Натрий-ионные аккумуляторы демонстрируют повышение охвата рынка

Аккумуляторы остаются наиболее практичным решением для кратковременного хранения энергии. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы добились значительного коммерческого успеха в широком спектре применений, начиная от портативной электроники и заканчивая электромобилями и интеллектуальными сетями, имеются опасения по поводу долговечности этой технологии, поскольку она основана на относительно редких материалах и/или тех, которые необходимо добывать в тех регионах мира, где это может быть сопряжено с политическими и экологическими рисками. В данной статье мы сосредоточимся на натриево-ионных аккумуляторах, разработанных компанией Natron Energy, базирующейся в Калифорнии, США.

История разработки натрий-ионных аккумуляторов

Хотя натрий-ионные аккумуляторы были впервые изучены и продемонстрированы наряду с литий-ионными примерно в одно и то же время (конец 1970-х годов), некоторые ключевые технические преимущества способствовали успешной коммерциализации литий-ионных элементов. Одной из причин была сравнительно более низкая плотность энергии натрий-ионных элементов. Интеркаляция – это обратимый процесс, при котором ионы вводятся в материал электрода и извлекаются из него. Больший радиус ионов Na (1,02 А) по сравнению с ионами Li (0,76 А) приводит к уменьшению количества мест внедрения и каналов диффузии в обычных материалах, используемых в литий-ионных элементах, таких как графит.

За последнее десятилетие были проведены обширные исследования, направленные на разработку и понимание процесса интеркаляции ионов натрия и поиск более совершенных материалов-носителей. Катод определяет емкость конкретного элемента, и для ионных элементов были разработаны три основные категории катодных материалов:

• Слоистые оксиды металлов. В данном случае можно использовать переходные металлы, такие как Ni, Fe, Mn, Cu и Co. Они обеспечивают максимальную производительность и являются популярными литий-ионными элементами типа Ni-Mn-Co (NMC). Как и литий-ионные аккумуляторы, натрий-ионные батареи, использующие такие катоды, также более подвержены риску теплового разгона.
• Полианионные элементы аналогичны элементам на основе оливина Li-Fe-P (LFP), которые также популярны в качестве недорогой альтернативы литий-ионным элементам NMC. Такие материалы, как ванадий (V), обеспечивают большую стабильность, но также являются более токсичными и дорогими.
• Аналоги берлинской лазури (PBA) – это большое семейство гексацианоферратов переходных металлов с открытой каркасной структурой, большим количеством окислительно-восстановительных центров и структурной стабильностью. PBA на протяжении веков использовался в промышленности для производства пигментов и красителей. Их использование в натрий-ионных батареях создает возможность для безопасного и более дешевого производства модулей.

Натрий-ионный аккумулятор Natron Energy

Компания Natron Energy, основанная Колином Весселсом в 2012 году, когда он был аспирантом Стэнфордского университета, производит натрий-ионные аккумуляторы на основе PBA. Уникальная запатентованная технология Natron использует PBA как для анодных, так и для катодных материалов. Их катодный материал PBA содержит смесь железа и марганца, в то время как анодный PBA основан на чистом марганце и работает при низком потенциале. Разность потенциалов между двумя электродами и есть напряжение элемента.

Например, напряжение в полностью заряженном элементе может составлять 1,8 В. Материалы анода и катода нанесены на алюминиевую фольгу. В основе элемента лежит пастообразный неводный электролит, который позволяет ионам перемещаться между электродами взад и вперед. В качестве сепаратора можно использовать пластиковую пленку с диоксидом кремния. Для производства электродного материала PBA компания Natron использует специализированную химическую компанию Arxada, базирующуюся в Швейцарии.

Некоторые ключевые преимущества натрий-ионных аккумуляторов Natron по сравнению с литий-ионными включают:

• Кубическая структура PBA обеспечивает большой радиус канала, равный 1,6 А, что позволяет быстро внедрять ионы Na. Графит с шестиугольным расположением, обычно используемый в литий-ионных элементах, не обеспечивает достаточного пространства для перемещения ионов Li. Поэтому графит должен расширяться и сжиматься по мере того, как ионы Li проникают в его кристаллическую решетку и выходят из нее. Это механическое расширение и сжатие создают напряжение, а также сопротивление быстрой зарядке. Это ограничивает срок службы элемента.
• Аккумулятор Natron может быть полностью заряжен от 0 до >99% в течение 15 минут. Для сравнения, обычному литий-ионному аккумулятору потребуется от 2 до 4 часов. Кроме того, натрий-ионному аккумулятору от Natron не требуется время ожидания при нагревании.
• Срок службы может превышать 10 тыс. циклов зарядки при использовании энергии более чем на 90%, по сравнению с обычным сроком службы в пару тысяч циклов для литий-ионных элементов.
• Соотношение мощности и энергопотребления (Вт/Вт*ч) является показателем того, насколько быстро аккумулятор может разрядиться по сравнению с его общей энергетической емкостью. Это важный показатель при использовании в системах резервного питания. Мощность аккумулятора Natron Energy составляет 40 Вт/Вт*ч, по сравнению с соотношением 10/1, достигаемым при использовании обычных литий-ионных аккумуляторов. Например, 70% номинальной энергии может быть получено за 2 минуты при разрядке аккумулятора Natron BlueTray™ 4000 мощностью 4 кВт и температурой 25°C, предназначенного для резервных источников бесперебойного электропитания в центрах обработки данных и других стационарных установках.
• Для резервного питания, хотя объемная плотность мощности (Вт*ч/л) ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, Natron по этому показателю намного превосходит ультраконденсаторы постоянного тока. 2 мин. удельная мощность аккумулятора Natron может достигать 700 Вт*ч/л по сравнению с менее чем 150 Вт*ч/л у ультраконденсатора ELDC. Объемная плотность энергии (Вт/л) также значительно выше для Natron по сравнению с ультраконденсатором ELDC (~ 20-50 Вт*ч/л против 5-8 Вт*ч/л в течение 1 часа).
• Безопасность является главным преимуществом аккумуляторов Natron. Литий-ионные батареи имеют повышенный риск перегрева. Это может быть вызвано нагревом летучих растворителей электролита в результате короткого замыкания, что приводит к возгоранию катода. Кроме того, рост дендритов металлического лития во время зарядки создает опасность возгорания. Эти риски значительно снижаются благодаря химическому составу ионов Na и PBA, которые по своей природе негорючи. Испытания элементов питания Natron Energy по стандарту UL 9540A, проведенные на аккумуляторах Natron Energy, показали, что они безопасны при испытаниях на пробиваемость и не вызывают короткого замыкания, нагрева или перезаряда, которые могли бы привести к перегреву или другим рискам, связанным с надежностью. Аккумулятор можно транспортировать полностью разряженным, что ведет к удешевлению и повышению безопасности транспортировки по сравнению с литий-ионными аккумуляторами.
• Отсутствие Ni, Co и других дорогостоящих материалов приводит к удешевлению натрий-ионного аккумулятора на основе PBA. Это может привести к снижению стоимости для потребителя по мере расширения производства.
• Диапазон температур натрий-ионного аккумулятора на основе PBA шире. Например, диапазон рабочих температур аккумулятора BluePack™ от Natron Energy составляет от -20°C до +45°C, по сравнению с типичным диапазоном температур литий-ионной батареи от 0°C до 40°C. В частности, высокая полезная мощность при низких температурах дает натрий-ионным аккумуляторам конкурентное преимущество в условиях низких температур.

В таблице 1 мы сравнили продукты Natron Energy с альтернативными технологиями.

Табл. 1: Сравнение ключевых характеристик производительности для различных аккумуляторов химического состава

Области применения натрий-ионных элементов питания

Главным направлением деятельности Natron и других поставщиков натрий-ионных аккумуляторов является рынок стационарных аккумуляторных батарей. В частности, это резервное питание для центров обработки данных, а также станции быстрой зарядки электромобилей. Гравиметрическая плотность энергии элементов на основе ионов натрия ниже, чем у некоторых элементов на основе ионов лития.

Например, британская компания Faradion, разработавшая многослойные натрий-ионные элементы на основе оксида азота, достигла производительности своих аккумуляторов около 160 Вт*ч/кг. Для сравнения, коммерческие литий-ионные аккумуляторы на основе NMC, как сообщается, обеспечивают мощность > 250 Вт*ч/кг. Следовательно, использование литий-ионных аккумуляторов в электромобилях является более сложной задачей.

Преимущества в стоимости и безопасности, обеспечиваемые натрий-ионными батареями, могут преодолеть некоторые недостатки в производительности. Например, компания CATL, крупнейший в мире производитель электромобилей и систем накопления энергии, недавно анонсировала натриево-ионный аккумулятор Naxtra с плотностью энергии 175 Вт*ч/кг, предназначенный для электромобилей и гибридных транспортных средств.

Сообщается, что в качестве катодного материала используется прусская белизна (производное PBA). Электрические велосипеды и промышленные устройства, такие как вилочные погрузчики, могут быть областями, где более низкая стоимость натрий-ионных элементов может обеспечить общие преимущества системы и сделать ее популярной. Более крупные электромобили, такие как автобусы, также могут быть более экономичными при установке более крупных / тяжелых натрий-ионных аккумуляторов.

Компания Chevron инвестировала в Natron средства для потенциального использования их аккумуляторов в станциях быстрой зарядки электромобилей, где пиковая мощность может быть добавлена к электросети за счет аккумуляторов. United Airlines является еще одним инвестором в Natron с целью электрификации наземных операций.

Расширение для дальнейшего роста

Относительное сходство в производстве натрий-ионных элементов на основе PBA с литий-ионными батареями позволяет перепрофилировать литий-ионные заводы на натрий-ионные. Компания Natron Energy объявила о сотрудничестве с Clarios International Inc. в области массового производства своих натрий-ионных аккумуляторов на заводе Clarios, расположенном в Мичигане, США. По прогнозам, это предприятие средней мощности будет производить натрий-ионные аккумуляторы мощностью 600 МВт в год и может послужить основой для будущего завода гигантских масштабов.