Ang Anode-Free Sodium Solid-State Batteries Maaaring Bawasan ang Pag-asa sa ‘Lithium Triangle’

Maraming Paraan upang Gumawa ng Baterya

Patuloy na gumagawa ng bagong teknolohiya ang mga tagagawa ng baterya. Malaking dahilan nito ang lumalaking merkado ng de-kuryenteng sasakyan at ng mga bateryang ginagamit sa mga sistema ng kuryente.

Bukod sa karaniwang lithium-ion, pinag-aaralan ang ibang disenyo upang tugunan ang gastos, pagkuha ng mga materyales, kaligtasan at iba pang limitasyon. Hindi pare-pareho ang mga problemang ito sa lahat ng uri ng lithium-ion.

Pinagmulan: Research Gate

Isang alternatibo ang sodium-ion, na gumagamit ng sodium sa halip na lithium. Karaniwan itong may mas mababang densidad ng enerhiya, ngunit maaaring may bentahe sa gastos at suplay.

Isa pang direksiyon ang solid-state na baterya. Pinapalitan nito ang likidong electrolyte ng solidong electrolyte; hindi nito inaalis ang electrolyte. Maaaring tumaas ang densidad ng enerhiya, ngunit nakadepende sa disenyo ang bilis ng pag-charge at iba pang pakinabang.

Binabago naman ng anode-free na disenyo ang istruktura. Wala itong paunang inilagay na aktibong materyal sa anode; nabubuo ang metal na anode habang nagcha-charge.

Pinagsasama na rin ng mga mananaliksik ang mga paraang ito. Isang halimbawa ang bagong inilathalang anode-free na sodium all-solid-state na baterya.

Baterya na Anode-Free Sodium Solid-State

Inilathala sa Nature Energy sa pamagat na “Mga prinsipyo ng disenyo para sa anode-free na sodium all-solid-state na baterya”, ang pag-aaral ng University of California San Diego at University of Chicago ay nagpakita ng solid-state na disenyo na gumagamit ng sodium at walang paunang aktibong anode.

Bateryang Sodium

Sagana ang sodium sa karagatan at sa balat ng Daigdig. Ayon sa inilalarawan ng mga mananaliksik, humigit-kumulang 1,000 beses itong mas sagana kaysa lithium sa balat ng Daigdig.

Mahalaga ang paghahanap ng alternatibo dahil may ilang hamon ang lithium:

• Maaaring maging malaking bahagi ng gastos ng baterya ang mga materyales at pagproseso.
• May epekto sa kapaligiran ang pagmimina at pagproseso nito.
• Nakakonsentra sa ilang lugar ang produksiyon at pagdadalisay, na maaaring magdulot ng panganib sa suplay at geopolitika.

Maaaring bawasan ng kasaganaan ng sodium ang ilang panganib sa suplay. Gayunman, hindi nito ginagarantiyang walang kakulangan o pagbabago ng presyo sa mga materyales at kapasidad ng produksiyon.

Mas mababa ang densidad ng enerhiya ng maraming sodium-ion na baterya, kaya mahalagang timbangin ang gastos, bigat at gamit.

Bateryang Anode-Free

Sa karaniwang rechargeable na disenyo, lumilipat ang mga ion patungo sa negatibong electrode habang nagcha-charge at bumabalik patungo sa positibong electrode habang ginagamit ang nakaimbak na enerhiya.

Sa anode-free na disenyo, nabubuo ang deposito ng alkali metal sa current collector habang nagcha-charge, sa halip na gumamit ng paunang aktibong materyal sa anode.

Maaari nitong bawasan ang hindi aktibong materyal, pasimplehin ang paggawa at pataasin ang densidad ng enerhiya. Nakadepende sa mga electrode at kemistri ang boltahe.

Pinagmulan: University Of Chicago

Isang hamon ang hindi pantay na pagdeposito at pagtanggal ng metal sa current collector. Maaari itong magdulot ng pagkawala ng aktibong materyal at pagkasira ng baterya.

Bateryang Solid-State

Matagal nang pinag-aaralan ang solid-state na baterya para sa mga gamit na nangangailangan ng mataas na densidad ng enerhiya. Isa itong posibleng landas, hindi ang tiyak na huling anyo ng lahat ng baterya.

Ang pagpapalit ng likidong electrolyte ng solidong materyal ay maaaring magbigay ng mga bagong disenyo, ngunit hindi awtomatikong nagpapababa ng bigat o nagpapabilis ng pag-charge.

Kabilang sa mga hamon ang pagpapanatili ng maayos na pagkakadikit ng mga bahagi habang nagbabago ang dami ng metal sa pag-charge at pag-discharge.

Ang paglaki ng mga dendrite ay maaari ring magdulot ng short circuit at mga panganib sa kaligtasan. Hindi inaalis ng solidong electrolyte ang lahat ng ganitong panganib.

Anode-Free na Sodium Solid-State

Sa anode-free na solid-state na disenyo, mahalagang mapanatili ang maayos na ugnayan ng solidong electrolyte at current collector.

Gumamit ang mga mananaliksik ng aluminum powder bilang current collector. Ang mga butil nito ay maaaring magsiksikan at umayon sa ibabaw, kaya kumikilos ang pulbos na parang dumadaloy na materyal kahit solid ang mga butil.

Pinagmulan: University Of Chicago

Maraming benepisyo

Nakatutulong ang disenyo ng aluminum-powder current collector sa mas pantay na pagdeposito ng sodium at sa matatag na pagkakadikit sa solidong electrolyte. Ang aluminum dito ay current collector, hindi electrolyte.

Maaaring mabawasan nito ang sodium na nawawalan ng koneksiyon sa kuryente at hindi na magamit, na kung hindi ay magpapababa sa kapasidad.

Tinatalakay ang potensiyal na densidad ng enerhiya na 200–400 Wh/kg para sa iba’t ibang disenyo. Hindi ito dapat ituring na napatunayang antas ng isang komersiyal na battery pack.

Pinagmulan: University Of Chicago

Ang sodium at aluminum ay maaaring magbigay ng bentahe sa suplay at gastos. Ang tunay na paghahambing sa mga bateryang lithium ay nangangailangan pa rin ng pagsasaalang-alang sa buong cell, buhay-serbisyo, kaligtasan at produksyon.

Ang Lakas ng Kombinasyon

Mabilis ang pag-unlad ng sodium-ion, anode-free at solid-state na mga baterya, ngunit magkakaiba ang antas ng kanilang paglapit sa komersiyal na paggamit.

Kasama ang mga ito sa maraming kemistri at disenyong tinalakay namin sa “Ang hinaharap ng pag-iimbak ng enerhiya — teknolohiya ng mga baterya para sa sistema ng kuryente” at “Ang hinaharap ng mobilidad — teknolohiya ng baterya”.

Pinagsasama ng mga mananaliksik ang ilang konseptong ito upang masubukan kung mapapahusay ang kabuuang pagganap.

Maaaring makatulong ang pagsasama upang mabawasan ang ilang limitasyon ng bawat disenyo.

Sa pag-aaral na ito, ang aluminum-powder current collector ay bahagi ng solusyon sa hindi pantay na pagdeposito ng sodium at sa pakikipag-ugnayan nito sa solidong electrolyte.

Hindi sapat ang aluminum powder lamang upang matukoy ang densidad ng enerhiya; nakadepende ito sa buong cell.

Gayundin, ang gastos ay nakadepende sa lahat ng materyales at proseso, hindi lamang sa paggamit ng sodium.

Maaaring mas mura ang sodium, ngunit nananatiling mahalagang hamon ang densidad ng enerhiya para sa transportasyon.

Ipinapakita ng pagsasama ng mga elemento ng disenyo ang mga bagong posibilidad. Kailangan pa ring patunayan ang pangmatagalang pagganap at kakayahang gawin ang mga ito sa malaking sukat.

Mga Kumpanya ng Sodium Battery

1. CATL

Isa ang CATL sa pinakamalaking tagagawa ng baterya. Ayon sa datos na iniulat nito, 36.8% ang bahagi nito sa pandaigdigang paggamit ng mga baterya para sa de-kuryenteng sasakyan noong 2023, hindi mahigit kalahati ng lahat ng baterya sa mundo.

Bukod sa lithium-ion, nag-ulat din ang kumpanya ng pag-unlad sa ilang teknolohiya:

• Isang 12,000-cycle na ultra-long-life na baterya para sa utility-scale na pag-iimbak ng enerhiya, na may 18,000 cycle bilang pangmatagalang layunin.
• Isang LFP (lithium iron phosphate) na bateryang may iniulat na saklaw na 700 km at kakayahang magdagdag ng 400 km sa loob ng sampung minuto, sa itinakdang test conditions.
• Isang bateryang may iniulat na densidad na 500 Wh/kg, na maaaring makatulong sa pagbuo ng de-kuryenteng sasakyang panghimpapawid.
• Mga sodium-ion na cell na may iniulat na 160 Wh/kg, at layuning umabot sa 200 Wh/kg.

Pinagmulan: CATL

Sa pag-iimbak para sa sistema ng kuryente, ipinakilala ng CATL ang TENER. Ayon sa kumpanya, ito ay “isang sistemang maaaring gawin sa malaking sukat at idinisenyo upang hindi mawalan ng kapasidad at power sa unang limang taon sa itinakdang kondisyon ng paggamit”. Ito ay pahayag tungkol sa produkto na dapat basahin kasama ng mga kondisyon at garantiya nito.

Malaking imbakan sa isang compact na espasyo: 6.25 MWh sa isang 20-foot na container.

Inilalarawan ng CATL ang mga teknolohiya nito bilang paraan upang mapabagal ang pagkasira at mapabuti ang kaligtasan. Hindi nito ginagarantiyang imposible ang thermal runaway sa lahat ng sitwasyon.

Ang CATL ay nag-invest din ng 3.25B sa kapasidad ng pag-recycle ng baterya sa China. Iniulat din ng kumpanya ang recovery rate na  99.6% para sa nickel, cobalt, manganese, at 91% para sa lithium.

Dahil sa laki, pananaliksik at kapasidad nito, mahalagang kasosyo ang CATL ng mga tagagawa ng sasakyan, kabilang ang Tesla (TSLA ), NIO, Ford at Stellantis. Nakadepende pa rin sa teknikal at komersiyal na resulta ang tagumpay ng mga bagong produkto.

2. BYD

Matagal nang kakompetensiya ng Tesla ang BYD sa merkado ng mga de-kuryenteng sasakyan at naging mahalagang karibal din ng iba pang tagagawa.

Nagsimula ang kumpanya bilang tagapagtustos ng baterya para sa mga telepono at lumawak sa produksyon ng mga sasakyan at baterya. Malakas ang posisyon nito sa China at lumalaki ang benta sa ilang merkado sa ibang bansa, bagaman nag-iiba ang mga ranggo ayon sa panahon at uri ng sasakyan.

Ang paglaki ng eksport ng BYD ay bahagi ng pag-angat ng China bilang pangunahing tagaluwas ng sasakyan noong 2023. Sinusuportahan ang pagpapalawak nito ng mga planong pabrika sa ibang bansa, tulad ng sa Hungary.

Ang murang BYD Seagull ay maaaring magpalawak ng merkado ng mga de-kuryenteng sasakyan. Gayunman, ang mga inilunsad na modelong binanggit sa mga opisyal na anunsiyo ay gumagamit ng Blade Battery; hindi dapat ilarawan ang Seagull bilang napatunayang komersiyal na modelong sodium-ion.

Pinagmulan: User3204 — sariling gawa, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Malaking tagagawa rin ng baterya ang BYD. Sa partikular na estadistikang binanggit ng artikulo para sa merkado ng LFP sa China, 41.1% ang bahagi ng BYD at 33.9% ang CATL. Hindi ito bahagi ng buong pandaigdigang merkado ng baterya.

Ang “baha” ng murang EV na ginawa ng BYD patungo sa mga pamilihan ng Europa at Amerika ay malamang na haharap sa ilang antas ng proteksiyonismo (kahit higit pa sa kamakailang ipinataw na taripa), na maaaring makahadlang sa paglago ng BYD.

Lumalaki ang interes sa murang de-kuryenteng sasakyang gawa sa China sa maraming rehiyon, ngunit nag-iiba ang kumpetisyon, imprastraktura at kakayahang bumili sa bawat bansa.

Malawak ang potensiyal na merkado ng BYD. Gayunman, hindi ginagarantiyahan ng relasyon sa China na iiwasan ng isang bansa ang proteksiyonismo o mga hadlang sa kalakalan.

Maaaring makatulong ang lokal na produksyon upang makipagkumpitensiya sa ilang pamilihan. Ang mga plano at proyekto sa Europa at iba pang rehiyon ay dapat ihiwalay sa aktuwal nang tumatakbong mga pabrika at sa tiyak na pag-access sa merkado.