Ионно-натриевые аккумуляторы: меняют правила игры на мировом рынке аккумуляторов

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции показали, что натрий-ионные батареи оказывают такое же воздействие на климат, как и их литий-ионные конкуренты, но без риска исчерпания сырья.
Переход к обществу без ископаемого топлива означает, что потребность в батареях растет быстрыми темпами. В то же время увеличение будет означать нехватку металлов лития и кобальта, которые являются ключевыми компонентами наиболее распространенных типов аккумуляторов.
Одним из вариантов является натрий-ионная батарея, в которой основным сырьем являются поваренная соль и биомасса лесной промышленности .
Рикард Арвидссон, доцент кафедры анализа экологических систем в Чалмерсе, отметил: «Материалы, которые мы будем использовать в батареях будущего, будут важны для того, чтобы иметь возможность перейти на возобновляемую энергию и автопарк, не использующий ископаемое топливо».
Исследовательский документ под названием «Перспективная оценка жизненного цикла натрий-ионных батарей, изготовленных из распространенных элементов» был опубликован в открытом доступе в журнале «Промышленная экология».

Согласно Закону о критическом сырье Европейской комиссии, ожидается, что спрос на критически важное сырье для аккумуляторов будет расти в геометрической прогрессии по мере перехода стран ЕС к системам возобновляемой энергии и электромобилям. «Зеленый» переход также потребует увеличения местного производства аккумуляторов и других новых технологий, не использующих ископаемое топливо, а для удовлетворения спроса необходимы стабильные поставки сырья. В то же время такое производство несет в себе высокий риск перебоев в поставках из-за ограниченного количества источников сырья.

Арвидссон объяснил: «Литий-ионные батареи становятся доминирующей технологией в мире, и они лучше влияют на климат, чем технологии, основанные на ископаемом топливе, особенно когда дело касается транспорта. Но литий представляет собой узкое место. Вы не можете производить литиевые батареи такими же темпами, как вы хотите производить электромобили, и в долгосрочной перспективе месторождения рискуют быть истощенными». В дополнение к этому критически важные материалы для аккумуляторов, такие как литий и кобальт, в основном добываются всего в нескольких местах в мире, что создает риск доступности для поставок.

Натрий-ионные аккумуляторы предлагают многообещающую технологию

Разработка новых аккумуляторных технологий идет быстрыми темпами в поисках следующего поколения устойчивых накопителей энергии, которые предпочтительно должны иметь длительный срок службы, высокую плотность энергии и быть простыми в производстве.

Исследовательская группа из Чалмерса решила рассмотреть натрий-ионные батареи, которые вместо лития содержат натрий – очень распространенное вещество, встречающееся в обычном хлориде натрия. В новом исследовании они провели так называемую оценку жизненного цикла батарей, в ходе которой изучили их общее воздействие на окружающую среду и ресурсы во время добычи сырья и производства.

«Мы пришли к выводу, что натрий-ионные батареи намного лучше литий-ионных с точки зрения воздействия на дефицит минеральных ресурсов и эквивалентны с точки зрения воздействия на климат. В зависимости от того, какой сценарий вы рассматриваете, они в конечном итоге составляют от 60 до чуть более 100 килограммов эквивалента углекислого газа на киловатт-час теоретической емкости хранения электроэнергии, что ниже, чем сообщалось ранее для этого типа натрий-ионных батарей.
Это явно многообещающая технология», — сказал Рикард Арвидссон.
Исследователи также определили ряд мер, которые могут еще больше снизить воздействие на климат, например, разработку более экологически чистого электролита, поскольку на его долю приходится большая часть общего воздействия батареи.
Зеленая энергия требует накопления энергии

Ожидается, что сегодняшние натрий-ионные батареи уже будут использоваться для стационарного хранения энергии в электросетях, а при дальнейшем развитии они, вероятно, также будут использоваться в электромобилях в будущем.

«Накопление энергии является необходимым условием для развития ветровой и солнечной энергетики. Учитывая, что хранение осуществляется преимущественно с помощью батареек, вопрос в том, из чего будут сделаны эти батарейки? Повышенный спрос на литий и кобальт может стать препятствием для этого развития», — прокомментировал Арвидссон.

Основным преимуществом этой технологии является то, что материалы, из которых изготовлены натрий-ионные батареи, широко распространены и их можно найти по всему миру. Один электрод в батареях – катод – имеет ионы натрия в качестве носителя заряда, а другой электрод – анод – состоит из твердого углерода, который в одном из исследованных исследователями Чалмерса примеров может быть получен из биомассы лесной промышленности.. С точки зрения производственных процессов и геополитики, натрий-ионные батареи также являются альтернативой, которая может ускорить переход к обществу, свободному от ископаемого топлива.

«Батареи, основанные на богатом сырье, могут снизить геополитические риски и зависимость от конкретных регионов как для производителей аккумуляторов, так и для стран», — сказал Арвидссон.

Подробнее об исследовании

Исследование представляет собой перспективную оценку жизненного цикла двух различных натрий-ионных аккумуляторных элементов, где воздействие на окружающую среду и ресурсы рассчитывается от «колыбели» до стартовых ворот, то есть от добычи сырья до производства аккумуляторного элемента. Функциональной единицей исследования является теоретическая емкость хранения электроэнергии 1 кВтч на уровне ячейки. Оба типа аккумуляторных элементов в основном основаны на богатом сырье.

Анод состоит из твердого углерода, полученного из лигнина биологического происхождения или ископаемого сырья, а катод состоит из так называемых «прусских белил» (состоящих из натрия, железа, углерода и азота). Электролит содержит соль натрия. Производство моделируется так, чтобы соответствовать будущему крупномасштабному производству. Например, фактическое производство аккумуляторных элементов основано на сегодняшнем крупномасштабном производстве литий-ионных батарей на гигафабриках.
Были протестированы две разные комбинации электроэнергии, а также два разных типа так называемых методов распределения, то есть распределения ресурсов и выбросов. Один метод, при котором воздействие на климат и ресурсы распределяется между сопутствующими продуктами в зависимости от массы, и один метод, при котором все воздействие распределяется на основной продукт (натрий-ионный аккумулятор, его компоненты и материалы).

***

В этой работе есть две очень интересные темы. Выбор конкурентоспособных химикатов и ожидаемая ориентация на рынок. Сравнение лития и натрия имеет большой смысл, хотя натриевая технология еще не сократила разрыв с литием.

Другая тема, предполагающая необходимость массового рынка аккумуляторов в транспортной сфере экономики, пока не имеет смысла. Ранний рынок электромобилей, кажется, был скромным успехом, но основной рынок сегодня выглядит настоящей проблемой. Есть серьезные сомнения в том, что потребители поддадутся нажиму со стороны правительства и средств массовой информации.

Идея о том, что принуждение массового потребителя к электромобилям выглядит не очень хорошо. Можно купить действительно хороший автомобиль с двигателем внутреннего сгорания за 30 тысяч долларов США, в то время как сопоставимый электромобиль стоит вдвое дороже. Кроме того, есть проблема с генерирующими мощностями, затратами на замену батарей и правительством, у которого уже есть долг в размере 33 миллионов долларов, предоставляющий субсидии.