Natriumgebaseerde batterijen zijn niet nieuw op de markt voor energieopslag, maar de belangstelling voor de technologie nam in de vroege jaren 2020 sterk toe toen de sector op zoek ging naar alternatieven voor lithium. Natrium-ionbatterijen werken en kunnen worden geproduceerd op een vergelijkbare manier als gangbare lithiumontwerpen, waardoor de toepassing eenvoudiger is dan bij andere geavanceerde technologieën zoals flowbatterijen. Net zoals er verschillende lithiumchemieën zijn, bestaan er ook verschillende typen natriumbatterijen die beter geschikt zijn voor bepaalde toepassingen. Hier volgt een uitleg van deze opkomende technologie.

Wat is een natriumbatterij?

Natriumbatterijproductie. Credit: Peak Energy

Natriumgebaseerde batterijen gebruiken overvloedig natrium om niet-giftige energie te leveren. Ze zijn niet brandbaar of explosief, zolang er geen andere materialen aan de chemie worden toegevoegd, en kunnen functioneren binnen een breed temperatuurbereik. Natriumbatterijcellen kunnen bovendien volledig tot nul lading worden ontladen zonder het systeem te beschadigen.

Natriumionen bewegen tijdens het opladen van de kathode naar de anode, en tijdens het ontladen van de anode naar de kathode. Ze worden op vergelijkbare wijze als lithiumbatterijen geproduceerd. De kathode en anode worden met een slurry gecoat, de celbehuizing wordt gevuld met elektrolyten en vervolgens wordt de module verzegeld. Fabrikanten van natriumcellen nemen vergelijkbare form factors als lithiumcellen over om de toepassing te vergemakkelijken. Natriumbatterijen gebruiken in hun stroomafnemersontwerpen doorgaans alleen aluminium, terwijl lithium zowel aluminium als koper gebruikt. Door alleen aluminium te gebruiken, zouden natriumbatterijen in theorie goedkoper moeten zijn.

Door hun brede bedrijfstemperatuurbereik en het ontbreken van brandrisico hebben natriumbatterijen geen verwarmings-, koel- en brandonderdrukkingssystemen nodig zoals die bij lithium BESS voorkomen. Daardoor is de fysieke voetafdruk van een grootschalig natriumenergiesysteem veel kleiner dan die van lithium.

Wat zijn de verschillende typen natriumbatterijen?

Unigrid test een NCO-batterij. Credit: Unigrid

Er zijn enkele varianten van natriumbatterijen, maar de drie meest voorkomende zijn NFM, NCO en NFPP.

Natrium-nikkel-ijzer-mangaan (NFM) wordt het vaakst vergeleken met lithiumkobaltoxide (LCO) en wordt gebruikt in lichte e-mobiliteitstoepassingen, zoals scooters en e-bikes. Net als LCO-batterijen in draagbare elektronica zoals telefoons kunnen NFM-batterijen gevaarlijk zijn en vlam vatten. Ze zijn niet geschikt voor grootschalige toepassingen.

Natriumchroomoxide (NCO) wordt vaak vergeleken met lithium-nikkel-mangaan-kobalt (NMC). NCO heeft een hoge energiedichtheid, maar geen bijzonder lange cyclische levensduur. Deze gelaagde metaaloxidebatterijen kunnen in thermal runaway raken en tijdens het verbranden zuurstof produceren, maar die kans is veel kleiner dan bij lithiumbatterijen is aangetoond.

Natriumijzer-fosfaat-pyrofosfaat (NFPP) wordt doorgaans vergeleken met lithium-ijzerfosfaat (LFP). Ze bieden een betere cyclische levensduur en betere thermische toleranties, en hebben vrijwel geen brandrisico. De in de Verenigde Staten gevestigde fabrikant Alsym voegt aan zijn NFPP+-ontwerp een niet-brandbare elektrolyt toe om het brandrisico verder te verlagen. In vergelijking met LFP hebben NFPP-ontwerpen een lagere energiedichtheid, maar hebben ze minder HVAC en andere BESS-hulpsystemen nodig.

Waar worden natriumbatterijen geproduceerd en geïnstalleerd?

Zoals bij elk batterijproduct domineert China momenteel de productie. De productie van natriumbatterijen kan eenvoudig worden geïntegreerd in een LFP-lijn, en veel gevestigde Chinese lithiummerken hebben al inactieve of overtollige lijnen in hun fabrieken omgezet om natriumontwerpen te produceren. In de Verenigde Staten zijn enkele R&D-inspanningen rond natrium-ion aan de gang, en de overvloedige chemische basis van de batterij, samen met het ontbreken van kritieke materialen, betekent dat de Verenigde Staten de productie van natrium-ion-energiesystemen snel kunnen terughalen naar eigen land.

De in Boston gevestigde onderneming Alsym ontwikkelt NFPP-celontwerpen, en grootschalige ontwikkelaar van energieopslag ESS kondigde onlangs aan dat het Alsym-technologie zal gebruiken in zijn aankomende lancering van een natrium-ionbatterij.

"Onze eerste lancering zal met NFPP zijn, omdat dat een goede technologie is. Het volgt dezelfde kenmerken die ESS vanaf het begin heeft gevolgd — geen brandrisico en het is veilig," zei Randy Selesky, chief commercial officer van ESS.

De afsplitsing van UC San Diego, Unigrid, ontwikkelt NCO-cellen en kondigde een samenwerking aan met fabrikant Syntropic Power om natrium-ionbatterijen in de Verenigde Staten te produceren. De twee bedrijven richten zich op de residentiële markt, omdat die klaar is voor alternatieven voor lithium, aldus Unigrid-oprichter en CEO Darren Tan.

Een grootschalige NFPP-batterij van Peak Energy.

"We hebben thuis al wateropslag, we hebben voedselopslag. Ik denk dat het in de komende twee decennia heel goed denkbaar is dat iedereen energieopslag thuis heeft, zolang die opslag net zo betaalbaar, veilig en betrouwbaar is als een koelkast," zei hij. "Dit is een kans voor natrium-ion."

Peak Energy opent in 2027 een fabriek in Sacramento met een jaarlijkse productiecapaciteit van 4 GWh, waarin 3,1-MWh NFPP-systemen zullen worden gemaakt. Het bedrijf gebruikt momenteel geïmporteerde cellen, maar leidinggevenden zorgen nu al voor andere componenten, zei Brandon Kelly, hoofdwetenschapper bij Peak.

"Je kunt hard carbon, dus de anode, van bijna alles maken. Op dit moment gebruiken we kokosnoten. We gaan ook perzikpitten en andere willekeurige dingen gebruiken. Dat zorgt voor grappige gesprekken over de toeleveringsketen," zei hij. "Maar je kunt het maken van kolen, je kunt het maken van bijproducten van aardolie, dingen waar we hier in de VS goed in zijn. Ook al is het vandaag nog niet op schaal, het zal voor ons [in de Verenigde Staten] relatief tot lithium vrij eenvoudig zijn om te doen."

Amerikaanse bedrijven zouden deze productie-infrastructuur niet bouwen als er geen vraag was naar de nieuwe batterijtechnologie. Hoewel de huidige geïnstalleerde capaciteit vandaag nog laag kan zijn, vertelden vertegenwoordigers van elk bedrijf aan Solar Power World dat de sector aan het begin staat van iets groots.

"Vorig jaar werd er meer dan 3 GWh aan natrium geproduceerd," zei Kelly. "Veel mensen zien het als meer een laboratoriumtechnologie, maar in werkelijkheid gaat het om commerciële cellen die qua prestaties al voldoen in dat grote formaat dat je op gigawattuur-schaal kunt krijgen. Het is klaar voor primetime."