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.

Китайская компания BYD уже является вторым по величине производителем электромобилей после Tesla и вторым по величине производителем тяговых аккумуляторов после CATL, но выйти на лидирующие позиции она собирается в сфере производства натрий-ионных аккумуляторов, ради чего создаёт совместное предприятие с Huaihai Holding Group.

Источник изображения: Huaihai Holding Group

Как поясняет Electrek, партнёры сосредоточатся на производстве натрий-ионных тяговых батарей, которые уступают литийионным по плотности хранения электроэнергии, но оказываются заметно дешевле. По этой причине выпускаемые на совместном предприятии тяговые батареи будут ориентированы на использование в составе компактных недорогих электромобилей с небольшим запасом хода, которые весьма популярны в Китае и наверняка найдут себе место на европейском рынке при правильной ценовой политике.

Со стороны BYD формальным участником совместного предприятия выступит дочерняя компания FinDreams, которая как раз и специализируется на выпуске аккумуляторов. Huaihai Holding Group возьмёт на себя реализацию продукции совместного предприятия. Производственные мощности предполагается разместить в округе Сюйчжоу китайской провинции Цзянсу. Партнёры рассчитывают крупнейшими поставщиками натрий-ионных батарей для компактных электромобилей. Конкурирующая CATL, которая является бесспорным лидером мирового рынка тяговых батарей, тоже вкладывает средства в разработку натрий-ионных аккумуляторов, поэтому борьба за место под солнцем между китайскими гигантами должна быть ожесточённой.