Натрий-основанные аккумуляторы не являются новинкой на рынке хранения энергии, но интерес к этой технологии начал быстро расти в начале 2020-х годов, когда отрасль стала искать альтернативы литию. В тот период цены на литий резко выросли, а поскольку большая часть мировой переработки лития сосредоточена в Китае, правительства и производители по всему миру стали стремиться диверсифицировать химии аккумуляторов. Натрий — шестой по распространенности элемент на Земле, а натрий-ионные аккумуляторы работают и могут производиться схожим с традиционными литиевыми конструкциями образом, поэтому их внедрение проходит проще, чем у других передовых технологий, таких как flow batteries. Однако, как и у литиевых аккумуляторов, у натриевых решений есть разные химии, более подходящие для определенных сценариев применения.

Что такое натриевый аккумулятор?

Натрий-основанные аккумуляторы используют широко доступный натрий для выработки нетоксичной энергии. Они не являются горючими или взрывоопасными — при условии, что в химию не добавляются другие реактивные материалы — и могут работать в широком диапазоне температур. Ячейки натриевых аккумуляторов также можно полностью разряжать до нуля без повреждения системы.

При зарядке ионы натрия перемещаются от катода к аноду, а при разряде — обратно от анода к катоду. Производственный процесс во многом повторяет выпуск литиевых аккумуляторов: катод и анод покрываются суспензией, ячейка заполняется электролитом, после чего модуль герметизируется. Производители натриевых ячеек также переходят на форм-факторы, похожие на литиевые, чтобы упростить внедрение.

Ключевое отличие заключается в конструкции токосъемников. В натриевых аккумуляторах обычно используется только алюминий, тогда как в литиевых — алюминий и медь. Использование только алюминия теоретически делает натриевые аккумуляторы более дешевыми. Кроме того, из-за широкого температурного диапазона работы и низкого риска возгорания натриевым аккумуляторам не требуются системы подогрева, охлаждения и пожаротушения, характерные для литиевых battery energy storage systems (BESS). Это позволяет крупномасштабным натриевым системам хранения занимать значительно меньшую площадь, чем литиевые аналоги. Для стационарных сетевых систем хранения, где масса и объем менее критичны, чем в электромобилях, более низкая энергетическая плотность натрия по сравнению с литием является меньшим недостатком.

Какие бывают типы натриевых аккумуляторов?

Существует несколько разновидностей натриевых аккумуляторов, но три наиболее распространенные — NFM, NCO и NFPP.

Sodium Nickel Iron Manganese (NFM) чаще всего сравнивают с lithium cobalt oxide (LCO), и его можно встретить в легких средствах электрической мобильности, таких как самокаты и e-bikes. Как и LCO-аккумуляторы, используемые в портативной электронике, например в телефонах, NFM-аккумуляторы могут быть опасны и возгораться. Они не подходят для крупномасштабных применений.

Sodium Chromium Oxide (NCO) часто сравнивают с lithium nickel manganese cobalt (NMC). NCO отличается высокой энергетической плотностью, но относительно небольшим сроком циклической службы. Эти аккумуляторы на основе слоистых оксидов металлов могут переходить в тепловой разгон и выделять кислород при горении, хотя вероятность этого значительно ниже, чем у литиевых аккумуляторов.

Sodium Iron-Phosphate Pyrophosphate (NFPP) обычно сравнивают с lithium iron phosphate (LFP). Такие аккумуляторы обеспечивают лучшую циклическую долговечность и термостойкость, а риск возгорания у них практически отсутствует. Американский производитель Alsym добавляет негорючий электролит в свою конструкцию NFPP+, чтобы еще больше снизить риск пожара. По сравнению с LFP, решения NFPP имеют более низкую энергетическую плотность, но требуют меньше HVAC-инфраструктуры и других дополнительных компонентов BESS.

Где производят и устанавливают натриевые аккумуляторы?

Как и в случае практически любой аккумуляторной продукции, сегодня производство в основном доминирует Китай. Производство натриевых аккумуляторов можно относительно легко встроить в существующие линии LFP, и многие уже устоявшиеся китайские литиевые бренды перевели простаивающие или избыточные мощности на своих заводах на выпуск натриевых решений.

В США ведется несколько R&D-проектов по натрий-ионным технологиям. Широкая сырьевая база химии и отсутствие критических материалов означают, что США могут быстро локализовать производство натрий-ионных систем хранения энергии. Федеральные стимулы в рамках 2022 Inflation Reduction Act, включая налоговые льготы для аккумуляторных ячеек, произведенных внутри страны, и для поставок критических минералов, дополнительно стимулировали инвестиции в не-литиевые химии, снижающие зависимость от импортных материалов.

Базирующаяся в Бостоне Alsym разрабатывает конструкции ячеек NFPP, а разработчик крупномасштабных систем хранения энергии ESS недавно объявила, что будет использовать технологию Alsym в своем предстоящем запуске натрий-ионного аккумулятора.

"Наш первый запуск будет с NFPP, потому что это хорошая технология. Она соответствует тем же характеристикам, которых ESS придерживается с момента основания — без риска пожара и безопасна", — сказал Randy Selesky, chief commercial officer ESS.

Выделившаяся из UC San Diego компания Unigrid разрабатывает ячейки NCO и объявила о партнерстве с производителем Syntropic Power для выпуска натрий-ионных аккумуляторов в США. По словам сооснователя и CEO Unigrid Darren Tan, две компании ориентируются на жилой сегмент, потому что он уже готов к альтернативам литиевым решениям.

Большой NFPP-аккумулятор от Peak Energy.

"У нас дома уже есть системы хранения воды, у нас есть хранение продуктов. Я думаю, вполне возможно, что в ближайшие два десятилетия у каждого дома появится система хранения энергии, если только она будет такой же доступной, безопасной и надежной, как холодильник", — сказал он. "Это возможность для натрий-ионных технологий".

Peak Energy откроет в Sacramento в 2027 году предприятие с годовой производственной мощностью 4 GWh, которое будет выпускать системы NFPP мощностью 3.1-MWh. Сейчас компания использует импортные ячейки, но руководство уже обеспечивает поставки других компонентов, сказал главный научный сотрудник Peak Brandon Kelly.

"Из почти чего угодно можно сделать hard carbon, который является анодом. Сейчас мы используем кокосы. Мы собираемся попробовать косточки персиков и другие случайные материалы. Это вызывает забавные разговоры о цепочках поставок", — сказал он. "Но его можно делать из угля, можно делать из побочных продуктов нефти — это то, в чем мы сильны здесь, в США. Хотя сегодня это еще не масштабировано, для нас [в США] это будет довольно легко сделать по сравнению с литием".

Американские компании не стали бы строить производственную инфраструктуру без спроса на новую технологию аккумуляторов. Хотя текущая установленная мощность сегодня остается низкой, каждый представитель компаний сказал Solar Power World, что отрасль находится в начале чего-то крупного.

"В прошлом году было произведено более 3 GWh натрия", — сказал Kelly. "Многие считают, что это скорее лабораторная технология, но на самом деле это коммерческие ячейки, которые уже подтвердили свои характеристики в крупном формате, доступном на уровне gigawatt-hour scale. Это готово к широкому применению".