Наиболее существенное различие заключается в катоде. Однако, согласно новому отчету IDTechEx «Натрий-ионные батареи 2025–2035: технологии, игроки, рынки и прогнозы», крупные игроки активно разрабатывают альтернативы на основе натрия для литий-ионных батарей на основе NMC (никель-марганец-кобальт) и LFP (литий-железо-фосфат). Три основных типа катодов для натрий-ионных батарей, находящихся в разработке, — это оксиды переходных металлов (аналогичные NMC), полианионы (аналогичные LFP) и аналоги прусской сини (уникальные для натрий-ионных батарей).
Оксиды переходных металлов и аналоги прусской сини особенно перспективны благодаря своей низкой стоимости и отсутствию редкоземельных элементов. Оксиды переходных металлов, обычно состоящие из натрия, кислорода, никеля, железа и марганца, не содержат кобальта, что решает проблемы устойчивого развития, которые преследовали литий-ионные батареи. Аналоги прусской сини, имеющие ромбоэдрическую структуру, состоят исключительно из натрия, железа, углерода и азота, что делает их уникальными в натрий-ионной технологии.
С точки зрения анода и электролита, натрий-ионные батареи очень похожи на литий-ионные. Предпочтительным выбором являются аноды из твердого углерода, используемые в более ранних поколениях литий-ионных батарей, поскольку ионы натрия слишком велики, чтобы внедряться в графит. Электролиты состоят из аналогичных солей и растворителей, но вместо лития используется натрий, например, NaPF6 в карбонатном растворителе.
Сравнение ионов натрия с другими компонентами клеточной химии. Источник: IDTechEx
Сравнение различных характеристик производительности позволяет выявить общие преимущества и недостатки каждого типа батарей. Плотность энергии натрий-ионных батарей остается ниже, чем у высокоэнергетических литий-ионных элементов, использующих никель, но приближается к плотности энергии мощных литий-железо-фосфатных (LFP) элементов. Срок службы элементов в некоторых конфигурациях приемлемый, но один интересный аспект, не показанный на изображении, заключается в том, что натрий-ионные батареи могут обладать довольно высокими показателями мощности, достигающими ~1000 Вт/кг, что выше, чем у элементов NMC (~340-420 Вт/кг) и LFP (~175-425 Вт/кг). Они также демонстрируют лучшие характеристики при низких температурах.
конкурентоспособность по затратам на меняющемся рынке
Одним из главных преимуществ натрий-ионных батарей является потенциал снижения их стоимости по сравнению с литий-ионными технологиями. В крупномасштабном производстве ожидается, что стоимость материалов для натрий-ионной батареи со слоистым оксидным катодом и твердым углеродным анодом будет примерно на 25–30% ниже, чем для литий-железо-фосфатной (LFP) батареи. Это снижение стоимости в основном обусловлено заменой лития и меди более доступными натрием и алюминием, что приводит к снижению затрат примерно на 12%, главным образом за счет использования алюминия в качестве токосъемника.
Однако на структуру затрат влияют несколько факторов. Основными факторами, определяющими стоимость любой батареи, являются материалы электродов, и твердый углерод становится основным материалом анода для натрий-ионных батарей. Хотя твердый углерод имеет преимущество в стоимости по сравнению с графитом, он обладает меньшей плотностью, а это означает, что для того же количества активного материала требуется больше электролита, что увеличивает как стоимость, так и массу. Кроме того, твердый углерод, как правило, дороже природного графита, а некоторые его разновидности демонстрируют худшие характеристики.
Будущее натрий-ионных аккумуляторов и их потенциальная способность конкурировать с литий-ионными батареями остаются предметом жарких дискуссий. Хотя стоимость литий-ионных батарей продолжает снижаться, сроки, когда натрий-ионные технологии сравняются с этими ценами или превзойдут их, остаются неопределенными. IDTechEx считает, что ключевым фактором снижения стоимости натрий-ионных батарей станут инженерные усовершенствования, а не просто увеличение производства.
Если цены на литий останутся на уровне исторических минимумов, путь к конкурентоспособности натрий-ионных батарей в течение следующего десятилетия станет более узким. Однако, благодаря постоянному совершенствованию технологий, натрий-ионные батареи могут стать дополнительной технологией, предлагающей преимущества в конкретных областях применения, где снижение затрат и доступность материалов имеют первостепенное значение.
Автор: Шазан Сиддики, старший технологический аналитик IDTechEx
