Литий сегодня – бесспорный властелин мира аккумуляторов. Он является ключевым компонентом батарей, питающих наши смартфоны, электромобили и системы накопления энергии в энергосетях.
Однако растущая напряженность в цепочках поставок аккумуляторов заставляет ученых искать способы снизить зависимость от самых дорогих и труднодоступных компонентов. Уже существуют разработки, сокращающие потребность в кобальте и никеле, но до сих пор никто не мог по-настоящему свергнуть литий с пьедестала.
В последние месяцы китайские автопроизводители и компании, занятые производством батарей, начали открыто заявлять о переходе к совершенно новой химии аккумуляторов, где литий заменяется натрием. Эти натрий-ионные батареи потенциально могут существенно снизить стоимость как стационарных накопителей, так и электромобилей, при условии, что технология оправдает столь высокие ожидания.
Еще в марте китайский автоконцерн JAC Motors опубликовал снимки автомобиля ярко-салатового цвета, который позиционировался как первый в мире транспорт с натрий-ионными батареями. Этот компактный автомобиль был оснащен батареей емкостью 25 кВт⋅ч от компании HiNa Battery. В пресс-релизе заявлялась дальность хода до 250 километров (155 миль). В апреле крупнейший в Китае производитель аккумуляторных батарей CATL объявил о разработке натрий-ионного аккумулятора, который планируется использовать в автомобиле от Chery. При этом ни одна из четырех упомянутых компаний не предоставила запрашиваемые комментарии.
Энди Лич, аналитик по системам накопления энергии в BNEF, отмечает: «Они делают весьма интересных заявления, но при этом не хватает множества деталей». Ни CATL, ни HiNa не обнародовали сроки запуска производства или подробные характеристики производительности, не раскрыли даже конкретный тип натрий-ионных батарей, который они планируют использовать. По мнению Лича, эта таинственность вполне объяснима для таких гигантов: «Они склонны держать свои карты при себе». Однако это оставляет вопросы о реальной готовности натрий-ионных аккумуляторов для массового применения в транспорте.
Натриевые батареи не являются чем-то абсолютно новым, но их широкому внедрению ранее мешали технические недостатки. Ширли Менг, исследователь в области аккумуляторов из Чикагского университета и Аргоннской национальной лаборатории, указывает, что натрий-ионные аккумуляторы традиционно быстро деградировали, а их удельная плотность энергии все еще ниже, чем у литий-ионных аналогов.
Это означает, что для запасания того же объема энергии натриевая батарея должна быть больше и тяжелее эквивалентной литиевой. Для электромобилей это оборачивается меньшим запасом хода при том же размере батарейного блока.
Более тяжелый, но, потенциально, более дешевый аккумулятор может быть предпочтительнее в определенных сценариях, например, для небольших электромобилей с ограниченным запасом хода, распространенных в Китае. Заявленный JAC запас хода сопоставим с Wuling Hongguang Mini – одним из самых популярных электрокаров в КНР, дальность хода версии Long Range которого достигает 280 км на одном заряде.
Более легкой нишей для натрий-ионных батарей могут стать стационарные накопители энергии – например, системы резервного питания для дома или бизнеса, а также оборудование для общей энергосети. Некоторые компании, такие как американская Natron, разрабатывают эту химию специально для стационарных применений, где вес и габариты не имеют такого критического значения, как в движущемся автомобиле.
По словам Ширли Менг, натрий-ионные батареи разрабатывались на протяжении полувека, и их характеристики постоянно улучшались, причем особенно заметный скачок произошел за последние десять лет. Исследователи решили ранние проблемы с долговечностью, частично найдя более совместимые электролиты (жидкость, которая обеспечивает перенос заряда внутри элемента) для электродных материалов в натрий-ионных ячейках. Ученые также разработали лучшие электродные материалы для повышения плотности энергии.
Но главная причина внезапного взлета популярности натрия кроется в том, что литиевые рудники и перерабатывающие заводы просто не справляются с резко возросшим спросом на батареи для электромобилей.
Миру не грозит нехватка сырья для электромобилей или инфраструктуры возобновляемой энергетики в обозримом будущем. Оценочные запасы показывают, что в земной коре достаточно лития для миллиардов электромобилей. Однако создание необходимой инфраструктуры для добычи лития и его подготовки для использования в батареях представляет собой серьезную проблему. В большинстве стран строительство нового рудника может занять почти десятилетие.
Спрос на литий взлетел из-за растущего интереса к электромобилям, на долю которых в 2022 году приходилось около 13% мировых продаж. Этот рост цен повлек за собой резкое удорожание: цена на лития карбонат, используемый в батареях, утроилась с ноября 2021 по ноябрь 2022 года, прежде чем начала постепенно снижаться.
Волатильность цен на литий и неуклонно растущий спрос открыли «окно возможностей» для других химических составов, говорит Менг, добавляя: «Я думаю, натрий рассматривается как хорошая альтернатива для снятия этого давления». В отличие от лития, натрий можно производить из легкодоступного сырья: соли. Благодаря дешевизне и широкой доступности исходных материалов, натрий-ионные батареи потенциально могут стать значительно дешевле литий-ионных, если больше компаний начнут их массово производить.
Однако, если рыночные условия открыли дверь для литиевых альтернатив, они же могут ее и захлопнуть. Судьба натрий-ионных батарей, по словам Джея Уиттакра, исследователя из Университета Карнеги-Меллона и бывшего основателя компании Aquion (занимавшейся натрий-ионными решениями), скорее всего, будет «прямо связана со стоимостью лития».
Если натрий-ионные батареи выходят на рынок за счет цены и доступности материалов, то снижение цен на литий может поставить их в сложное положение. Запуск новых типов батарей и их полномасштабное производство — это уже само по себе непростая задача. Но еще сложнее конкурировать с постоянно совершенствующимися и дешевеющими литий-ионными технологиями, говорит Уиттакра.
Сам натрий может появиться в батареях электромобилей в Китае уже к концу этого года, но вряд ли эта технология полностью вытеснит литий. Скорее всего, мир аккумуляторов продолжит развиваться по пути диверсификации, предлагая больше вариантов для разных сфер применения. Как выразился Уиттакра, в аккумуляторном рынке существуют «ниши и уголки», и натрий-ионные батареи, наконец, могут занять свое место среди них.
