Знаете ли, че само за 15 минути слънцето изпраща на планетата ни толкова енергия, колкото потребяваме за цяла година. Дори и малката част от нея, която използваме, би била напълно достатъчна, ако можем да я съхраняваме за използване през нощта.

Електрохимическите батерии са едно от най-добрите решения на този проблем, но те имат и недостатъци, основният от които – използването на литий, сравнително рядък и скъп метал в най-разпространените засега литиево-йонни батерии, Li-NMC, съдържащи също никел, манган и кобалт.

Наскоро, почти едновременно, двата най-големи производителя на батерии в света, китайските CATL и BYD, представиха свои батерии, в които Li е заместен от Na, което открива примамливи хоризонти. От доста време се обсъждаха потенциалните възможности на Na, но едва напоследък технологията беше комерсиализирана.

CATL вече започна масово производство, а BYD даже ги поставя в базови версии на своите по-малки електромобили, и почти едновременно това направиха още няколко по-малки китайски фирми.

BYD току-що обяви, че започва изграждането на отделен завод само за натриево-йонни батерии с годишен капацитет 30 GWh, за сравнение – това е почти годишното енергийно потребление на България. Към този момент само в Китай са заявени намерения за строителство на още 20 завода за натриеви батерии.

Наближава ли краят на доминация на класическите литиево-йонни батерии? Възможно е, но надали ще се случи в близките няколко години, поне по отношение на електромобилите. Кой какво разполага в този двубой?

Свойства. В Периодичната таблица елементи Na е точно под Li, което означава, че имат сходни химически и физически свойства. Na е с по-голямо тегло и по-лоша електропроводимост, което предопределя и по-задната му стартова позиция в надпреварата за електрохимическите батерии. В нея Li води с 2-3 десетилетия разработки, които, обаче, също така дават шанс на Na бързо да намали дистанцията между тях.

Наличност. Li е 1,647 пъти по-рядък от Na, който със своите 2.8% е шестият най-срещан елемент в земната кора. Залежи на Li засега са намерени само на няколко места, докато Na е практически навсякъде около нас, както в земята, така и в океаните.

Добив. Li се добива по 2 основни способа:
– Чрез изкопаване в открит рудник с последващо раздробяване и обогатяване (Австралия, Канада и Китай);

– Чрез изпомпване на води, просмукали се през Li депозити с последващо тяхно изпаряване в басейни на повърхността (Южна Америка).
И двата начина изискват доста вода и носят рискове от замърсяване на околната среда.

От друга страна, добивът на Na е познат от хилядолетия както чрез открити и и подземни рудници за NaCl (готварска сол) и Na2CO3, така и чрез изпаряване на подземни солени води или морска вода (морска сол). Процесът на рафиниране е значително по-щадящ за околната среда.

Енергийна плътност
По-добрата електропроводимост и по-ниското тегло на Li водят и до по-висока енергийна плътност на батериите. Но днес натриево-йонните батерии предлагат плътност от 160 Вч/кг, която е сравнима със 180-те Вч на утвърдените вече LFP батерии, въпреки че е далеч от до 250-270-те Вч/кг на литиевите. Това означава, че 60 кВч натриево-йонна автомобилна батерия тежи 375 кг вместо 240 кг при литиева.

По-високото тегло засега им отрежда място повече при стационарното съхраняване на енергия и при електромобилите с по-малки батерии, но въпреки това те имат много преимущества, които ги правят сериозен конкурент и в целия EV сегмент.

Цена
Литиевият карбонат е основна суровина за производството на батерии. През 2022 цената му скочи до небесата поради рязко повишаващото се търсене, но през второто полугодие на 2023 се върна към по-нормални равнища под 20 хиляди долара за тон след като добивът се увеличи и стана ясно, че няма опасност от недостиг. NaOH (натриевият хидроксид), от друга страна, е многократно по-евтин, струвайки 1000 долара за тон и е наличен навсякъде.

През последните 10 години цените на литиевите батерии паднаха от 732 на 150 долара за кВч. CATL обяви, цена на натриевите от 77 долара за кВч, като прогнозира, че с нарастване на производството, очакват тя да падне до 40 долара. Това означава, че дори и сега 60 кВч натриева батерия струва под 5,000 долара, а домашна стационарна батерия от 10 кВч – под 1000.

Температурен диапазон
Литиевите батерии обичат умерени температури и са най-ефективни в диапазона 10-30 градуса. Техните натриеви конкуренти, обаче, нямат такива притеснения и запазват своите електрохимически свойства при температури от -40 до +80С.

Брой цикли на зареждане
При правилна употреба, литиевите батерии предоставят 3-4,000 цикъла на зареждане, преди капацитетът им да намалее с до 15-20%, което за 60 кВч батерия означава 600-800 хиляди км пробег. Натриевите отиват още по-далеч и предоставят 5,000 цикъла на зареждане, при това без да изискват зареждане предимно в диапазона 20-80% от капацитета им. Това съответно отрежда очакван пробег на 60 кВч батерия над 1 милион километра, което на практика надхвърля очаквания живот на автомобила.

Скорост на зареждане
Още едно предимство на натриевите батерии е по-високата скорост на зареждане в бързи правотокови станции поради по-добрата им устойчивост на високите температури. Те дават възможност за зареждане на батерията до 80% за само 15 минути.

Пожароустойчивост
В интернет може да се намерят „сензационни“ клипове, че електромобилите били пожароопасни. Вярно е, че при определени условия литиево-йонните батерии могат да се запалят, но същото важи и за всеки ДВГ, а статистически тези случаи са 10 до 20 пъти по-редки. Натриевите батерии, обаче, свеждат тази опасност до нула, тъй като те практически не горят.

Рециклиране
Има разработени 3 различни технологии за рециклиране до 90-95%: хидролиза, пиролиза и биоразграждане. Заводи вече има построени дори и в Европа и те с нетърпение очакват наплив на батерии, защото металите в тях са твърде ценни, за да бъдат просто изхвърлени. А натриевите батерии отиват още по-напред към кръговата икономика, защото не съдържат опасни метали и тяхното рециклиране ще е още по-лесно и евтино.

Въглероден отпечатък
Производството на Li батерии натоварва електричките в България с „багаж“ от около 130 кг емисии на СО2 за всеки кВч мощност. Този „дълг“ те изплащат през първите 70-80 хиляди км пробег, преди да започнат реално да спестяват СО2 в сравнение с ДВГ. Натриевите батерии започват със значително по-малък “дълг”, който изплащат с 30-50% по-бързо още през първата или втората година на експлоатация.

V2G (VehicletoGrid)
Едно от перспективните направления за повишаване ефективността на електромобилите е използването им при паркиране за връщане на ток в електрическата мрежа в пикови моменти чрез интелигентни мрежи за управление. Натриевите батерии са още по-подходящи за това, защото предлагат почти пълния си капацитет, значително по-голям брой цикли на зареждане и разреждане и по-ниска цена, което би позволило на участниците в такива мрежи да получават пасивен доход, докато техния автомобил стои паркиран. Или пък могат, да използват електромобилите си като домашни батерии, зареждайки на евтин ток или ФВ панели и разреждайки ги при високи цени на тока.

Обобщение
Батерийните технологии се развиват бурно, следвайки потребностите на бързо растящия пазар. Класическите Li-йонни батерии в последните десетилетия еволюираха сериозно, станаха по-мощни, по-евтини, по-надеждни и по-дълготрайни, но по петите ги преследват още по-нови технологии:

– LFP батериите, макар и с по-малък капацитет (180 Вч/кг) вече се утвърдиха като по-евтино и надеждно решение както за мобилни, така и за стационарни приложения и се произвеждат масово в десетки държави, като продължават да се подобряват с нови химически елементи (Fe, Mn, Al) с цел да се намали съдържанието на литий.

– На дневен ред дойдоха литиеви батерии със силициеви аноди по нанотехнологии с 2 пъти по-висока енергийна плътност (450 Вч/кг), предлагани вече от Amprius.

Къде е мястото на новите Na-йонни батерии:
– По-ниският им енергиен капацитет няма голямо значение при стационарните приложения и затова те вероятно ще заемат водещо място в промишлените и битови системи за съхранение на енергия заради по-ниската цена и по-висока надеждност. Този сегмент вероятно ще надмине и електромобилния, следвайки предвид бума на ВЕИ, чието по-нататъшно развитие е невъзможно без инсталиране на съответни мощности за съхраняване на енергия. В Китай сега се строи първият батериен парк с Na-йонни батерии с капацитет 10МВч и още 10-ина вече са заявени.

– Натриевите батерии ще намерят своето заслужено място и при електромобилите, защото дори и сега те са съвсем близко до вече утвърдените LFP батерии, 160 срещу 180 Вч/кг, а CATL са уверени, че в близко време би трябвало да могат да произвеждат натриеви батерии с капацитет 200 Вч/кг, което доскоро беше нормален капацитет за литиевите батерии.

– В момента вече се разработват също така и хибридни литиево-натриеви, които да оползотворят най-добрите свойства на двата метала.

Според мен пазарът на батерии постепенно ще се сегментира по-различни приложения. Класическите литиеви батерии ще продължат своя прогрес, но ще се прилагат преимуществено в сегменти, които изискват по-висока енергийна плътност дори и на по-висока цена – например спортни автомобили или такива с голям обсег, тежкотоварни камиони, авиация и електроника.

А натриевите батерии ще се позиционират като водещи в стационарните приложения и ще се конкурират с LFP батериите за базовите електромобили с батерии до 60-70 кВч, при които се изисква оптимално съотношение между надеждност и цена.

При всички положения технологиите ще продължат да се развиват с изпреварващи темпове и развитието на батериите ще надхвърли, както и досега, всякакви прогнози. А ние като потребители, ще им стискаме палци.

Ако тази статия ти е харесала, сподели я с твои близки, за които също би могла да е интересна. Или пък ги покани да се абонират за сайта https://eco-eco.bg/, или да станат членове на ФБ групата „ЕКО(логично), Икономично) или и двете“. Колкото повече хора около нас започнат да разбират, че екологичното е и икономично, толкова по-чиста и удобна ще става средата, в която всички живеем.