Литий-ионные батареи: от дебюта до критики
С момента появления в 1990-х годах литий-ионные батареи стали основным решением для «зеленых» технологий, таких как электромобили (EV), мобильные телефоны и ноутбуки. Благодаря высокой энергетической плотности, эффективности и способности хранить большое количество энергии в компактных и легких корпусах, они стали практически незаменимыми. Но ситуация меняется.
Экологические проблемы лития
С ростом потребления электромобилей важно учитывать все аспекты использования батарей: добычу, использование ресурсов, экологические вопросы и геополитическую реальность. Например, производство одной батареи для электромобиля приводит к выбросу более семи тонн CO₂-эквивалента. Согласно отчету McKinsey «В гонке за декарбонизацию батарей электромобилей», крупные литий-ионные батареи составляют 40-60% производственных выбросов электрокаров.
Хотя литий остается доступным ресурсом, его добыча представляет экологическую проблему. По данным Popular Mechanics, известные запасы лития позволяют произвести около 11 миллиардов электромобилей. Однако извлечение лития из Земли — задача более сложная. Инфраструктура, необходимая для добычи лития и других материалов, а также их переработки, требует значительных усилий. Это включает экологические последствия добычи таких ограниченных ресурсов, как литий, кобальт и никель, а также сложную переработку катодов, анодов и других компонентов батарей, что вызывает сомнения в «зелености» лития.
Южноамериканские «литиевые поля» демонстрируют темную сторону электрификации. В солончаке Атакама в Чили для добычи одной тонны лития требуется около 2,2 миллиона литров воды. Испарительные пруды для производства лития потребляют 21 миллион литров воды ежедневно, что лишает местные сообщества драгоценных водных ресурсов. По данным BBC, на добычу одной тонны лития требуется в 682 раза больше воды, чем на добычу одной тонны натрия.
Помимо экологических проблем, существуют также геополитические риски и проблемы глобальной производственной мощности, связанные с литий-ресурсами, особенно в Китае.
Преимущества натрий-ионных батарей
Разработка натрий-ионных батарей (SIB) пока отстает от литий-ионных. Однако интерес к ним растет. Натрий встречается в природе в 1000 раз чаще лития, а натрий-ионные батареи обладают высокой мощностью, быстрой зарядкой и устойчивостью к низким температурам.
Преимущества SIB:
- Натрий дешевле в добыче и очистке.
- SIB менее токсичны: они не содержат лития, кобальта, меди или никеля, которые выделяют токсичные газы при возгорании.
- SIB сочетают быструю зарядку, высокую мощность и стабильность при экстремальных температурах с более чем 50,000 циклами заряда-разряда.
- Для их производства можно использовать доступные поблизости материалы, поддерживая чистые цепочки поставок.
- SIB подходят для стационарных и мобильных применений.
- SIB уже коммерциализированы, и интерес к ним стремительно растет.
Однако натрий-ионные батареи имеют свои недостатки. Они обладают меньшей энергетической плотностью, чем литий-ионные, и при их производстве выделяется больше парниковых газов, если сравнивать батареи с одинаковым объемом энергии.
Подход Natron
Во втором квартале 2024 года компания Natron Energy объявила о запуске первого коммерческого производства натрий-ионных батарей в США на заводе в Голланде, штат Мичиган. Компания заявляет о более высокой плотности энергии, увеличенном числе циклов, локализованной цепочке поставок и уникальных характеристиках безопасности. Батареи Natron являются единственными на рынке, сертифицированными по стандарту UL.
Для достижения таких масштабов Natron инвестировала значительные средства в модернизацию завода стоимостью $300 миллионов, а также получила дополнительное финансирование в размере $19,8 миллионов от программы ARPA-E SCALEUP. Завод начал поставки батарей, ориентируясь на растущие потребности в хранении энергии для дата-центров на фоне увеличения использования искусственного интеллекта.
Natron также строит новый завод стоимостью $1,4 миллиарда в Северной Каролине, планируя производить 24 ГВт натрий-ионных батарей ежегодно. Этот проект увеличит текущие производственные мощности компании в 40 раз и создаст более 1000 рабочих мест. Компания использует запатентованные электроды на основе «берлинской лазури», обеспечивающие более быстрое хранение и передачу натрий-ионов при меньшем внутреннем сопротивлении.
Гонка началась
Натрий-ионные батареи стремительно набирают популярность. К 2022 году их энергетическая плотность достигла уровня низкокачественных литий-ионных батарей десятилетней давности.
Китайские компании и автопроизводители также анонсировали новые натрий-ионные батареи. JAC Motors показала прототип автомобиля с такими батареями, способного проехать 245 километров. Крупнейший китайский производитель батарей CATL также планирует выпустить натрий-ионные батареи, но не раскрыл сроки производства.
Литий-ионные батареи пока не исчезнут, однако натрий-ионные технологии продолжают развиваться благодаря улучшению сроков службы, новых материалов для электродов и электролитов. Проблемы, связанные с добычей и переработкой лития, усиливают потребность в альтернативных решениях для удовлетворения растущего спроса.