Baterie oparte na sodzie nie są nowością na rynku magazynowania energii, ale zainteresowanie tą technologią zaczęło gwałtownie rosnąć na początku lat 2020., gdy branża szukała alternatyw dla litu. W tym okresie ceny litu mocno wzrosły, a ponieważ większość globalnego rafinowania litu koncentruje się w Chinach, rządy i producenci na całym świecie zaczęli dążyć do dywersyfikacji chemii akumulatorowej. Sód jest szóstym najpowszechniejszym pierwiastkiem na Ziemi, a baterie sodowo-jonowe działają i mogą być wytwarzane w sposób podobny do konwencjonalnych konstrukcji litowych, co czyni ich wdrożenie prostszym niż w przypadku innych zaawansowanych technologii, takich jak baterie przepływowe. Jednak podobnie jak istnieje wiele chemii litowych, różne typy baterii sodowych lepiej sprawdzają się w określonych zastosowaniach.

Czym jest bateria sodowa?

Baterie oparte na sodzie wykorzystują obfity sód do wytwarzania nietoksycznej energii. Nie są łatwopalne ani wybuchowe — pod warunkiem, że do chemii nie zostaną dodane inne reaktywne materiały — i mogą pracować w szerokim zakresie temperatur. Ogniwa baterii sodowych można także całkowicie rozładować do zera bez uszkodzenia systemu.

Podczas ładowania jony sodu przemieszczają się z katody do anody, a podczas rozładowywania wracają z anody do katody. Proces produkcyjny bardzo przypomina wytwarzanie baterii litowych: katoda i anoda są pokrywane zawiesiną, worek ogniwa jest wypełniany elektrolitami, a następnie moduł jest uszczelniany. Producenci ogniw sodowych przyjmują formy zbliżone do ogniw litowych, aby ułatwić wdrażanie.

Istotna różnica dotyczy konstrukcji kolektora prądowego. Baterie sodowe zwykle wykorzystują wyłącznie aluminium, podczas gdy baterie litowe używają zarówno aluminium, jak i miedzi. Oparcie się tylko na aluminium teoretycznie daje bateriom sodowym przewagę kosztową. Ponadto, ponieważ baterie sodowe pracują w szerokim zakresie temperatur i mają minimalne ryzyko pożaru, nie wymagają systemów ogrzewania, chłodzenia i tłumienia pożaru stosowanych w litowych systemach magazynowania energii (BESS). Dzięki temu wielkoskalowe systemy magazynowania energii oparte na sodzie mają znacznie mniejszy fizyczny ślad niż ich odpowiedniki litowe. W przypadku stacjonarnego magazynowania na skalę sieciową, gdzie masa i objętość są mniej istotne niż w pojazdach elektrycznych, niższa gęstość energii sodu w porównaniu z litem stanowi mniejszą wadę.

Jakie są różne typy baterii sodowych?

Istnieje kilka odmian baterii sodowych, ale trzy najczęściej spotykane to NFM, NCO i NFPP.

Sodium Nickel Iron Manganese (NFM) jest najczęściej porównywana do lithium cobalt oxide (LCO) i znajduje zastosowanie w lekkiej mobilności, takiej jak skutery i e-rowery. Podobnie jak baterie LCO stosowane w urządzeniach przenośnych, takich jak telefony, baterie NFM mogą stanowić zagrożenie i ulec zapłonowi. Nie są odpowiednie do zastosowań wielkoskalowych.

Sodium Chromium Oxide (NCO) jest często porównywana do lithium nickel manganese cobalt (NMC). NCO oferuje wysoką gęstość energii, ale stosunkowo krótką żywotność cykliczną. Te warstwowe baterie tlenkowe metali mogą wejść w niekontrolowany wzrost temperatury i podczas spalania wydzielać tlen, choć prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest znacznie niższe niż w przypadku baterii litowych.

Sodium Iron-Phosphate Pyrophosphate (NFPP) jest zazwyczaj porównywana do lithium iron phosphate (LFP). Baterie NFPP zapewniają lepszą żywotność cykliczną i odporność termiczną przy niemal zerowym ryzyku pożaru. Amerykański producent Alsym dodaje do swojej konstrukcji NFPP+ niepalny elektrolit, aby dodatkowo wyeliminować ryzyko pożaru. W porównaniu z LFP konstrukcje NFPP mają niższą gęstość energii, ale wymagają mniejszej infrastruktury HVAC i mniejszej liczby dodatków do systemu BESS.

Gdzie są produkowane i instalowane baterie sodowe?

Jak w przypadku niemal każdego produktu bateryjnego, obecnie produkcję dominuje Chiny. Produkcję baterii sodowych można stosunkowo łatwo wdrożyć w istniejącej linii LFP, a wiele uznanych chińskich marek litowych już przestawiło nieaktywne lub nadwyżkowe linie w swoich zakładach na produkcję konstrukcji sodowych.

W Stanach Zjednoczonych prowadzi się obecnie kilka projektów badawczo-rozwojowych w zakresie baterii sodowo-jonowych. Obfita baza chemiczna tej technologii oraz brak materiałów krytycznych oznaczają, że USA mogłyby szybko przenieść produkcję systemów magazynowania energii sodowo-jonowej na krajowy grunt. Federalne zachęty w ramach ustawy Inflation Reduction Act z 2022 roku, obejmujące ulgi podatkowe dla krajowo wytwarzanych ogniw bateryjnych oraz pozyskiwania minerałów krytycznych, dodatkowo zachęciły do inwestycji w chemie inne niż litowe, ograniczające zależność od importowanych surowców.

Boston-based Alsym rozwija konstrukcje ogniw NFPP, a duży deweloper magazynów energii ESS recently announced że w swojej nadchodzącej premierze baterii sodowo-jonowej wykorzysta technologię Alsym.

"Our first launch is going to be with NFPP because that's a good technology. It follows the same characteristics that ESS has followed since its birth — no risk of fires and it's safe," said Randy Selesky, ESS chief commercial officer.

Wyodrębniona z UC San Diego spółka Unigrid rozwija ogniwa NCO i announced a partnership z producentem Syntropic Power w celu wytwarzania baterii sodowo-jonowych w Stanach Zjednoczonych. Obie firmy celują w rynek mieszkaniowy, ponieważ jest on gotowy na alternatywy dla litu, powiedział współzałożyciel i prezes Unigrid Darren Tan.

"We already have water storage at home, we have food storage. I think it's very conceivable in the next two decades that everyone may have energy storage at home, as long as the energy storage is as affordable, as safe and as reliable as a refrigerator," Tan said. "This is an opportunity for sodium-ion."

Peak Energy plans to open zakład w Sacramento w 2027 roku o rocznej zdolności produkcyjnej 4 GWh, który będzie wytwarzał systemy NFPP o pojemności 3.1-MWh. Firma obecnie korzysta z importowanych ogniw, ale kierownictwo już zabezpiecza inne komponenty, powiedział główny naukowiec Peak Brandon Kelly.

"You can make hard carbon, which is the anode, from almost anything. Right now, we use coconuts. We're going to do some peach pits and other random stuff. It makes for funny supply chain conversations," Kelly said. "But you can make it out of coal, you can make it out of petroleum byproducts, which are things we're good at here in the States. Even though it's not something that is scaled today, it's something that will be quite easy for us to do [in the United States] relative to lithium."

Amerykańskie firmy nie budowałyby infrastruktury produkcyjnej bez popytu na nową technologię baterii. Chociaż obecna zainstalowana moc pozostaje dziś niska, każdy przedstawiciel firmy powiedział Solar Power World, że branża stoi na początku czegoś dużego. Szerszy rynek stacjonarnego magazynowania energii w skali sieci rośnie wraz ze wzrostem wdrażania energii odnawialnej i poszukiwaniem przez operatorów dłuższych rozwiązań do równoważenia niestabilnej generacji.

"Last year, there was over 3 GWh of sodium produced," Kelly said. "There's a lot of people that feel it's more of a lab technology, but the reality is it's commercial-quality cells that already hit on their performance in that large format that you can get at the gigawatt-hour scale. It's ready for prime time."