Anodittomat natriumsolidi‑tilakuormat voivat vähentää riippuvuutta ‘litiumkolmiosta’

Monet tavat tehdä akku

Akkukehittäjät innovoivat jatkuvasti kilpaillessaan parhaan teknologian luomisesta. Viime vuosina tätä on ohjannut pyrkimys valloittaa jatkuvasti kasvava EV‑markkina sekä nouseva, mutta vielä nopeammin kasvava hyötykäyttöön tarkoitettujen akkujen markkina.

Kun akut alun perin perustuvat litiumioni‑tekniikkaan, ne etsivät nyt vaihtoehtoja ratkaistakseen litiumionin ongelmia: liian kalliita, harvinaisten metallien käyttö, paloriski jne.

Lähde: Research Gate

Yksi tällainen vaihtoehto on natriumioni, joka käyttää litiumin sijaan natriumia, mutta alhaisemmalla energiateholla.

Toinen vaihtoehto on kiinteän tilan akut. Poistamalla elektrolyyttien tarpeen ne voivat olla tiheämpiä ja siten vaatia vähemmän energiaa saman EV‑suorituskyvyn saavuttamiseksi. Kiinteän tilan akkujen tulisi myös latautua paljon nopeammin.

Muut rohkeammat lähestymistavat eivät pelkästään muuta kemiaa vaan myös akun rakennetta. Erityisesti anodi‑vapaat akut poistavat kokonaan osan akusta.

Tutkijat pyrkivät nyt yhdistämään näitä lähestymistapoja, erityisesti äskettäisen julkaisun myötä, jossa esiteltiin maailman ensimmäinen anodi‑vapaa natrium‑kiinteän tilan akku.

Anodi‑vapaa Natriumin Kiinteätila-akku

Julkaistu Nature Energy -lehdessä otsikolla ”Suunnitteluperiaatteet anodi‑vapaan natriumin kaikki‑kiinteätila-akun mahdollistamiseksi”, Kalifornian yliopiston ja Chicagon yliopiston tutkijat eivät ainoastaan luoneet kiinteätila-akkua, vaan myös akkua, jossa käytetään natriumia litiumin sijaan, eikä siinä ole edes anodit.

Natriumakku

Natrium on erittäin runsas ioni, käytännössä äärettömän määrissä meressä, 1 000‑kertainen määrä maankuoren litiumiin verrattuna. Tämä tekee siitä erittäin hyvän vaihtoehdon litiumille.

Se on tärkeää, koska litium kohtaa useita rajoituksia sähköautojen kasvun vuoksi:

• Se on liian kallista, mikä tekee sähköistämisestä itsessään liian kallista.
• Sen louhinta on ympäristölle haitallista.
• Se tuotetaan vain muutamassa paikassa maailmassa ja suurimmaksi osaksi jalostetaan Kiinassa, mikä aiheuttaa geopoliittisia riskejä.

Koska se on niin kaikkialla läsnä oleva ja runsas, on erittäin epätodennäköistä, että natrium kokee koskaan hintojen epävakautta ja puutetta, kuten litium on viime vuosina kokenut.

Ongelma on, että natriumakut eivät yleensä ole riittävän tiiviitä kilpaillakseen litiumpohjaisten akkujen kanssa, lukuun ottamatta edullisia sähköautomalleja.

Anodi‑vapaa akku

Normaalisti akulla on anodi, joka varastoi ionit akun latauksen aikana. Ne virtaavat sitten takaisin kohti katodia, kun akku vapauttaa energiaa.

Anodi‑vapaat akut sen sijaan varastoivat ionit elektrokemiallisessa alkali‑metallikerrostumassa suoraan virtapiirille.

Tämä mahdollistaa korkeamman kennon jännitteen, alhaisemman kennon kustannuksen ja suuremman energiatehokkuuden.

Lähde: University Of Chicago

Anodi‑vapaassa rakenteessa ongelmana on, että virtapiiri kerää usein kerrostumia nestemäisestä elektrolyytistä, mikä vahingoittaa akkua.

Kiinteätila-akku

Kiinteätila-akkuita on pitkään odotettu olevan akku‑pohjaisen energian varastoinnin “lopullinen” muoto, erityisesti sovelluksissa, jotka vaativat erittäin korkean tiheyden liikkuvuutta.

Elektrolyytin poistaminen vähentää akun kokonaispainoa ja tekee akusta erittäin nopean lataamisen ja purkamisen.

Näiden rakenteiden ongelmana on yleensä saada riittävän kiinteä järjestelmä, koska metallit turpoavat latauksen aikana.

Lisäksi dendriittien kasvun aiheuttama oikopolkujen (ja siten tulipalon) riski on aina läsnä taustalla, kuten litium‑ioniakuissa.

Anodi‑vapaa natriumin kiinteä tila

Anodi‑vapaassa suunnittelussa ylimääräinen ongelma on, että perinteinen kiinteä elektrolyytti ei pysty kunnolla vuorovaikuttamaan virtakollektorin kanssa.

Tutkijat ratkaisivat tämän ongelman käyttämällä alumiinijauhetta virtakollektorina, joka on kiinteä aine, joka voi virrata kuin neste.

Lähde: University Of Chicago

Monia etuja

Koska se on kiinteä, alumiini‑elektrolyytti estää myös dendriittien muodostumisen, mikä on kiinteän akkujen liian lyhyen käyttöiän pääasiallinen syy.

Se tarjoaa myös vakaan liitoksen ja estää natriumin osan, joka olisi sähkövirralta saavuttamattomissa, mikä vähentäisi akun kapasiteettia.

Lopuksi se mahdollistaa korkean energiatihentymän, ja tämän natriumin kiinteän akun eri vaihtoehdot sijoittuvat kaikki 200–400 Wh/kg tiheyteen.

Lähde: University Of Chicago

Vaikka tämä on hieman alhaisempi kuin litiumpohjaiset kiinteät akut, se on silti paljon vahvempi kuin nykyisin käytetyt akut. Yhdistettynä paljon edullisempien materiaalien taloudellisuuteen, jossa natrium ja alumiini korvaavat litiumin, koboltin ja nikkelin, se voisi olla voittava yhdistelmä.

Yhdistämisen Voima

Vain muutama vuosi sitten natriumbatterioiden tai anodi‑vapaan batterian ajatus oli vain käsite, jonka monet epäilivät saavuttavan kaupallisen vaiheen. Sama voidaan sanoa kiinteän tilan baterioista.

Tämä muuttuu nopeasti jokaisessa näistä kategorioista, samoin kuin monissa muissa potentiaalisissa kemioissa ja suunnitelmissa, joita tutkimme artikkeleissamme “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech” ja “The Future Of Mobility – Battery Tech”.

Näyttää siltä, että astumme uuteen vaiheeseen, jossa tutkijat tarkastelevat näitä nyt todistettuja batteriakonsepteja ja alkavat yhdistää niitä.

Yllättävää kyllä, se saattaa auttaa voittamaan kunkin idean yksittäiset rajoitteet.

Tässä esimerkissä sekä kiinteän tilan batterioiden dendriittiongelmat että anodi‑vapaan suunnittelun kerrostumisen ongelma keräyslevylle ratkaistaan alumiinijauhetta käyttämällä.

Alumiinijauhe yksinään anodi‑vapassa suunnittelussa tuottaisi edelleen liian alhaisen tiheyden.

Alumiinijauhe kiinteän tilan baterioissa ei olisi tarpeeksi halpaa ilman natriumin käyttöä.

Samaan aikaan natrium yksinään on halpaa, mutta ei tarpeeksi tiheää täyttääkseen liikkuvuuden vaatimuksen.

Näyttää siis siltä, että erilaisten suunnitteluelementtien yhdistäminen voi auttaa tuomaan yhteen niiden vastaavat edut samalla kun poistetaan tai ainakin lievennetään niiden yksittäisiä ongelmia, luoden paljon laajemman joukon tulevaisuuden mahdollisuuksia innovatiivisille batteriokemioille kuin aiemmin on ajateltu.

Natriumbatteriyritykset

1. CATL

CATL on maailmanlaajuinen johtaja akkuvalmistuksessa, tuottaen yli puolet maailman akkumäärästä. Yritys on läsnä jokaisessa akkuvalmistuksen toimitusketjun vaiheessa ja on akkuteknologian johtaja.

Tämä pätee litiumioniakkuihin, joissa yritys on ollut pitkään vakiintunut johtaja. CATL on myös ilmoittanut vaikuttavasta edistyksestä useissa muissa akkutyypeissä:

• 12 000 sykliä kestävä erittäin pitkäikäinen akku hyötysähkön varastointiin, jossa pitkän aikavälin tavoitteena on 18 000 sykliä.
• 700 km LFP (litiumrauta‑fosfaatti) -akku, joka lataa 400 km:n toimintasäteen 10 minuutissa.
• 500 Wh/kg, mikä mahdollisesti mahdollistaa matkustajakoneiden sähköistämisen.
• 160 Wh/kg natriumioniakkujen massatuotanto, tavoitteena 200 Wh/kg.

Lähde: CATL

Yritys on aktiivinen hyötysähkön akkumarkkinoilla TENER-järjestelmän suorituskyvyn ilmoituksen myötä. Se on “maailman ensimmäinen massatuotettavissa oleva energian varastointijärjestelmä, jossa ei ole heikkenemistä ensimmäisten viiden käyttövuoden aikana Pekingissä, Kiinassa”.

Valtava energia kompaktissa tilassa: 20‑jalan kontti, jossa 6,25 MWh kapasiteetti

Huipputeknologioiden ja äärimmäisten valmistuskykyjen avulla CATL on ratkaissut erittäin reaktiivisten litiummetallien aiheuttamat haasteet nolladegradaatiobatteissa, mikä tehokkaasti auttaa estämään hapettumisreaktioista johtuvaa lämpöön liittyvää hallitsematonta kiihtymistä.

CATL on myös investoinut 3,25 B akkujen kierrätyskapasiteetteihin Kiinassa. CATL on merkittävästi saavuttanut poikkeuksellisen talteenottoprosentin, joka on  99,6 % nikkelille, koboltille, mangaanille ja  91 % litiumille.

Skaalan, keskittymisen ja T&K‑saavutusten ansiosta CATL todennäköisesti on akkuinnovaation, -valmistuksen ja -kierrätyksen eturintamassa. Tämä tekee siitä keskeisen kumppanin sähköautojen valmistajille, mukaan lukien Tesla (TSLA ), NIO, Ford, Stellantis ym.

2. BYD

Pitkäaikainen Teslan haasteellinen kilpailija sähköautomarkkinoilla, BYD on noussut vakavaksi kilpailijaksi ei vain Teslalle vaan lähes kaikille autonvalmistajille.

Yritys kehittyi puhelinakkujen toimittajasta myymään lähes yhtä monta sähköautoa kuin Tesla Kiinassa (maailman suurin sähköautomarkkina) ja olemaan parhaiten myyty sähköauto Thaimaassa, Ruotsissa, Australiassa, Uudessa‑Seelannissa, Singaporessa, Israelissa ja Brasiliassa.

BYD on suuri syy siihen, miksi Kiina yllättäen tuli maailman suurimmaksi autoviejäksi vuonna 2023, ohittaen Japanin. Yrityksen aggressiivinen ulkomaan laajentuminen toteutuu myös uusilla tehtailla, kuten Unkarissa.

Ja $10 000–$12 000 hintaluokan autojen, kuten Seagul, julkaisun myötä, jotka käyttävät natriumbatterioita, voi avautua kokonaan uusi markkina BY:n sähköautoille.

Lähde: By User3204 – Own work, CC BY‑SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Yhä ydinluonteeltaan akkuvalmistaja BYD on vakava haastaja CATL:lle LFP‑akkujen markkinoilla, 41,1 % markkinaosuudella Kiinassa (verrattuna CATL:n 33,9 %:iin).

BYD:n tuottaman halvan sähköautojen “tulva” Euroopan ja Amerikan markkinoilla todennäköisesti kohtaa jonkinasteista protektionismia (jopa äskettäin asetettujen tullien yläpuolella), mikä saattaa haitata BYD:n kasvua.

Mutta samaan aikaan halvat kiinalaiset sähköautot ovat jo suuri menestys muualla maailmassa, jossa ei ole merkittäviä kotimaisia autonvalmistajia suojeltavana, mukaan lukien koko Etelä‑Amerikka, Venäjä, Afrikka, Lähi‑itä ja Kaakkois‑Aasia.

Tämä edustaa useita miljardeja potentiaalisia BYD:n asiakkaita, jotka asuvat maissa, jotka haluavat saavuttaa geopoliittisen tasapainon ja pysyä hyvissä suhteissa sekä lännen että Kiinan kanssa, joten on epätodennäköistä, että syntyisi liian vahvoja protektionistisia esteitä.

Ja jopa EU:ssa tai Yhdysvalloissa BYD voi pysyä kilpailukykyisenä, kiitos paikallisten sähköautovalmistajien paljon korkeampien hintojen verrattuna Kiinan hintoihin, sekä tuotannon lokalisoinnin Kiinasta pois näille markkinoille, esimerkiksi Itä‑Euroopassa, Meksikossa tai Turkissa.