Натрий-ионные аккумуляторы не являются новинкой для рынка электроники, их преимущества описаны, а первое серийное производство началось уже десять лет назад. Однако широкое распространение по-прежнему имеют литий-ионные и другие типы аккумуляторных батарей (АКБ). Почему так происходит, и нужно ли в России изготавливать именно натрий-ионные АКБ?
Российский разработчик и производитель электроники SNDGLOBAL совместно с промышленными партнерами из Китая работает над производством натрий-ионных аккумуляторных батарей (АКБ).
Натрий-ионный аккумулятор имеет близкие к литий-ионному энергетические характеристики. Но Na-ion аккумуляторы привлекают, прежде всего, широким температурным диапазоном. Это особенно важно для России из-за экстремальных перепадов температур. Кроме того, предпринимателей интересует продление срока службы оборудования за счет устойчивости натрий-ионных аккумуляторов к скачкам напряжения.
Натрий придет на смену литию в производстве батарей?
На сегодняшний день, в России не локализовано производство данного типа батарей и ранее речь шла лишь о поставках. Теперь же можно говорить об ODM-модели производства.
Литий и натрий природе встречаются с разной частотой и в разных объемах, их добыча кардинально различается по технологической сложности. При этом стоимость лития превосходит стоимость натрия в десятки раз. Кроме того, мировые запасы лития ограничены и неравномерно распределены по планете. По разным оценкам аналитиков общий объем залежей составляет от 89 до 105 млн тонн. Из них эффективными на начало прошлого года считались примерно 26 млн тонн. Большая их часть пришлась на страны Южной Америки, значительная – на Австралию. Добыча лития ведется в Китае, США и других странах. Запасы в Европе невелики, планируется развить разработки месторождения в Португалии.
Тем не менее, в мировом масштабе существует реальная опасность дефицита лития, что беспокоит производителей литий-ионных батарей. Еще одна проблема заключается в том, что горная порода, о залежах которой идет речь, содержит всего 1,5% лития. Его извлечение возможно только с помощью применения ряда химических процессов. После их осуществления остаются многочисленные отходы, которые представляют серьезную опасность для окружающей среды. В результате образуется сложная дорогостоящая цепочка, состоящая из разработки месторождения, извлечения лития и хранения опасных отходов. Поэтому не все страны, на территории которых были обнаружены залежи соответствующей породы, занимаются добычей лития.
Таким образом, стоимость лития, необходимого для изготовления литий-ионных батарей всех типов, чрезвычайно высока и постоянно растет. Это уменьшает рентабельность изготовления аккумуляторов. Для ее сохранения ведется поиск новых технологий, увеличивается финансовая нагрузка на конечных потребителей и готовится переход на аккумуляторы с более высокой рентабельностью.
Рентабельность производства натрий-ионных аккумуляторов обусловлена природной доступностью и относительной простотой добычи основного материала – натрия. Его получают из морской воды или каменной соли. Процесс извлечения натрия технологически прост, экологически привлекателен и в десятки раз дешевле по сравнению с извлечением лития. Сама технология производства натриевых аккумуляторов стоит столько же, сколько и литиевых, но производство продукции с его использованием будет дешеветь. Кроме того, изготавливать натрий-ионные батареи можно на тех же линиях, что и литий-ионные. Если задействовать свободные мощности, можно уменьшить первоначальные вложения в производство.
Чтобы вывести продукт на рынок, нужно не только знать свои преимущества, но и четко видеть, где и как они востребованы. На этом этапе эксперты сосредоточились на анализе аудитории и поиске «болевых точек», которые могли бы закрыть наши натрий-ионные аккумуляторы. SNDGLOBAL сделали ставку на экономию за счет долговечности. Например, для базовых станций связи замена литиевых аккумуляторов на натрий-ионные снижает затраты на обслуживание на 20% за 5 лет.
Иными словами – предприятие экономит деньги не на закупке, а на обслуживании, перезарядке, более простой транспортировке, меньших затратах на хранение, меньшем количестве выхода из строя ввиду “разряда в ноль” (когда полностью разрядившийся АКБ может попросту не включиться).
Сравнение свойств натрий-ионных батарей с литий-ионными
Тем не менее, плотность энергии у литий-ионных батарей выше. Энергоемкость литий-ионных АКБ от 300 до 680 Вт·ч/л, при этом у натрий-ионных аккумуляторов она пока колеблется от 150 до 275 Вт·ч/л. Таким образом, объемная плотность энергии натрий-ионных АКБ выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, в том числе жидкостных и гелевых, но ниже объемной плотности энергии литий-ионных батарей.
И срок службы литий-ионных батарей выше. Если устройство с натриевой батареей можно заряжать от 1000 до 3000 раз, то, скажем, с литий-железо-фосфатной – от 3000 до 10000 раз. В настоящее время производительность выше у литий-ионных аккумуляторов. Это связано с большим объемом проведенных исследований и разработок, с отлаженными процессами массового производства. Натрий-ионные аккумуляторы пока не запущены в массовое производство, производительность и стабильность уточняются. Можно сказать, что на данном этапе развития технологий литий-ионные батареи выигрывают на рынке гаджетов небольших размеров, например, смартфонов. Ведь пользователь выбирает более компактную и легкую модель при прочих равных технических характеристиках.
Но при этом натрий-ионные аккумуляторы имеют широкий температурный диапазон: от -40°С до +60°С ( у литий-ионных АКБ он составляет +20°С. При снижении температуры до +4°С эффективность уменьшается примерно на 7%, а при дальнейшем уменьшении до 0°С и ниже – на 20% и больше).
Кроме того, рабочее напряжение Li-Ion составляет от 3 до 4,2V. Диапазон напряжения Na-ion значительно шире. Он составляет от 6 до 15,8 V. Это защищает натрий-ионные аккумуляторы от угрозы скачков напряжения и допускает зарядку от 0V.
Натрий-ионные батареи имеют меньший риск теплового разгона по сравнению со многими литий-ионными, что делает их более безопасными в использовании. Они проявляют значительную устойчивость к протыканию, сжатию, высокой температуре, давлению и перегрузкам. Натрий-ионные аккумуляторы менее требовательны к условиям поставки. Это упрощает логистические цепочки и снижает стоимость перевозок. Кроме того, натрий менее токсичен, чем литий. Поэтому натрий-ионные АКБ оказывают меньшее воздействие на окружающую среду, чем литий-ионные во время эксплуатации и после ее окончания.
Заключение
Конкуренция на рынке электрического транспорта вынуждает производителей обращаться к поиску более дешевых технологий и надежных гарантий безопасности при эксплуатации. Электрокары, электросамокаты, гироскутеры и прочие транспортные средства, использующие аккумуляторы, нуждаются в новых решениях. Например, в настоящий момент стоимость батареи электромобиля составляет до 40% от его полной стоимости. Переход на более доступный и дешевый натрий позволит повысить безопасность и улучшить эксплуатационные характеристики транспортного средства.
Перспективы использования натрий-ионных аккумуляторов в разных отраслях промышленности довольно широки. При этом велик потенциал для российского рынка. Конечно, в ближайшее время натрий-ионные аккумуляторы не заменят литий-ионные, но смогут эффективно их дополнить и подготовить энергетический прорыв будущего. Для этого потребуется, с одной стороны, усилить исследования и разработки, чтобы наладить собственное производство. С другой стороны, провести работы по повышению осведомленности рынка. Важно донести до потенциальных потребителей информацию о преимуществах внедрения натрий-ионных аккумуляторов.