Μπαταρίες νατρίου στερεάς κατάστασης χωρίς αρχική άνοδο θα μπορούσαν να μειώσουν την εξάρτηση από το «τρίγωνο του λιθίου»

Πολλοί Τρόποι Κατασκευής Μιας Μπαταρίας

Οι κατασκευαστές μπαταριών αναπτύσσουν νέες τεχνολογίες για τα ηλεκτρικά οχήματα και την αποθήκευση ενέργειας μεγάλης κλίμακας. Κάθε σχεδιασμός επιδιώκει διαφορετικό συνδυασμό κόστους, ενεργειακής πυκνότητας, ασφάλειας και διάρκειας ζωής.

Πέρα από τις σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου, εξετάζονται άλλες χημείες και δομές για τη μείωση του κόστους, της χρήσης ορισμένων μετάλλων και των κινδύνων ασφάλειας. Οι επιδόσεις διαφέρουν ανάλογα με τη χημεία και την εφαρμογή.

Πηγή: Research Gate

Μια εναλλακτική είναι οι μπαταρίες ιόντων νατρίου, που χρησιμοποιούν νάτριο αντί για λίθιο. Συνήθως έχουν χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, αλλά μπορεί να προσφέρουν πλεονεκτήματα σε κόστος και διαθεσιμότητα πρώτων υλών.

Μια άλλη προσέγγιση είναι ο στερεός ηλεκτρολύτης, ο οποίος αντικαθιστά τον υγρό ηλεκτρολύτη· δεν καταργεί τον ηλεκτρολύτη. Ορισμένοι σχεδιασμοί στοχεύουν σε υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα και ασφάλεια, χωρίς να εξασφαλίζουν αυτόματα ταχύτερη φόρτιση.

Οι σχεδιασμοί χωρίς αρχικό ενεργό υλικό ανόδου αλλάζουν επίσης τη δομή του στοιχείου. Η μεταλλική άνοδος σχηματίζεται στον συλλέκτη ρεύματος κατά τη φόρτιση.

Οι ερευνητές συνδυάζουν αυτές τις προσεγγίσεις. Μια δημοσίευση του 2024 παρουσίασε εργαστηριακό στοιχείο νατρίου με στερεό ηλεκτρολύτη και χωρίς αρχικό ενεργό υλικό ανόδου.

Μπαταρία νατρίου στερεάς κατάστασης χωρίς αρχική άνοδο

Στο Nature Energy δημοσιεύθηκε η μελέτη «Αρχές σχεδιασμού για μπαταρία νατρίου πλήρως στερεάς κατάστασης χωρίς αρχική άνοδο». Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Ντιέγκο και του Πανεπιστημίου του Σικάγου μελέτησαν τον συνδυασμό αυτών των χαρακτηριστικών.

Μπαταρία νατρίου

Το νάτριο είναι πολύ άφθονο στον φλοιό της Γης και στο θαλασσινό νερό, περίπου χίλιες φορές αφθονότερο από το λίθιο στον φλοιό. Αυτό προσφέρει ενδιαφέρον ως προς τις πρώτες ύλες, αλλά δεν καθιστά την παραγωγή μπαταριών απεριόριστη ή χωρίς κόστος.

Η αυξανόμενη χρήση λιθίου συνοδεύεται από προκλήσεις:

• Το κόστος του μπορεί να παρουσιάζει μεγάλες διακυμάνσεις.
• Η εξόρυξη και η επεξεργασία του έχουν περιβαλλοντικές επιπτώσεις.
• Η συγκέντρωση παραγωγής και επεξεργασίας σε ορισμένες χώρες δημιουργεί κινδύνους εφοδιασμού.

Η αφθονία του νατρίου μπορεί να μειώσει ορισμένους κινδύνους πρώτων υλών. Δεν αποκλείει όμως ελλείψεις, διακυμάνσεις τιμών ή περιορισμούς στην παραγωγική αλυσίδα.

Η συνήθως χαμηλότερη ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών νατρίου είναι περιορισμός για εφαρμογές όπου το βάρος και η αυτονομία έχουν μεγάλη σημασία. Η αποθήκευση δικτύου και ορισμένα οικονομικά οχήματα μπορεί να έχουν διαφορετικές απαιτήσεις.

Μπαταρία Χωρίς Άνοδο

Σε μια συμβατική επαναφορτιζόμενη μπαταρία, η άνοδος αποθηκεύει ιόντα κατά τη φόρτιση. Κατά την εκφόρτιση τα ιόντα κινούνται προς την κάθοδο, ενώ τα ηλεκτρόνια ρέουν στο εξωτερικό κύκλωμα.

Στον σχεδιασμό χωρίς αρχική άνοδο, το μέταλλο αποτίθεται ηλεκτροχημικά στον συλλέκτη ρεύματος κατά τη φόρτιση. Επομένως, υπάρχει λειτουργική άνοδος όταν το στοιχείο είναι φορτισμένο.

Η αφαίρεση του αρχικού υλικού ανόδου μπορεί να μειώσει βάρος και κόστος και να αυξήσει την ενεργειακή πυκνότητα. Η τάση και η τελική απόδοση εξαρτώνται από ολόκληρη τη χημεία του στοιχείου.

Πηγή: University Of Chicago

Μια βασική δυσκολία είναι η ομοιόμορφη εναπόθεση και απομάκρυνση του μετάλλου. Ανομοιόμορφες αποθέσεις και ανεπιθύμητες αντιδράσεις μπορούν να οδηγήσουν σε απώλεια ενεργού υλικού και χωρητικότητας.

Μπαταρία Στερεάς Κατάστασης

Οι μπαταρίες στερεάς κατάστασης μελετώνται για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και ασφάλεια. Δεν αποτελούν αναγκαστικά την τελική μορφή κάθε συστήματος αποθήκευσης.

Η αντικατάσταση του υγρού ηλεκτρολύτη με στερεό αλλάζει τη δομή και τις διεπιφάνειες. Η ταχύτητα φόρτισης και η μάζα εξαρτώνται από τα υλικά και τον σχεδιασμό, όχι απλώς από τη στερεή κατάσταση.

Προκλήσεις είναι η καλή επαφή μεταξύ στερεών, οι μεταβολές όγκου κατά τη φόρτιση και η διατήρηση σταθερών διεπιφανειών.

Οι δενδρίτες και άλλα ανομοιόμορφα μεταλλικά μορφώματα μπορεί να προκαλέσουν βραχυκύκλωμα. Ο στερεός ηλεκτρολύτης δεν αποκλείει από μόνος του αυτόν τον κίνδυνο.

Συνδυασμός στερεού ηλεκτρολύτη και σχεδιασμού χωρίς αρχική άνοδο

Σε αυτόν τον συνδυασμό, ιδιαίτερη σημασία έχει η επαφή του στερεού ηλεκτρολύτη με τον συλλέκτη ρεύματος και το μέταλλο που αποτίθεται.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν σκόνη αλουμινίου ως συλλέκτη ρεύματος και τη συμπίεσαν κατά τη συναρμολόγηση. Η σκόνη μπορεί να αναδιατάσσεται ώστε να βελτιώνεται η επαφή· δεν πρόκειται για λιωμένο αλουμίνιο ή για ηλεκτρολύτη αλουμινίου.

Πηγή: University Of Chicago

Πολλά Οφέλη

Ο συλλέκτης αλουμινίου και η σχεδίαση της διεπιφάνειας βοήθησαν στην ομοιόμορφη εναπόθεση νατρίου στις συνθήκες του πειράματος. Αυτό δεν αποδεικνύει καθολική εξάλειψη των δενδριτών σε κάθε συνθήκη λειτουργίας.

Η σταθερή επαφή μπορεί να περιορίσει την απώλεια ηλεκτρικά απομονωμένου νατρίου και τη συνακόλουθη μείωση της χωρητικότητας.

Η εργασία εξετάζει υπολογισμένες δυνατότητες ειδικής ενέργειας περίπου 200–400 Wh/kg για διαφορετικούς σχεδιασμούς. Το εύρος δεν είναι πιστοποιημένη επίδοση εμπορικού συσσωρευτή οχήματος.

Πηγή: University Of Chicago

Ο συνδυασμός άφθονων υλικών και κατάλληλης δομής μπορεί να είναι ενδιαφέρων. Ωστόσο, η τελική σύγκριση με μπαταρίες λιθίου πρέπει να περιλαμβάνει διάρκεια ζωής, κόστος κατασκευής, ισχύ, βάρος και ασφάλεια.

Η Δύναμη του Συνδυασμού

Οι μπαταρίες νατρίου, στερεάς κατάστασης και χωρίς αρχική άνοδο βρίσκονται σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης και εμπορικής ωριμότητας. Δεν είναι όλες οι επιμέρους προσεγγίσεις ήδη αποδεδειγμένες σε μαζική παραγωγή.

Άλλες χημείες και εφαρμογές παρουσιάζονται στα άρθρα «Το μέλλον της ενέργειας: μπαταρίες μεγάλης κλίμακας» και «Το μέλλον της κινητικότητας: τεχνολογία μπαταριών».

Η έρευνα εξετάζει πλέον και τον συνδυασμό χαρακτηριστικών από διαφορετικούς σχεδιασμούς.

Οι συνδυασμοί μπορούν να αντιμετωπίσουν ορισμένους περιορισμούς, αλλά μπορεί επίσης να δημιουργήσουν νέες απαιτήσεις κατασκευής.

Στη συγκεκριμένη μελέτη, η σκόνη αλουμινίου βελτίωσε τη διεπιφάνεια και την εναπόθεση νατρίου σε ένα εργαστηριακό στοιχείο.

Ο συλλέκτης ρεύματος από μόνος του δεν καθορίζει την ενεργειακή πυκνότητα· η κάθοδος, ο ηλεκτρολύτης και τα υπόλοιπα εξαρτήματα έχουν επίσης σημασία.

Αντίστοιχα, το συνολικό κόστος εξαρτάται από υλικά, παραγωγή, πίεση λειτουργίας και διάρκεια ζωής, όχι μόνο από την επιλογή νατρίου.

Το νάτριο μπορεί να εξυπηρετήσει ορισμένες εφαρμογές κινητικότητας, αλλά οι απαιτήσεις αυτονομίας και βάρους διαφέρουν ανά όχημα.

Ο συνδυασμός στοιχείων σχεδιασμού διευρύνει τις ερευνητικές επιλογές. Για να γίνει εμπορική τεχνολογία απαιτείται περαιτέρω επικύρωση σε μεγαλύτερη κλίμακα και σε πραγματικές συνθήκες.

Εταιρείες μπαταριών νατρίου

1. CATL

Η CATL είναι μεγάλος κατασκευαστής μπαταριών με δραστηριότητες σε πολλά στάδια της εφοδιαστικής αλυσίδας. Σύμφωνα με στοιχεία που παρέθεσε η εταιρεία, είχε μερίδιο 36,8% στην παγκόσμια χρήση μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων το 2023, όχι πάνω από το μισό της παραγωγής όλων των μπαταριών.

Εκτός από την καθιερωμένη δραστηριότητά της στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, η CATL έχει παρουσιάσει διάφορες τεχνολογικές εξελίξεις:

• Μπαταρία αποθήκευσης ενέργειας με αναφερόμενη διάρκεια 12.000 κύκλων και μακροπρόθεσμο στόχο 18.000 κύκλων, σύμφωνα με την εταιρεία.
• Μπαταρία LFP, δηλαδή φωσφορικού σιδήρου-λιθίου, με αναφερόμενη αυτονομία 700 km και προσθήκη 400 km αυτονομίας σε 10 λεπτά φόρτισης, υπό τις συνθήκες δοκιμής της εταιρείας.
• Ανακοίνωση μπαταρίας 500 Wh/kg και έρευνα για ηλεκτρική αεροπορία, όχι ήδη πιστοποιημένο επιβατικό αεροσκάφος.
• Πρώτη γενιά μπαταριών ιόντων νατρίου 160 Wh/kg και στόχος 200 Wh/kg, χωρίς να τεκμηριώνεται εδώ μαζική παραγωγή αυτής της επίδοσης το 2024.

Πηγή: CATL

Η CATL παρουσίασε επίσης το σύστημα αποθήκευσης TENER στο Πεκίνο τον Απρίλιο του 2024. Η εταιρεία το περιγράφει ως «σύστημα μαζικής παραγωγής με μηδενική υποβάθμιση κατά τα πρώτα πέντε έτη». Πρόκειται για ισχυρισμό απόδοσης, όχι για πέντε έτη ήδη ολοκληρωμένης εμπορικής χρήσης στο Πεκίνο.

Χωρητικότητα αποθήκευσης 6,25 MWh σε εμπορευματοκιβώτιο μήκους 20 ποδιών, σύμφωνα με την CATL.

Η εταιρεία αποδίδει τις επιδόσεις σε υλικά και τεχνικές κατασκευής που περιορίζουν ανεπιθύμητες αντιδράσεις. Αυτό δεν σημαίνει ότι αποκλείεται κάθε κίνδυνος θερμικής διαφυγής.

Η CATL ανακοίνωσε επίσης σχέδιο επένδυσης 3,25 δισ. ευρώ σε ανακύκλωση μπαταριών στην Κίνα. Η εταιρεία αναφέρει ποσοστά ανάκτησης 99,6% για νικέλιο, κοβάλτιο και μαγγάνιο και 91% για λίθιο. Αυτά αφορούν τη διαδικασία ανάκτησης μετάλλων, όχι τη συλλογή όλων των χρησιμοποιημένων μπαταριών.

Η παραγωγική κλίμακα και η έρευνα της CATL μπορούν να στηρίξουν την ανταγωνιστική της θέση, χωρίς να εγγυώνται μελλοντική επιτυχία. Η εταιρεία συνεργάζεται με κατασκευαστές οχημάτων όπως Tesla (TSLA ), NIO, Ford και Stellantis.

2. BYD

Η BYD έχει εξελιχθεί σε σημαντικό ανταγωνιστή της Tesla και άλλων αυτοκινητοβιομηχανιών.

Ξεκινώντας ως προμηθευτής επαναφορτιζόμενων μπαταριών για τηλέφωνα, η εταιρεία αναπτύχθηκε σε μεγάλο κατασκευαστή ηλεκτρικών οχημάτων και επεκτάθηκε σε αγορές όπως η Ταϊλάνδη, η Σουηδία, η Αυστραλία, η Νέα Ζηλανδία, η Σιγκαπούρη, το Ισραήλ και η Βραζιλία. Οι κατατάξεις πωλήσεων εξαρτώνται από την περίοδο και από το αν περιλαμβάνονται υβριδικά plug-in.

Η Κίνα ξεπέρασε την Ιαπωνία στις εξαγωγές αυτοκινήτων το 2023 και η BYD επέκτεινε τις διεθνείς δραστηριότητές της. Ανάμεσα στα σχέδια ήταν εργοστάσιο στην Ουγγαρία.

Το Seagull, που παρουσιάστηκε στην Κίνα σε τιμές περίπου 10.000–12.000 δολαρίων, μπορεί να διευρύνει το κοινό των ηλεκτρικών οχημάτων. Χρησιμοποιεί μπαταρία Blade με χημεία LFP, όχι μπαταρία νατρίου. Οι τιμές εξαγωγής διαφέρουν.

Πηγή: Του User3204 — δικό του έργο, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Η BYD κατασκευάζει επίσης μπαταρίες και ανταγωνίζεται την CATL στην αγορά LFP. Τα ποσοστά 41,1% και 33,9% που παρατίθενται στο αρχικό άρθρο δεν συνοδεύονται από σαφή περίοδο και πεδίο μέτρησης και δεν πρέπει να εκλαμβάνονται ως σημερινά συνολικά μερίδια αγοράς.

Η επέκταση κινεζικών ηλεκτρικών οχημάτων στην Ευρώπη και τις ΗΠΑ μπορεί να αντιμετωπίσει δασμούς και άλλους εμπορικούς περιορισμούς, με συνέπειες για την ανάπτυξη της BYD.

Η BYD αναπτύσσεται και σε άλλες αγορές. Δεν είναι όμως σωστό να θεωρείται ότι ολόκληρη η Νότια Αμερική, η Αφρική, η Μέση Ανατολή ή η Νοτιοανατολική Ασία δεν διαθέτουν εγχώρια αυτοκινητοβιομηχανία. Οι τοπικές συνθήκες διαφέρουν.

Ο μεγάλος πληθυσμός αυτών των περιοχών δεν ισοδυναμεί με αντίστοιχο αριθμό άμεσων αγοραστών. Εισόδημα, χρηματοδότηση, υποδομές φόρτισης και εμπορική πολιτική καθορίζουν την πραγματική ζήτηση.

Η τοπική παραγωγή μπορεί να επηρεάσει την ανταγωνιστικότητα της BYD. Το 2024 υπήρχαν σχέδια στην Ανατολική Ευρώπη, συμφωνία για την Τουρκία και εξέταση επιλογών στο Μεξικό, όχι ήδη λειτουργικά εργοστάσια σε όλες αυτές τις αγορές. Η πρόσβαση στις ΗΠΑ δεν ήταν εγγυημένη.