سدیم یون در مقابل باتری های حالت جامد که جایگزین لیتیوم یون می شوند

افزایش انرژی تجدید پذیر (RE) و رشد سریع وسایل نقلیه الکتریکی انتظاراتی را برای صنعت ذخیره انرژی افزایش داده است - از جمله راندمان بالاتر ، ایمنی بیشتر ، افزایش چگالی انرژی و از نظر ایده آل ، هزینه های پایین. باتری های سدیم یون و حالت جامد با هدف ارائه راه حل های جایگزین. هرکدام مزایای خاص خود را دارند و به طور بالقوه می توانند در سالهای آینده فن آوری های ذخیره سازی لیتیوم یون موجود را جایگزین کنند.

در این مقاله ، ما بررسی می کنیم که چرا باتری های لیتیوم یون ممکن است در معرض خطر قرار گرفتن در معرض خطر قرار بگیرند - حتی اگر این خطر هنوز هم امروز حداقل به نظر برسد. ما روی دو فناوری در حال ظهور با قوی ترین پتانسیل برای تسلط بر آینده ذخیره انرژی تمرکز می کنیم: باتری های سدیم یون و باتری های حالت جامد.

باتری های لیتیوم یون در حال حاضر بر بخش ذخیره انرژی حاکم هستند و انتظار می رود این موقعیت را در میان مدت حفظ کنند. از دستگاه های قابل حمل گرفته تا پروژه های ذخیره سازی انرژی تجدید پذیر در مقیاس بزرگ ، فناوری لیتیوم یون در تمام روندهای اصلی پیش می رود.

براساس گزارش اخیر ، بازار باتری لیتیوم یون به دلیل افزایش تقاضا در صنایع متعدد به سرعت در حال گسترش است. پیش بینی می شود تا سال 2029 از 41.9 میلیارد دلار در سال 2024 به بیش از 120 میلیارد دلار برسد ، با نرخ رشد سالانه مرکب (CAGR) تقریباً 23.6 ٪.

امروز ، بازار باتری لیتیوم یون توسط بازیکنان اصلی مانند تسلا ، پاناسونیک ، ال جی شیمی ، CATL و BYD هدایت می شود. نکته قابل توجه ، دو شرکت چینی اخیر طی دو سال گذشته پیشرفت چشمگیری داشته اند.

در حالی که افزایش وسایل نقلیه برقی عامل اصلی این رشد است ،ذخیره انرژی ثابتانتظار می رود بازار در سالهای آینده تقاضای حتی بیشتر ایجاد کند.

به خوبی شناخته شده است که باتری های لیتیوم یون به شدت به مواد معدنی بحرانی مانند لیتیوم متکی هستند و اغلب کبالت و نیکل نیز دارند. محدودیت های عرضه منجر به نوسانات قابل توجه قیمت شده است. به عنوان مثال ، هزینه کربنات لیتیوم درجه باتری از حدود 5.8 دلار در هر کیلوگرم به اندازه 80 دلار در سالهای اخیر نوسان کرده است. این نوسانات و کمبود هزینه باتری های لیتیوم یون را بالا برده و خطر تأمین طولانی مدت را ایجاد می کند.

یک مسئله فوری عدم وجود زنجیره تأمین لیتیوم قوی در بازارهای بزرگ خارج از چین است. به عنوان مثال ، حدود 77 ٪ از گرافیت مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون از چین تهیه می شود. این امر وابستگی سنگین به عرضه چینی ها را در دوره ای از تنش های تجارت جهانی برجسته می کند و بر اهمیت تنوع عرضه تأکید می کند.

خطرات ایمنی مانند آتش سوزی باتری در وسایل نقلیه برقی ناشی از فراری حرارتی ، یک لایه دیگر از نگرانی اضافه می کند.

این عوامل راه را برای نسل جدیدی از فن آوری های ذخیره انرژی هموار می کند. در حالی که شرکت های خارج از چین به طور جدی به دنبال گزینه های دیگری هستند که به لیتیوم متکی نیستند ، رهبران بازار چین نیز آگاه هستند که تسلط آنها می تواند در معرض خطر باشد. در حقیقت ، بسیاری از آنها قبلاً به سرعت به سمت توسعه باتری سدیم یون و حالت جامد حرکت کرده اند تا اطمینان حاصل کنند که آنها از منحنی جلو می مانند.

باتری های حالت جامد (SSB) الکترولیتهای مایع مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون را با الکترولیت های جامد-مانند سرامیک ، شیشه یا پلیمرهای جامد-جایگزین می کنند. SSBS با از بین بردن آند گرافیت حجیم و استفاده از مواد جامد متراکم ، می تواند انرژی قابل توجهی بیشتر را در همان حجم ذخیره کند ، و به طور بالقوه دامنه وسایل نقلیه برقی (EV) را با حاشیه گسترده گسترش می دهد.

چندین بازیکن اصلی صنعت قبلاً پتانسیل تحول این فناوری را تشخیص داده اند. به عنوان مثال ، در سال 2024 ، QuantumScape از باتری حالت جامد نمونه اولیه خود (QSE {2}}) با چگالی انرژی 844 WH/L رونمایی کرد-به طور قابل توجهی بالاتر از 300-700 WH/L معمولی از باتری های لیتیوم یون تجاری. این شرکت در نظر دارد اولین سلولهای لایه ای {8}}} (QSE {9}}}) را در سال 2025 ارائه دهد. این چگالی انرژی تقریباً 1.5 برابر از بهترین سلولهای لیتیوم یون است ، که می تواند بدون افزایش اندازه باتری یا وزن ، به افزایش 20-50 ٪ در محدوده رانندگی تبدیل شود.

غول باتری چین ، CATL (معاصر Amperex Technology Co. Ltd.) ، همچنین سرمایه گذاری خود را در توسعه SSB افزایش داده و تیم اختصاصی تحقیق و توسعه خود را به بیش از 1 ، {1}}} گسترش داده است. CATL تا سال 2027 تولید در مقیاس کوچک باتری های حالت جامد را هدف قرار می دهد.

تویوتا یک جدول زمانی تجاری سازی را برای مسافر EV های مجهز به باتری های حالت جامد بین سالهای 2027 تا 2028 اعلام کرده است. این شرکت ادعا می کند که این نوآوری می تواند دامنه رانندگی را تا 20 ٪ افزایش دهد. در سال 2023 ، انرژی جامد BMW را با سلول های نمونه A برای استفاده در برنامه خودروهای نمایشی خود تأمین کرد. سایر رهبران مهم صنعت - از جمله فولکس واگن ، هیوندای ، نیسان ، BMW و تویوتا - همچنین سرمایه گذاری های استراتژیک را در فضای باتری حالت جامد انجام داده اند.

فراتر از افزایش دامنه ، باتری های حالت جامد نیز قابلیت شارژ سریع را نشان می دهند. به لطف ثبات حرارتی عالی و هدایت یونی ، SSBS می تواند بدون آسیب رساندن به سلول ها ، میزان شارژ فوق العاده سریع را پشتیبانی کند. به عنوان مثال ، تویوتا انتظار دارد که فناوری باتری حالت جامد خود را در تنها 15 دقیقه شارژ مجدد دامنه 300 کیلومتر-دو تا سه برابر سریعتر از سرعت شارژ سریع فعلی اکثر EV های لیتیوم یون ، که به طور معمول حدود 30 دقیقه طول می کشد تا از 10 ٪ تا 80 ٪ شارژ شود.

استفاده از الکترولیتهای جامد ، که غیر قابل مشاهده هستند ، یکی از خطرات مهم ایمنی سلولهای باتری سنتی را از بین می برد. الکترولیتهای سرامیکی یا شیشه ای جامد آتش نمی گیرند و می توانند در محدوده دمای وسیع تری کار کنند. آنها همچنین در ولتاژهای بالاتر پایدار هستند و امکان استفاده از مواد کاتدی با ظرفیت بالا و سرکوب رشد لیتیوم دندریت را فراهم می کنند - بنابراین باعث بهبود عمر چرخه و ایمنی می شوند.

علاوه بر این ، SSB ها به دلیل طراحی ساده تر - بدون نیاز به مخلوط حلال و چسبنده - ممکن است بازیافت آسانتر باشند و از استفاده از مواد افزودنی و چسب های مشکل ساز خودداری کنند.

با وجود مزایای بسیاری ، ممکن است فرض کنیم که باتری های حالت جامد به راحتی و به سرعت باتری های لیتیوم یون را جایگزین می کنند. با این حال ، اگر نههزینه بالای آنها، SSB ها ممکن است قبلاً تصرف کرده باشند.

هزینه مهمترین مانع برای پذیرش گسترده است. به عنوان مثال ، گروه BMW این چالش را تصدیق کرده است. در حالی که پیش بینی می شود این شرکت از یک وسیله نقلیه نمونه اولیه مجهز به باتری های حالت جامد در اواخر سال جاری رونمایی کند ، اما اظهار داشت که راه اندازی تجاری وسایل نقلیه برقی با قدرت SSB طی یک دهه آینده بعید است.

تولید کننده باتری چینی Sunwoda تخمین زده است که باتری های حالت جامد می توانند در حدود هزینه کنند275 دلار در هر کیلووات ساعت، تقریباً با باتری های نیمه جامد. با این حال ، به دلیلهزینه های بالای پردازش موادوتبازده تولید پایین، هزینه واقعی می تواند در عمل به طور قابل توجهی بالاتر باشد.

تا زمانی که به این چالش ها رسیدگی نشود - به ویژه در مقیاس بندی تولید و کاهش هزینه های مواد - باتری های حالت جامد به جای دستیابی به استقرار گسترده تجاری ، در بخش اولیه یا حق بیمه بازار باقی می مانند.

در مقایسه ، از دسامبر 2024 ، میانگین قیمت بسته های باتری لیتیوم یون در چین به94 دلار در هر کیلووات ساعتبشر قیمت در ایالات متحده و اروپا باقی مانده است30 ٪ تا 50 ٪ بالاتر، اما هنوز هم به طور قابل توجهیپایین تر از باتری های حالت جامد.

به همین ترتیب ،هزینه همچنان یک تنگنا بزرگ استطرفداران فناوری باتری با حالت جامد باید بر آن غلبه کنند تا واقعاً بازار ذخیره انرژی را مختل کنند. در این رابطه ،باتری های سدیم یون و لیتیوم یون بسیار جلوتر هستندباتری های حالت جامد

سایر چالش های مهم شامل می شودمقیاس بندی تولید، به ویژه درتولید انبوه الکترولیتهای سرامیکیومونتاژ قابل اعتمادسلولهای حالت جامد مدیریترابط بین الکترولیتهای جامد و الکترودهاهمچنین یک نگرانی است ، زیرا می تواند منجر به مقاومت در برابر سطحی بالا یا ترک خوردگی بیش از چرخه های تخلیه شارژ چندگانه شود-که هر دو مانع تجاری سازی کامل می شوند.

علاوه بر این ، اطمینان ازدوام در شرایط استرس در دنیای واقعی، مانند لرزش ، نوسانات دما و شارژ سریع ، یکی از مهمترین موانع فنی است.

باتری های حالت جامد با تغییر الکترولیت و افزایش چگالی انرژی بر فناوری لیتیوم یون بهبود می یابند ، اما هزینه بالای آنها همچنان یک چالش بزرگ است. در مقابل ، باتری های سدیم یون (NA-Ion) با مسئله مخالف روبرو هستند. با تلاش برای جایگزینی عناصر مورد استفاده در باتری های لیتیوم یون با مواد شایع تر ، هزینه باتری های یون سدیم می تواند به طور قابل توجهی کاهش یابد ، اما از نظر تراکم انرژی با چالش هایی روبرو هستند.

باتری های یون سدیم به همان روشی که باتری های لیتیوم یون - یون ها شاتل بین کاتد و آند - کار می کنند ، کار می کنند اما از یون های سدیم به جای یون های لیتیوم استفاده می کنند. این تغییر همه چیز را تغییر می دهد ، ازسهولت منابع اولیهبهمقایت- که یکی از مهمترین عواملی است که فناوری باتری اصلی آینده را تعیین می کند.

هزینه کم باتری های یون سدیم به این معنی است که تا سال 2030 آنها را به حساب می آورندکمتر از 10 ٪ باتری های وسیله نقلیه الکتریکی، اما سهم آنها درذخیره انرژیانتظار می رود برنامه ها به میزان قابل توجهی افزایش یابد. باتری های یون سدیم استفاده می کنندمواد ارزان قیمتو به لیتیوم احتیاج ندارید ، این بدان معنی است که هزینه های تولید آنها می تواند باشد30 ٪ پایین تر از فسفات آهن لیتیوم (LFP)باتری

بزرگترین جذابیت فناوری یون سدیم در توانایی اهرم آن نهفته استمواد فراوان و ارزانبرای جایگزینی موارد کمیاب تر. ذخایر سدیم در پوسته زمین است1 ، 000 برابر بیشتراز لیتیوم. سدیم حتی می تواند ارزان از آن استخراج شودآب دریا نسبتاً غیرقابل توصیف.

با تشکر از نوآوری های موجود در این زمینه ، باتری های سدیم یون (NA-Ion) درجه تجاری اکنون به چگالی انرژی اطراف رسیده اند130-160 WH/kg، که در مورددو سومباتری های معمولی لیتیوم یون NMC (نیکل منگنز کبالت). با این حال ، آنها قبلاً به چگالی انرژی رسیده یا حتی از آن فراتر رفته اندباتری های اسید سرب، و به آن نزدیک می شوندلیتیوم آهن فسفات (LFP)باتری

کارشناسان ادعا می کنند که نسل بعدی باتری های یون سدیم به دست می آیندبیش از 200 WH/kg، به طور بالقوه فراتر از حد چگالی انرژی نظریباتری های LFPبشر طول عمر معمولی باتری های یون سدیم از100 تا 1 ، چرخه {2}}، و توسعه دهنده هندی KPIT ادعا می کند که باتری های خود را حفظ می کنند80 ٪ حفظ ظرفیت بعد از 6 ، {2} چرخه، قابل مقایسه با عملکرد باتری لیتیوم یون.

باتری های یون سدیم نیز درقدرت و عملکرد درجه حرارت پایینبشر برخی از طرح ها قادر بهچگالی قدرت در حدود 1 کیلو وات در کیلوگرم، که بسیار فراتر از آن استباتری های لیتیوم-یون NMC یا LFPبشر علاوه بر این ، باتری های یون سدیم نمایش داده می شوندحداقل تخریب عملکرددر دمای پایین به اندازه-20 درجه، در حالی که باتری های لیتیوم یون برای حفظ بار یا شارژ کارآمد در چنین شرایط سرد تلاش می کنند.

باتری های یون سدیم نیز می توانند باشندبه طور کامل به 0 V تخلیه شده استبدون ایجاد آسیب ، آنها را بسیار ایمن می کندحمل و نقل و ذخیره سازیبشر با توجه به تولید حرارت پایین تر و استفاده از مواد غیر قابل اشتعال در بسیاری از طرح ها ، باتری های یون سدیم نیز نشان می دهندثبات حرارتی برتربشر در واقع ،خطر آتش سوزیانتظار می رود بسته های باتری یون سدیم باشدبه طور قابل توجهی پایین تراز بسته های باتری لیتیوم یون ، تقویت کنندهامنیتدر برنامه هایی مانند وسایل نقلیه برقی و ذخیره سازی شبکه.

این ویژگی ها باتری های یون سدیم را به گزینه ای جذاب ، حتی برای رهبران باتری لیتیوم یون در چین تبدیل می کند. سال گذشته ، اولین ایستگاه ذخیره سازی انرژی باتری سدیم در مقیاس بزرگ چین عملیات را آغاز کرد-A10 مگاوات ساعت مرکز ذخیره سازی باتری سدیم، بخشی از یک پروژه 100 مگاوات ساعت. این تسهیلات ، ساخته شده توسط شبکه برق جنوبی چین ، از آن استفاده می کند210 آهن سدیم یونو داده های چشمگیر دارد: باتری می تواند باشدفقط در 12 دقیقه به 90 ٪ شارژ شد.

غول جهانی تولید باتریشرکت فناوری Amperex معاصر محدود (CATL)به وضوح مشتاق کشف پتانسیل باتری های سدیم یون است. به عنوان مثال ، این در حال ادغام باتری های سدیم یون در آن استزیرساخت و محصولات باتری لیتیوم یونبشر این شرکت فاش کرد که در2023، خودروساز چینیچتراولین شرکتی شد که از باتری های سدیم یون CATL استفاده کرد.

درژانویه 2024، بزرگترین خودروساز در آسیای میانه و یکی از بزرگترین تأمین کنندگان باتری ،عید، برنامه های اعلام شده برای ساخت1.4 میلیارد دلارکارخانه باتری سدیم یون با ظرفیت تولید سالانه از30 گیگاوات ساعت.

شرکت های اروپایی نیز در حال بررسی این فناوری هستند. تولید کننده باتری در حال حاضر بانکیشمالولتراه اندازی160 WH/kg باتری سدیم یوندر نوامبر 2023 ، که برای عملکرد تأیید شد. در انگلستان ،فارادیونبیش از یک دهه است که پیشگام فناوری باتری یون سدیم بوده است. به دست آمده توسط هندصنایع اتکادر سال 2021 ، فارادیون توسعه دادباتری 160 WH/kgو اکنون نسخه بهبود یافته ای را در دست می گیرد که دارای افتخار استچگالی انرژی 20 ٪ بالاتروت30 ٪ چرخه طولانی تربشر Reliance Industries همچنین برنامه هایی برای ساختکارخانه باتری سدیم چند GWHدر هند ، با تولید احتمالاً شروع می شود2025.

این تحولات به شدت نشان می دهد که باتری های یون سدیم به یک فناوری تبدیل شده اند که قادر به به چالش کشیدن تسلط باتری های لیتیوم یون هستند.

در حالی که فن آوری های باتری در حال ظهور است -باتری های یون سدیموتباتری های حالت جامد- پتانسیل امیدوارکننده را نشان دهید ، پیش بینی دشوار است که در نهایت حاکم خواهد بود. با توجه به مزایای مربوطه ، هر دو فناوری ممکن است نقش مهمی در پیشرفت داشته باشندانرژی پاکوتحمل و نقل تمیزدر آینده

اگر هزینه باتری حالت جامد کاهش یابد - به طور بالقوه از جریان کاهش می یابد$ 150+/kwhبرای باتری های لیتیوم یون به اطراف$ 80- 100 $/kwh- باتری های حالت جامد می توانند بربخش های با کارایی بالا، مانند وسایل نقلیه برقی ، طی یک دهه آینده. این یک سناریوی قابل قبول است. درآژانس انرژی بین المللی (IEA)دیدگاه خوش بینانه ای در موردهزینه های باتری های حالت جامد -2030، با اشاره به اینکه فناوری حالت جامد به احتمال زیاد به زنده ماندن تجاری می رسد.

از طرف دیگر ، باتری های یون سدیم بیشتر استمقرون به صرفه، ساختن آنها مناسبانبارشوتبازارهای نوظهور، و انتظار می رود که آنها سریعتر به موفقیت برسند. بسیاری از هواداران در حال تلاش برای ساخت و ساز هستندپروژه های در مقیاس بزرگدر بعدیدو تا سه سالبشر در سال 2024 ،بازار سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS)رشد کرد44%، با ظرفیت نصب شده و میزان تخلیه69 GW/161 GWHبشر به ویژه ، توسط2030، انتظار می رود باتری ها رانندگی کنند90 ٪ رشد ذخیره سازیبرای ملاقاتاهداف خالص صفر.

در نتیجه ، طیف وسیعی از فن آوری های باتری در آینده پدیدار می شوند.حالت جامدوتباتری های یون سدیماحتمالاً راه را پیش می برد.