Al sinds het grootste deel van het afgelopen decennium worden perovskieten gepresenteerd als de toekomst van zonnecellen, maar de commercialisering verloopt traag en slechts enkele fabrikanten zijn bereid om pilotlijnen te testen. In energieopslag beweegt een andere technologie juist de tegenovergestelde richting op: zodra natrium-ionontwerpen werden voorgesteld als alternatieven voor lithiumbatterijen, begonnen fabrikanten productie op te zetten en orders veilig te stellen.

“Het is leuk geweest,” zei Randy Selesky, chief commercial officer bij ESS Inc. “Ik zit al lang in deze markt en ik heb de markt nog niet zo snel echt op iets zien inhaken.”

Voor een markt die ooit het best werd geïllustreerd door loodzuurbatterijen voor off-grid gebruik, wordt de huidige wereldwijde energieopslagindustrie gedomineerd door lithium, exclusief pumped hydro-opslag, en die markt groeit snel doordat nutsbedrijven batterijen inzetten om zonne- en windproductie overdag te verschuiven naar de piekuren in de avond. Binnen het aandeel van lithium is lithium-ijzerfosfaat (LFP) de meest toegepaste chemie geworden in netgekoppelde en residentiële toepassingen, goed voor 80% van alle nieuwe batterijopslag wereldwijd in 2023 — een chemie die in de jaren 1990 voor het eerst werd ontwikkeld aan de University of Texas at Austin, voordat de productie in China opschaalde. Hoewel lithiumbatterijen de expansie van de sector hebben versneld, blijven sommige eigenschappen beperkend.

Hoewel LFP-batterijen veel veiliger zijn en minder gevoelig voor thermal runaway dan eerdere lithiumchemieën, kunnen sommige toepassingen hun geringe brandrisico nog steeds niet accepteren. Lithiumbatterijen presteren bovendien het best binnen een smal temperatuurbereik, en de extra stroom die nodig is om koelmachines en ventilatoren te laten draaien kan projecten in bepaalde regio’s onrendabel maken. Daarnaast wordt de lithiumtoeleveringsketen gedomineerd door China, wat het moeilijk maakt om een volledig binnenlandse toeleveringsketen voor energieopslag op te bouwen.

Natrium-ion is geen nieuwe uitvinding. De chemie werd al in de jaren 1980 in onderzoekslaboratoria bestudeerd, voordat het commerciële succes van lithium-ion het naar de achtergrond duwde, en het bleef grotendeels stil totdat CATL, ’s werelds grootste batterijproducent, in 2021 zijn eerste generatie natrium-ioncel onthulde. Sindsdien zijn natrium-ionpakketten in serieproductie gekomen in kleine elektrische stadsauto’s die in China worden verkocht, waaronder modellen van automaker JAC.

Natrium-ion biedt een alternatief. Gemaakt van natrium — een niet-toxisch element dat tot de meest voorkomende in de aardkorst behoort en een belangrijk bestanddeel is van gewoon keukenzout — kunnen natriumbatterijen op vergelijkbare wijze als lithiumbatterijen worden geproduceerd, met cellen, modules en eindsystemen van dezelfde afmetingen. Ze werken ook over een breed temperatuurbereik, van -40°F tot 140°F zonder prestatieverlies, waardoor HVAC-systemen overbodig worden. En omdat ze geen kritieke mineralen vereisen, zou natriumbatterijproductie in theorie kunnen plaatsvinden in de Verenigde Staten, Europa, Australië of elders.

Eerder dit jaar schatte Morgan Stanley Research dat natrium-ionbatterijen in 2027 een marktaandeel van 2% zouden hebben op basis van uitrol, waarna dat zou stijgen naar 20% in 2030 en 37% in 2035. Twee chemieën — sodium chromium oxide (NCO) en sodium iron-phosphate pyrophosphate (NFPP) — lijken de markt het volgende decennium in te leiden. NCO biedt een hogere energiedichtheid, terwijl NFPP goedkoper te produceren is, maar beide kunnen dienen als alternatief voor lithium, zei Darren Tan, medeoprichter en CEO van natriumcelontwikkelaar Unigrid. Natrium-ioncellen slaan doorgaans minder energie op per gewichtseenheid dan lithiumchemieën, een beperking die vooral relevant is in elektrische voertuigen en het minst in stationaire opslag, waar omvang en gewicht minder nadelen hebben — een van de redenen waarom netgekoppelde systemen de eerste grote focus van de technologie zijn.

“Nieuwe technologieën openen altijd nieuwe markten of nieuwe toepassingen,” zei Tan. “Wanneer we klanten tegenkomen die LFP al gebruiken voor hun toepassingen, zeggen we dat ze het uitstekend doen en daarmee moeten doorgaan, tenzij ze te maken hebben met uitdagingen zoals onvoldoende vermogen of onvoldoende veiligheid, een te korte levensduur, of dat ze in de kou of extreme hitte moeten draaien. Dan stappen wij in om die problemen op te lossen.”

De natrium-ionmarkt krijgt vorm

De belofte van natrium-iontechnologie heeft spelers uit alle hoeken van de energieopslagmarkt aangetrokken. Flowbatterijpionier ESS heeft interesse getoond en zal volgend jaar zijn eerste natriumontwerp op netwerkschaal uitbrengen. Selesky zei dat de stap naar natrium geen afscheid is van flowbatterijen voor lange duur, maar simpelweg een aanvulling op de lithiumalternatieven van het bedrijf.

“Lithium is nog steeds 95% van de markt, in die range van twee tot acht uur. Dit is het eerste product dat we hebben gezien dat rechtstreeks kan concurreren met de traditionele toepassingen van lithium-ion,” zei hij. “We zagen dit als een kans om 95% van de markt aan te pakken, waarbij we onze 14 jaar [ervaring] in installatie, integratie en doorlopende onderhoudsondersteuning benutten.”

Selesky zei dat ESS zijn R&D zal verschuiven naar een flowbatterij met een ontladingstijd van 16 tot 48 uur, omdat er nog steeds volop kansen zijn waar energieopslag over lange duur noodzakelijk is.

“We zien dit als een perfecte gelegenheid om iron-flow opnieuw in te stellen,” zei hij. “Bij lange duur creëer je een markt en die markt wordt nog steeds gecreëerd. [Samenwerken met natrium] geeft ons de kans om mee te draaien op het vliegwiel en echt product te gaan uitstoten.”

ESS zal NFPP-cellen van startup Alsym gebruiken in zijn 1,2-MWh AC-energieopslagsysteem. Alsym, een in Boston gevestigde ontwikkelaar van natrium-ioncellen, produceert een kleine hoeveelheid product aan de oostkust, en ESS zal de cellen in zijn productielocatie in Oregon assembleren tot het “Bridge”-energieopslagsysteem.

“[NFPP] heeft dezelfde kenmerken die ESS vanaf het begin heeft gevolgd — geen brandrisico en veilig,” zei Selesky. “Onze eerste lancering is in 2027, en daarna doen we een tweede lancering, die de dichtheid verhoogt, eind 2028. Zo snel beweegt deze technologie. Ik kan al zien wat er nu in R&D zit en over drie jaar naar buiten komt.”

Het tempo van de ontwikkeling is zo hoog dat Peak Energy, een bedrijf dat in 2023 werd opgericht, al bezig is met de opbouw van productie op multi-gigawattuur-schaal. Het bedrijf ligt op koers om tegen medio 2027 te beginnen met de levering van zijn in Sacramento vervaardigde GS1-opslagsysteem.

Brandon Kelly, chief scientist bij Peak Energy, zei dat de snelle opkomst van het bedrijf onderdeel was van het oorspronkelijke plan.

“De aanpak van Peak is om snel tot een product te komen, niet om 10 jaar in een lab te ontwikkelen en dan een product te lanceren en vervolgens naar een markt te zoeken,” zei hij. “Er is een sterke marktvraag, en er is een technologie waarbij de basischemie een veel beter product mogelijk maakt om aan die vraag te voldoen — van het product zelf, de toeleveringsketen en de energiezekerheid hier in de Verenigde Staten.”

De GS1 is een NFPP-systeem van 3,1-MWh, een chemie die Kelly omschreef als “een perfecte match voor opslag op netwerkschaal.” Het belangrijkste verkoopargument van Peak Energy is de passieve koeling van natriumbatterijen, waardoor koelmachines en ventilatoren uit het ontwerp verdwijnen.

“[Met koelmachines] heb je bewegende onderdelen, koelmiddel, koelvloeistof, filters, ventilatoren, enorm veel lawaai. Het is geweldig dat we dat kunnen doen, en ik ben blij dat het veel mogelijk maakt. Maar dat zijn technische omwegen die we voor lithium moeten toepassen om de toepassing te laten werken,” zei hij. “Omdat deze versie van natrium-ion beter tegen temperatuur kan, kunnen we hem gewoon heter laten worden en toch de levensduur halen. Zelfs in ons passieve systeem zitten we nog op 85% health state na 20 jaar. Lithium-ion, zelfs met vloeistofkoeling, zit rond 65%. En met natrium heb je geen bewegende onderdelen, waardoor de onderhoudsbehoefte sterk daalt. Het is prachtige eenvoud, mogelijk gemaakt tot op het niveau van de chemie.”

Ruimte voor residentiële toepassingen

Hoewel de meeste aandacht in de energieopslagmarkt uitgaat naar systemen op netwerkschaal, kan ook de residentiële markt profiteren van natriumontwerpen.

Unigrid, een R&D-bedrijf voor natrium-ioncellen dat voortkomt uit de University of California San Diego, ontwikkelt de technologie al sinds het begin van dit decennium. Het bedrijf kondigde onlangs een samenwerking aan met fabrikant Syntropic Power om NCO-batterijen in de Verenigde Staten te maken.

“Het voldoet aan alle eisen. Het heeft een geweldige cyclische levensduur, uitstekende veiligheid, groot vermogen en lage kosten,” zei Tan over de NCO-chemie. “Het enige nadeel is dat het niet beschikbaar is in China, dus je kunt het niet zomaar van de markt kopen. We werken met foundries om dit nieuwe productieproces te ontwikkelen. Dat het niet beschikbaar is, betekent ook dat wij de enige leverancier zullen zijn, en dat is een van onze belangrijkste voordelen.”

Unigrid test een NCO-batterij. Credit: Unigrid

De productie van natrium-ionbatterijen lijkt zo sterk op die van lithiumbatterijen dat veel grote lithiumspelers — BYD, CATL en Hithium — bestaande productielijnen snel aanpassen voor natriumontwerpen. Maar dat betekent ook dat zij zich meer richten op opschaling van natriumopslag op netwerkschaal, waar NFPP-chemieën vaak de voorkeur hebben. Omdat Unigrid zich richt op NCO-chemie, zei Tan dat het bedrijf de minder drukke markt voor residentiële opslag opzoekt.

“In China bestaat een residentiële markt eigenlijk niet, dus de grote Chinese spelers domineren die ruimte niet. Dat is ook de reden waarom residentiële batterijen historisch onbetaalbaar zijn,” zei hij. “Je hebt batterijen op nutsbedrijfschaal die vechten om centen op de dollar, en dan heb je [residentiële batterijen] die nog steeds $10,000 en hoger kosten. We zagen dat dit voor ons een kans was om in te stappen en de status quo te veranderen. Natrium-ion is een reset.”

Unigrid ontwikkelde een prototype voor een residentiële batterij, de 9.25-kWh Na+Casa, die kan presteren bij extreme temperaturen zonder externe koelapparatuur en een levensduur van 10,000+ cycli heeft bij 100% depth of discharge. De capaciteitsclassificatie van 9.25-kWh werd bepaald door de huidige brandvoorschriften van de National Fire Protection Association, die nog niet zijn meegegroeid met de ontwikkeling van natrium-ion. Natriumbatterijen vallen nog steeds onder de categorie “all others” in plaats van lood, lithium of flow, en zijn beperkt tot 10 kWh.

De capaciteit van 9.25-kWh per eenheid is mogelijk lager dan de 15-kWh lithiummodellen die vandaag op de residentiële markt verkrijgbaar zijn, maar Tan zei dat natriumbatterijen op andere gebieden uitblinken en nog steeds overwogen moeten worden.

“In tegenstelling tot lithium-ion, waar een groot deel van je kosten uit lithium en de kritieke materialen bestaat, is het bij natrium-ion juist omgekeerd,” zei Tan. “De grondstoffen voor natrium-ion zijn extreem goedkoop, en het grootste deel [van je kosten] zit in productie. Dat betekent dat het potentieel om de kosten van natrium-ion te verlagen veel groter is. Vandaag is het nog steeds duurder dan lithium-ion, maar ik verwacht dat het in de komende vijf tot 10 jaar zeer scherp zal dalen.”

Bedrijven in natriumbatterijen zijn hun beloftes misschien al aan het waarmaken, maar binnenkort kunnen ze de energieopslagmarkt misschien echt gaan domineren.