, следовательно, можно установить большее количество для увеличения дальности.
В США компания Natron Energy планирует открыть $1,4 млрд гигафабрику Na-ion, уменьшая зависимость от импорта. В Японии производитель Elecom представил первый потребительский павербанк на натрий-ионной клетке с удлиненным ресурсом и расширенным температурным диапазоном.
Впереди-дальнейшие исследования анодных материалов, электролитов и безанодных конструкций для повышения плотности и ресурса. Литиевые технологии тоже не стоят на месте, но они по-прежнему привязаны к дефицитному элементу.
Между тем, вы можете свободно приобрести Na-Ion аккумулятор в стандартных размерах, включая 18650, 26700 в онлайн-магазинах, включая Aliexpress.
Где Na — ion наиболее эффективны
-
Стационарные системы накопления энергии .
-
Легкие электромобили и городские авто , где важна дешевизна, долговечность и работа на морозе.
-
Павербанки, инструменты и IoT-устройства , требующие тысяч циклов и широких температурных пределов.
-
Гибридные аккумуляторы , где комбинация Na-ion и Li-ion позволяет использовать преимущества обоих.
Перспективы
По оценкам IDTechEx , себестоимость натрий-ионных элементов может упасть до ~$40/кВт·ч при масштабировании производства. Это значительно ниже литиевых аналогов, что обещает резкий рост спроса.
Na-ion, вероятно, станут не заменой, а дополнением к Li-ion, оставив последний только там, где портибна наибольшая плотность энергии, например, смартфоны и ноутбуки. Но если литий станет слишком дорогим или дефицитным, натрий-Ион может и полностью перебрать на себя рынок. Уже сегодня строится инфраструктура для массового производства этих аккумуляторов.
Техническое сравнение: Na-ion vs Li-ion NMC
| Параметр | Na-ion | Li-ion NMC |
|---|---|---|
| Номинальное напряжение ячейки | ~3.1 В | ~3.6-3.7 В |
| Напряжение полностью заряженного элемента | 4.0 В | 4.2 В |
| Напряжение полностью разряженного элемента | 2.0-2.5 В | 2.5–3.0 В |
| Энергетическая плотность | 110–175 Wh/кг (CATL Naxtra ~175) | 150-290 Wh / кг |
| Ресурс (циклы) | 1500–6000 | 1000–2000 |
| Рабочий диапазон температур | ?30 … +55 °C (некоторые версии ?40…+80 °C) | ?20…+55 °C |
| Безопасность | Высшая термостабильность, допускают разряд до 0 В | Риск пожара |
| Стоимость материалов | Дешевый натрий, железо, марганец | Дорогие литий, никель, кобальт |
Вывод
Na-ion батареи менее энергоемкие, но дешевле, безопаснее и выносливее. Их место — там, где важны долговечность и стабильность, а не максимальная плотность, — энергохранилища, бюджетные EV, бытовая электроника. Li-ion NMC останутся основой премиальных EV и компактных гаджетов, но давление на литий может изменить баланс в сторону натрия.
