Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) представили концепцию прототипа топливной ячейки — воздушно-натриевого элемента питания. Сам прототип будет изготовлен позже. В объёме обычного строительного кирпича он сможет хранить свыше 1 кВт·ч энергии, что по соотношению запасаемой энергии к массе в три раза больше, чем у обычных литиевых аккумуляторов. Это создаст основу для региональной электрической авиации, сделав мир чище.

Источник изображения: Gretchen Ertl / MIT

Созданная учёными «H-ячейка» представляет собой две камеры, разделённые твёрдым керамическим электролитом. В левую камеру подаётся жидкий металлический натрий (температура перехода в металлическую фазу — 98 ℃), а в правую — обычный воздух. На аноде натрий окисляется, отдавая электроны в цепь (создавая электрический ток), а его ионы проходят сквозь электролит в отсек с воздухом, где вступают в реакцию с кислородом и выводятся из элемента в виде оксида натрия.

Оксид натрия активно реагирует с углекислым газом в атмосфере и после серии реакций превращается в бикарбонат — обычную пищевую соду. Таким образом, воздушно-натриевый топливный элемент не только вырабатывает энергию, но и связывает атмосферный CO₂, а попав в океаны, помогает раскислить их, снижая содержание растворённого углекислого газа. Ценность предложенной технологии для экологии очевидна, хотя до коммерциализации разработки, скорее всего, пройдёт не одна пятилетка.

«Мы ожидаем, что люди подумают, что это совершенно безумная идея, — поделился мыслями руководитель проекта. — Если бы они так не думали, я был бы немного разочарован, потому что если люди с самого начала не считают что-то совершенно безумным, то, скорее всего, это не будет чем-то революционным».

До конца года исследователи надеются создать прототип элемента питания размером с кирпич и ёмкостью до 1000 Вт·ч. В отличие от других подобных систем, новинка предусматривает заменяемый топливный блок с металлическим натрием. Для восстановления работы элемента с прежней мощностью и продолжительностью отдачи энергии будет достаточно заменить использованный блок на новый — это будет похоже на заправку обычного авиалайнера.

Поиски жизнеспособной альтернативы литийионным аккумуляторам ведутся уже не одно десятилетие, до фазы коммерческого производства подобные решения только начинают доходить, и натрий-ионные батареи можно считать одним из них. Они не боятся мороза и быстро заряжаются, не особо при этом нагреваясь. При разумной долговечности это делает их оптимальным выбором для коммерческой техники.

Источник изображения: Hina Battery

Основанная в 2017 году компания Hina Battery недавно представила в Китае свои натрий-ионные аккумуляторы Haixing, которые разделены на четыре серии. K150 и K210 ориентированы на электротранспорт с небольшим запасом хода, а K280 и K350 предназначены для сегмента логистики, где подразумеваются большие пробеги и интенсивная эксплуатация.

Натрий-ионные аккумуляторы Hina Battery обеспечивают плотность хранения заряда 165 Вт‧ч/кг, при этом они могут быть заряжены на 100 % за 20–25 минут, не особо нагреваясь в процессе. По сути, при использовании станций экспресс-зарядки с большой силой тока температура тягового аккумулятора повышается всего на 10 градусов Цельсия. Даже при условии регулярного использования только экспресс-зарядки, батареи способны выходить более 8000 циклов, а в диапазоне температур от минус 45 до плюс 45 градусов Цельсия они практически не меняют эксплуатационных показателей.

С февраля 2023 года натрий-ионные батареи Hina проходят испытания на прототипах электромобиля Sehol E10X, которые выпущены совместным предприятием JAC и Volkswagen. В январе прошлого года начался выпуск компактного электромобиля Yiwei 3, который также оснащается батареями этого типа. Такие аккумуляторы, по замыслу производителя, лучше всего оправдывают своё применение в сегменте коммерческого транспорта.

Японская компания Elecom открыла продажи первых в мире пауэрбанков на натрий-ионных аккумуляторах. Устройства заявлены как морозоустойчивые и пожаробезопасные, чем не могут похвастаться литийионные аккумуляторы, которые используются в подавляющем большинстве портативных накопителей энергии. Предложение компании ограничено, что не даёт покупать более трёх устройств в одни руки.

Источник изображений: Elecom

В перспективе использование ионов натрия вместо ионов лития в аккумуляторных батареях обещает сделать устройства для хранения энергии существенно дешевле современных. Натрия очень много на Земле в отличие от довольно скромных запасов лития. Также аккумуляторы на солях натрия пожаробезопасны и не взрываются как литиевые батареи. Наконец, натрий не характеризуется повышенной токсичностью для окружающей среды, тогда как литий не поддаётся безопасной утилизации.

Предложенный компанией Elecom пауэрбанк обладает ёмкостью 9000 мА·ч. Вес устройства достигает 350 г. Его размеры составляют 87 × 31 × 106 мм. Через встроенный порт USB-C PD новинка отдаёт 45 Вт мощности, а через порт USB-A — 18 Вт. Заявленное число циклов заряда достигает 5000, что существенно больше возможностей большинства литиевых аккумуляторов.

Модель DE-C55L-9000BK выполнена в корпусе чёрного цвета, а DE-C55L-9000LGY — в светло-сером. Стоимость этих пауэрбанков Elecom в Японии равна 9 980 иен ($68), что ощутимо дороже похожих устройств на литийионных аккумуляторах.

Покупатель, заплатив за натрий-ионные аккумуляторы Elecom достаточно большие деньги, может ожидать от них безопасной работы дома и возможности использования при морозе до -35 °C.

Шведский разработчик натрий-ионных батарей Altris предложил способ сделать безлитиевые батареи ещё более экологичными. В партнёрстве с Stora Enso разработана технология использования углерода, полученного из древесной целлюлозы, в качестве сырья для изготовления анодов. По утверждению разработчиков, созданный ими материал Lignode потенциально может стать самым экологичным сырьём для изготовления анодов в мире.

Источник изображений: Stora Enso

Лигнин, побочный продукт производства древесной массы, давно исследуется на предмет возможного использования в качестве более экологичного электродного материала. Финская компания по производству возобновляемых материалов Stora Enso в 2022 году начала поставки своего запатентованного материала Lignode шведскому производителю аккумуляторов Northvolt для использования в анодах литийионных аккумуляторов. Stora Enso описывает Lignode как твёрдый углеродный материал, получаемый в процессе очистки лигнина.

Натрий-ионные батареи устраняют потребность в редких минералах, таких как литий, кобальт и никель, используя значительно более распространённый натрий. Заменяя графит, обычно используемый в конструкции анодов, на Lignode, полученный из натуральных побочных продуктов, Altris и Stora Enso могут ещё больше снизить зависимость от китайского импорта, источника более 90 процентов графита в ЕС. Кроме того, аноды Lignode, по утверждению Stora Enso, обеспечивают более высокую скорость зарядки и разрядки.

Stora Enso владеет и арендует более 2 миллионов гектаров лесных земель. Компания перерабатывает древесную массу на своём заводе в Котке, Финляндия, уже более 80 лет, а с 2015 года извлекает лигнин в промышленных масштабах. В 2021 году она начала пилотное производство Lignode и сейчас работает над расширением производства до коммерческих масштабов. Поскольку от 20 до 30 процентов получаемого из древесины сырья представляет лигнин, это делает его широко доступным и легко возобновляемым ресурсом за счёт методов устойчивого лесопользования.

«Материалы на биологической основе являются ключом к повышению устойчивости аккумуляторных элементов, — заявил старший вице-президент Stora Enso Юусо Конттинен (Juuso Konttinen). — Поскольку Lignode потенциально может стать самым экологичным анодным материалом в мире, это партнёрство с Altris идеально согласуется с нашим общим обязательством поддерживать стремление к более устойчивой электрификации».

Новые аккумуляторные батареи Altris на сегодняшний день претендуют на звание самых экологичных в мире. Катоды новых батарей изготавливаются на основе «прусских белил» (PW), которые считаются одним из наиболее перспективных катодных материалов для натрий-ионных аккумуляторов из-за больших каналов диффузии ионов, низкой деформации решётки, простоты изготовления, нетоксичности и низкой стоимости.

Altris пока не начала коммерческое производство новых аккумуляторов. В прошлом году компания продемонстрировала аккумулятор коммерческого размера с плотностью энергии 160 Вт·ч/кг, что соответствует литий-железо-фосфатным батареям (LFP), используемым в современных электромобилях. Компания планировала довести плотность энергии до 200 Вт·ч/кг. Ячейка была разработана в рамках исследовательского сотрудничества с Northvolt.

По данным китайской госкомпании China Southern Power Grid Energy Storage, 11 мая в стране начала функционировать первая промышленная станция хранения энергии, использующая натрий-ионные аккумуляторные батареи. Её построили в Наньнине, административном центре и крупнейшем городе Гуанси-Чжуанского автономного районе на юге Поднебесной.

Источник изображения: China Southern Power Grid Energy Storage

По данным источника, ёмкость станции на момент запуска составляет 10 мегаватт-часов, а после того, как будет завершены все этапы её расширения, этот показатель увеличится до 100 мегаватт-часов. В сообщении сказано, что на станции используются натрий-ионные элементы питания ёмкостью 210 А·ч каждый.

Отмечается, что зарядить такой аккумулятор до 90 % можно всего за 12 минут. В общей сложности в состав системы входит 22 тыс. элементов питания. Когда проект выйдет на полную мощность, станция будет отдавать ежегодно 73 тыс. мегаватт-часов энергии в год. Этого достаточно для обеспечения энергией 35 тыс. домохозяйств. При этом выбросы углекислого газа в атмосферу снизятся на 50 тыс. тонн в год.

По данным китайских специалистов, эффективность преобразования энергии в системе хранения на основе натрий-ионных аккумуляторов превышает 92 %. Это сопоставимо с аналогичным показателем традиционных систем хранения энергии на основе литий-ионных элементов, где показатель эффективности обычно составляет 85-95 %.

Отмечается, что к моменту организации крупномасштабных производств натрий-ионных аккумуляторов, цена таких элементов может снизиться на 20-30 %. Этому также будет способствовать дальнейшее совершенствование конструкции элементов питания, улучшение производственных процессов, используемых материалов и др. Конечная цель состоит в том, чтобы за счёт перераспределения максимально снизить стоимость электроэнергии для конечных потребителей.

Когда китайская компания CATL взялась за разработку натриево-ионных аккумуляторов, помимо скорости зарядки и устойчивости к холоду она рассматривала и возможное преимущество в себестоимости, но стоимость соединений лития с тех пор значительно снизилась, и во втором поколении натриево-ионные аккумуляторы уже не кажутся перспективными сами по себе.

Источник изображения: CATL

По информации CnEVPost, такие аккумуляторы CATL считает целесообразным сочетать в составе одной тяговой батареи с традиционными литийионными ячейками. Последние обеспечивают и более высокую плотность хранения заряда, и стоят меньше натриево-ионных. Как отмечает источник, в первом поколении CATL добилась плотности хранения заряда в натрий-ионных аккумуляторах до 160 Вт‧ч/кг. Не очень впечатляющий показатель отчасти компенсировался способностью таких батарей восстанавливать заряд до 80 % ёмкости за 15 минут при комнатной температуре, а также сохранять остаточный заряд более 90 % при температурах до минус 20 градусов по шкале Цельсия.

Второе поколение натриево-ионных батарей, которое сейчас разрабатывается CATL, увеличит плотность хранения заряда до 200 Вт‧ч/кг, но в чистом виде они не смогут составить конкуренцию ни более дешёвым LFP-аккумуляторам, ни разрабатываемым компанией параллельно твердотельным. Альтернативы способны предложить плотность хранения заряда до 500 Вт‧ч/кг, по этой причине в CATL считают разумным добавлять натриево-ионные ячейки в составе единой тяговой батареи к литийионным. Подобное гибридное решение будет сочетать высокую скорость зарядки и устойчивость к морозам с большим эксплуатационным ресурсом и разумной стоимостью.

Твердотельные аккумуляторы CATL собирается начать производить небольшими партиями к 2027 году. Компания считает важным продолжать экспансию производственных мощностей, поскольку спрос на тяговые батареи значительно превышает предложение. Чтобы облегчить экспансию производства за пределами Китая, CATL рассматривает схему с лицензированием своих технологий сторонним компаниям. Например, Ford рассчитывает использовать её при выпуске тяговых батарей в США, а компания CATL будет снабжать партнёра необходимыми технологиями, юридически не участвуя в управлении совместным предприятием. Интерес к сотрудничеству с CATL по такой схеме уже проявили более десяти различных потенциальных партнёров.

Компания Natron Energy запустила в серийное производство альтернативы литийионным аккумуляторам. Натрий-ионные батареи заряжаются на порядок быстрее традиционных литиевых, и при этом служат в 5 раз дольше. Но что ещё важнее, натрия на Земле гораздо больше, чем лития.

Источник изображения: Natron Energy

Американская компания Natron Energy, основанная в 2013 году, начала серийное производство инновационных натрий-ионных аккумуляторов, которые могут стать реальной альтернативой традиционным литий-ионным батареям. По сравнению с широко используемыми литийионными аккумуляторами, натрий-ионные обладают рядом преимуществ. В частности, запасы натрия на Земле превышают запасы лития в 500-1000 раз. Кроме того, добыча натрия не наносит столь серьезного ущерба окружающей среде. И наконец, в производстве натрий-ионных батарей Natron используются широкодоступные материалы — алюминий, железо и марганец, благодаря которым удастся минимизировать зависимость от поставок редкоземельных металлов вроде кобальта из нестабильных регионов.

Конечно, есть у натрий-ионных батарей и недостаток — по плотности хранения энергии они пока уступает литийионным. Зато натриевые аккумуляторы более безопасны, поскольку не воспламеняются, экологичны и менее подвержены колебаниям цен из-за геополитической нестабильности. В отличие от кобальта и никеля, используемых в литийионных аккумуляторах, все компоненты натриевых батарей Natron производятся в США.

Первыми потребителями инновационных батарей станут крупные центры обработки данных, ориентированные на задачи искусственного интеллекта. При этом быстрая зарядка позволит эффективно накапливать энергию в часы пиковой выработки от солнечных или ветровых электростанций и отдавать ее в периоды повышенного потребления.

В дальнейшем компания планирует расширять производство и завоевывать новые сегменты рынка. В частности, в качестве возможной отрасли были названы электромобили, где быстрая зарядка и безопасность придутся как нельзя кстати, а также на телекоммуникации. Уже к 2025 году Natron рассчитывает нарастить выпуск натрий-ионных аккумуляторов до нескольких гигаватт-часов в год. Это позволит сделать их конкурентоспособной и экологичной альтернативой литию.