Sodno-iontové baterie, které minulý měsíc představila švédská skupina Northvolt, zcela vylučují potřebu kritických minerálů, jako je lithium. Toto je v současnosti jediná životaschopná chemie baterií, která neobsahuje lithium.
Sodík je jedním z nejhojnějších a geograficky nejrozšířenějších zdrojů na Zemi a nachází se v kamenných solích a solankách po celém světě. Je levnější a hojnější než lithium, takže je méně náchylné na problémy s dostupností zdrojů a na kolísání cen. To by také mohlo snížit závislost na Číně během přechodu na zelenou energii.
Northvoltova baterie má tvrdou uhlíkovou anodu a pruskou bílou katodu s vysokým obsahem sodíku. Pruská bílá se vyrábí ze snadno dostupných surovin, včetně sodíku a železa. Skupina Northvolt bude první, kdo uvede na trh baterii vyrobenou z těchto materiálů. Baterie je nákladově efektivnější a udržitelnější než běžné baterie vyrobené z niklu, manganu, kobaltu nebo fosforečnanu železa. Northvolt poznamenal, že nahrazení grafitu tvrdým uhlíkem sníží uhlíkovou stopu baterie. Jeho baterie má výrazně nižší uhlíkovou stopu — při 10–20 kg CO2 na kWh ve srovnání se 100-150 kg CO2 za kWh související se současnými srovnatelnými bateriemi.
Sodno-iontové baterie jsou také nehořlavé a vzhledem k tomu, že jsou při vyšších teplotách bezpečnější než alternativy, mohly by být obzvláště atraktivní pro skladování energie na trzích, jako je Indie, Střední východ a Afrika. Baterie Northvolt budou schopny odolat až trojnásobnému vystavení teplu než lithiové baterie.
Sodík je v zemské kůře hojný
Sodík-iontové baterie by mohly podstatně snížit závislost na Číně
Technologie baterií se rychle vyvíjí. Většina baterií elektrických vozidel (EV) je založena na lithium-iontových a jsou lehké, malé a ukládají velké množství energie. I když se složení baterií může lišit, obecně se spoléhají na stejnou sadu materiálů. Lithium-iontové baterie pro elektromobily jsou buď na bázi niklu – používají lithium nikl-mangan-kobaltový oxid (NMC) a nikl-kobalt-hlinitý oxid (NCA) nebo lithium-železo fosfát (LFP).
Rychlý nárůst prodeje elektrických vozidel během pandemie Covid-19 zhoršil obavy z dominance Číny v dodavatelských řetězcích lithiových baterií.
Dodavatelské řetězce elektromobilů se rozšiřují, ale pokud jde o výrobu, Čína zůstává klíčovým hráčem v obchodu s bateriemi a součástkami pro elektromobily.
Čína dominuje mnoha prvkům navazujícího dodavatelského řetězce baterií pro elektromobily, od zpracování materiálů až po konstrukci článků a součástí baterií. Zatímco Čína představovala v roce 15 pouze asi 2022 % celosvětové dodávky surovin lithia, přibližně 60 % rafinace kovu z baterií na speciální chemikálie pro baterie probíhá v Číně. Čína vyrábí tři čtvrtiny všech lithium-iontových baterií, což je výsledek brzkého tlaku Pekingu na elektrifikaci, zejména prostřednictvím dotování elektromobilů.
Northvolt, podporovaný společnostmi Volkswagen, BlackRock a Goldman Sachs, je jediným velkým evropským výrobcem domácích elektrických baterií.
Dominantní role Číny v dodavatelských řetězcích baterií s kovem, stejně jako omezení vývozu v jiných zemích, riskují zpomalení tempa zavádění elektromobilů.
V nedávném příkladu Čína zavedla omezení vývozu grafitu, materiálu volby pro anody lithium-iontových baterií. V lithium-iontových bateriích nelze grafit nahradit, protože pomáhá zlepšit elektrickou vodivost a působí jako hostitel pro ionty lithia. Katoda, druhá polovina baterie, je tvořena lithiem, niklem a kobaltem.
Výroba bateriových článků je soustředěna v Číně (2022)
Závislost na konkrétních dodavatelích není jediným problémem výrobců EV. Baterie tvoří velkou část celkových nákladů na elektromobil a obvykle tvoří 30 až 40 % jeho hodnoty. Tento podíl se zvyšuje s větší velikostí baterií.
Rostoucí poptávka po EV uprostřed zpřísňujících se dodavatelských řetězců také vytlačila ceny bateriových materiálů (včetně kobaltu a lithia) na víceletá maxima. To má dopad na ceny, což zase způsobuje, že spotřebitelé jsou s přechodem na elektrická vozidla váhavější.
Rostoucí ceny lithia také přiměly výrobce baterií, aby se podívali na alternativní technologie, včetně sodíkových iontů, aby uspokojili rostoucí poptávku po bateriích pro elektromobily. Náklady na suroviny jednoznačně zůstávají kritickým ukazatelem pro sektor baterií. Podle údajů společnosti S&P Global se uhličitan sodný již několik let obchoduje pod 200 USD za metrickou tunu, přičemž kapacita trvale překračuje celosvětovou poptávku o přibližně 10 milionů metrických tun ročně za poslední desetiletí. Sodík lze vyrobit i synteticky.
Northvolt poznamenává, že její sodno-iontové baterie by byly asi o čtvrtinu levnější než lithiové baterie používané při skladování energie. To znamená, že klesající ceny lithia nyní učinily levnější sodík méně atraktivní.
Uhličitan lithný, klíčová složka většiny baterií pro elektromobily, se mezi listopadem 2021 a listopadem 2022 zhruba ztrojnásobil, než ceny konečně začaly klesat. Ceny nyní klesly o více než 80 % od svého maxima v listopadu loňského roku – utlumený makroekonomický výhled, slabší poptávka a přebytek nabídky stlačily náklady na uhličitan lithný níže.
Ceny lithia nyní klesají poté, co vyletěly na rekordní maxima
Sodík-iontová technologie se bude nadále vyvíjet
Jednou z hlavních nevýhod sodíkových iontových baterií je jejich relativně nízká hustota energie – množství energie uložené v poměru k objemu baterie. Nižší hustota energie znamená objemnější a těžší baterie.
Nová baterie společnosti Northvolt má hustotu energie více než 160 watthodin na kilogram, což je hustota energie blízká typu lithiových baterií, které se obvykle používají při skladování energie, kde velikost nepředstavuje problém. Švédská skupina uvedla, že jejich baterie byla navržena pro zařízení na skladování elektřiny, ale v budoucnu by mohla být použita v elektrických vozidlech.
Vzhledem k tomu, že energetická hustota sodíkových iontových baterií stále roste, jejich podíl na trhu osobních elektromobilů bude růst.
Lithiové baterie používané v EV mají hustotu energie až 250-300 Wh na kg. Baterie používané pro skladování energie mají obvykle hustotu energie kolem 180 Wh na kg.
Northvolt’s také vyrábí automobilové lithium-iontové baterie ve své gigafactory ve Skellefteå ve Švédsku. Výrobní proces pro sodíko-iontové baterie, který by mohl využívat stejná výrobní místa a metody, by byl výhodou při rozšiřování výroby.
Potenciální úspěch sodíkových iontových baterií by závisel na tom, jak rychle by se výrobci baterií mohli rozšířit, aby komercializovali novou technologii a integrovali ji do současných výrobních procesů. Pohyby směrem k hromadné výrobě sodíkových iontových baterií jsou stále v plenkách.
Northvolt uvedl, že doufá, že v příštím roce poskytne zákazníkům první vzorky sodíkových iontových baterií a že do konce desetiletí dosáhne plné výroby.
Sektoru sodíkových iontových baterií v současnosti dominují čínské skupiny, přičemž CATL-Chery a BYD oznamují elektromobily poháněné sodíkovými iontovými bateriemi. Odhaduje se, že Čína měla k červnu 10 výrobní kapacitu 2023 GWh sodíkových iontových baterií. Podle EVTank se očekává, že země do konce roku 39.7 dosáhne provozní kapacity 2023 GWh.
CATL, největší světový výrobce baterií, používá ve svých sodíkových iontových bateriích oxidy obsahující kovy, jako je nikl, kobalt nebo mangan – díky tomu jsou tyto baterie dražší než baterie vyvinuté společností Northvolt.
Očekáváme další oznámení od výrobců automobilů, protože pokračují ve zvyšování kapacity a technologie sodíkových iontů se neustále zlepšuje.
Diverzifikace v chemii baterií bude při posunu elektromobilů klíčová
Když se podíváme do budoucna, můžeme očekávat, že se bude více automobilů vyrábět pomocí sodíkových iontových baterií, jak se výroba rozrůstá, formují se dodavatelské řetězce a vyvíjejí se technologie ke zlepšení hustoty energie.
Očekáváme, že nižší náklady, zlepšená bezpečnost a výhody dodavatelského řetězce sodíkových iontových baterií oproti lithium-iontovým bateriím budou i nadále posouvat jejich technologii směrem k hromadné výrobě.
Ačkoli neočekáváme, že by sodíko-iontové baterie v krátkodobém až střednědobém horizontu předstihly lithium-iontové, mají sodíkové baterie potenciál doplnit ty na bázi lithia, snížit závislost na jediném materiálu a zmírnit některé tlaky. o lithiových a bateriových materiálových dodavatelských řetězcích. To vše by mělo urychlit přechod na zelenou energii.
Pokud by sodno-iontové baterie mohly získat určitý podíl na trhu z lithium-iontových baterií, pak by to mohlo pomoci snížit tlak na dodávky kritických minerálů, potenciálně za mnohem nižší cenu. Při pohledu do budoucna věříme, že to bude diverzifikace chemie baterií EV, která bude klíčová pro jakýkoli úspěšný přechod na EV.
Od chytrých telefonů po elektrická vozidla, baterie jednou rukou napájejí některé z nejpůsobivějších technologií v našich životech. A i když baterie samy o sobě nepředstavují žádnou novou technologii, lithium-iontový (Li-on), který napájí většinu našich zařízení, se začal prosazovat teprve před několika málo desetiletími. Ale stejně jako se svět posunul k obnovitelným a udržitelným zdrojům energie, jako je vítr a slunce, v posledních letech se objevily podobné průlomy v alternativách lithium-iontových baterií.
V tomto článku se tedy pojďme rychle podívat na alternativy lithium-iontových baterií na obzoru. Nejprve si ale shrňme, jak fungují moderní baterie a mnoho problémů, které tuto technologii sužují.
Jak funguje lithium-iontová baterie?
Lily Katz / Android Authority
Než prozkoumáme, jak fungují konkurenční technologie, stojí za to znovu se podívat na základy dobíjecí lithium-iontové baterie a proč nejsou v dnešním světě zrovna ideální.
Každá baterie se skládá z katody (kladná elektroda), anody (záporná elektroda) a elektrolytového média. Když vybijete nabitou Li-on baterii, kladně nabité ionty lithia se přesunou z anody na katodu. To také spustí tok elektronů, které lze použít k napájení elektronických zařízení. A když nabíjíte Li-on baterii, stejný proces probíhá obráceně.
Celkově získáte cyklus, který umožňuje nabití a vybití Li-on baterie stokrát. To ale neznamená, že technologie je dokonalá.
Proč je Li-on tak problematický?
Li-on baterie mají řadu nedostatků, které ovlivnily vše od výroby iPhonu až po životaschopnost elektromobilů. Některé z těchto problémů zahrnují:
- Bezpečnost: Lithium je vysoce reaktivní a hořlavý kov. Li-on baterii je třeba udržovat při určité teplotě a v podmínkách, které neumožňují přebíjení nebo zkraty. Pokud se tak nestane, mají tyto baterie tendenci se vznítit nebo dokonce explodovat v důsledku řetězové reakce známé jako tepelný únik.
- Nedostatek: Lithium je klíčovou součástí Li-on baterií, ale na naší planetě ho máme jen omezené množství. Většina zásob lithia se navíc nachází daleko od výrobních center.
- udržitelnost: Li-on baterie vyžadují ekologicky destruktivní postupy těžby kovů, jako je lithium, kobalt a nikl. Kromě toho se velké množství těchto zdrojů kovů nachází v rozvojových zemích, jako je Demokratická republika Kongo. V těchto oblastech ještě nebyly zavedeny etické postupy těžby, což znamená, že výroba Li-on významně přispívá k emisím skleníkových plynů.
- Trvanlivost: Možná už víte, že baterie smartphonu nevydrží věčně. Většina výrobců garantuje výkon baterie pouze na přibližně 800 až 1,000 XNUMX nabíjecích cyklů. To je zhruba jedno nabití každý den po dobu tří let. Je to proto, že Li-on baterie mají tendenci časem degradovat. Různá chemická a fyzikální namáhání snižují množství lithiových iontů dostupných v takových bateriích a snižují jejich schopnost udržet náboj.
Špičkové alternativy lithium-iontových baterií
Vzhledem ke všem výše uvedeným problémům by nemělo být žádným překvapením, že prakticky všechny velké technologické společnosti se snaží najít alternativní technologie baterií. Zatímco mnoho z těchto snah je stále v plenkách, hrstka může během příštího desetiletí pohánět elektrická vozidla nové generace a další spotřební elektroniku. Takže aniž byste ztráceli čas, zde je rychlý seznam nejlepších lithium-iontových alternativ a jak vylepšují stávající technologii baterií.
Sodium-iontové baterie
Začněme s technologií baterií, která se příliš nevzdaluje od základní linie Li-on, kterou známe.
Sodík-iontové baterie jednoduše nahrazují lithiové ionty jako nosiče náboje sodíkem. Tato jediná změna má velký dopad na výrobu baterií, protože sodík je mnohem hojnější než lithium. Ve skutečnosti můžete použít sůl z oceánů k extrakci sodíku téměř kdekoli na světě. To by také mohlo snížit náklady na výrobu baterií, protože se již nemusíte starat o skladování a přepravu potenciálně nebezpečného materiálu, jako je lithium.
Sodík-iontové baterie však také nejsou dokonalé. Jejich ionty jsou fyzicky větší než lithium, což znamená nižší hustotu energie. V reálném světě to může mít za následek nižší dojezd pro elektromobily a kratší dobu provozu pro chytré telefony. Přesto si další výhody sodíkových iontových baterií zaslouží další výzkum technologie.
Lithium-sirné baterie
Lithium-iontová baterie používá na anodě kobalt, jehož zdroj se ukázal jako obtížný. Lithium-sírové (Li-S) baterie by mohly tento problém vyřešit použitím síry jako katodového materiálu. Kromě nahrazení kobaltu nabízejí Li-S baterie několik výhod, a to vyšší hustotu energie a nižší výrobní náklady.
Největší problém lithium-sírových baterií se v současnosti týká jejich rychlé degradace. Takže i když jsme již v roce 2008 viděli letadlo na solární pohon používat Li-S baterii, stále čekáme na pokračující výzkum, abychom tuto technologii učinili životaschopnou pro každodenní elektroniku.
Pevné baterie
Lithium-iontové baterie používají tekuté elektrolytické médium, které umožňuje iontům pohyb mezi elektrodami. Elektrolyt je obvykle organická sloučenina, která se může vznítit, když se baterie přehřeje nebo přebije. Aby se toto riziko snížilo, vědci vymysleli alternativu v podobě polovodičových baterií. Používají pevný anorganický elektrolyt, který dokáže udržet drsná prostředí a divoké výkyvy teplot.
Kromě nižšího rizika vznícení mohou polovodičové baterie také pojmout více energie ve srovnání s jejich Li-on protějšky. Větší vodivost pevného elektrolytu by také měla vést k rychlejším dobám nabíjení, což znamená, že bychom měli vidět lepší kapacitu a rychlost nabíjení ze zařízení, která přecházejí na tuto technologii.
Doposud jsme byli svědky toho, že výrobci elektrických vozidel projevují velký zájem o polovodičové baterie. Honda například uvedla, že tuto technologii předvede již v roce 2024. Toyota mezitím zvolila konzervativnější přístup a plánuje odhalit komerční polovodičové baterie po roce 2027.
Vodíkové palivové články
Palivová nádrž Toyota Mirai
Vodíkové palivové články se sice ne úplně podobají dobíjecím Li-on bateriím, ale staly se oblíbenou alternativou k dodávání čisté energie. Zahrnuje kombinování uloženého plynného vodíku s kyslíkem ve vzduchu za účelem výroby elektřiny a vodní páry. Jinými slovy, vedlejší produkt reakce je zcela šetrný k životnímu prostředí.
Stále však existuje několik nevýhod vodíkových palivových článků. Například v automobilovém průmyslu potřebujete vybudovat síť vodíkových čerpacích stanic. Postavit vodíkové palivové články je také poměrně drahé, takže i když máme auta jako Toyota Mirai, jen několik regionů na světě má infrastrukturu pro palivo do vodíkové nádrže.
Vodné hořčíkové baterie
V dalším pokusu učinit dobíjecí baterie méně nebezpečnými a škodlivými vědci navrhli použití iontů hořčíku jako nosičů náboje. To má několik výhod, počínaje bohatou dostupností hořčíku a vyšším iontovým nábojem ve srovnání s lithiem. To druhé znamená, že ze stejně velké buňky získáte vyšší hustotu energie. Nakonec tyto baterie také používají vodný elektrolyt (vodu) místo hořlavé organické kapaliny.
I když to slibujeme, stále jsme v rané fázi výzkumu. Technologie čelí několika omezením, která jí brání v brzké době sloužit jako alternativa lithium-iontové baterie. Například stávající katodové materiály, které pracují s lithiem, nelze použít pro hořčík. A použití vodného elektrolytu uzavře maximální napětí baterie, protože voda se při vyšším napětí rozpadá.
Grafenové baterie
Grafen je jedna vrstva atomů uhlíku, uspořádaná do šestiúhelníkové mřížky nebo struktury podobné voštinám. List grafenu je tak tenký, že je prakticky považován za dvourozměrnou strukturu. Tato jedinečná vlastnost se dobře hodí pro výrobu baterií, protože má také vynikající elektrickou vodivost, nízkou hmotnost a silnou fyzickou strukturu. V roce 2021 oznámila čínská automobilka GAC průlom v technologii grafenových baterií a dosáhla 80% nabití za pouhých osm minut.
Viděli jsme spoustu bzučení kolem grafenu jako alternativy lithium-iontových baterií, ale komerční produkty jsou prozatím neživotaschopné. Jeho cena je možná největším důvodem, proč jej průmysl ještě nepřijal. Při více než 60,000 XNUMX USD za metrickou tunu se grafen v současnosti používá pouze ve velmi malých množstvích. Ford například používá stopová množství materiálu v motorech a palivových systémech ke snížení hluku a odolnosti vůči teplu.
Nejčastější dotazy
Jsou lithium-iontové baterie škodlivé pro životní prostředí?
Ano, lithium-iontové baterie jsou v současnosti vyráběny ekologicky neudržitelným způsobem kvůli neetické těžbě, nízké míře recyklace a dalším faktorům.
Jak dlouho vydrží lithium-iontové baterie?
Lithium-iontové baterie obvykle vydrží půl desetiletí nebo 800–1,000 XNUMX nabíjecích cyklů, po kterých si můžete všimnout výrazného snížení výkonu.
Jsou lithium-iontové baterie bezpečné?
Ano, moderní lithium-iontové baterie jsou relativně bezpečné, pokud je nepropíchnete a neuchováte je v bezpečných provozních teplotách.
Lze lithium-iontové baterie recyklovat?
Ano, lithium-iontové baterie obsahují cenné kovy, jako je kobalt a nikl, které lze získat během recyklace. Je však třeba s nimi správně zacházet, takže na jejich recyklaci je vynaloženo jen velmi málo úsilí.
