נתרן-יון לעומת סוללות במצב מוצק שיחליפו ליתיום-יון

עליית האנרגיה המתחדשת (RE) והגידול המהיר של כלי רכב חשמליים העלו את הציפיות לתעשיית אחסון האנרגיה - כולל יעילות גבוהה יותר, בטיחות רבה יותר, עלייה בצפיפות האנרגיה, ובאופן אידיאלי, עלויות נמוכות יותר. סוללות נתרן-יון ומצב מוצק שואפות להציע פתרונות אלטרנטיביים. לכל אחד מהם יתרונות משלו ויכולים להחליף טכנולוגיות אחסון ליתיום-יון קיימות בשנים הקרובות.

במאמר זה אנו בוחנים מדוע סוללות ליתיום -יון עשויות להיות בסיכון להיכנס לשליל - גם אם הסיכון הזה עדיין נראה מינימלי כיום. אנו מתמקדים בשתי טכנולוגיות מתעוררות עם הפוטנציאל החזק ביותר לשלוט בעתיד אחסון האנרגיה: סוללות נתרן-יון וסוללות במצב מוצק.

סוללות ליתיום-יון חולשות כיום על תחום אחסון האנרגיה וצפויות לשמור על מיקום זה בטווח הבינוני. ממכשירים ניידים וכלה בפרויקטים של אנרגיה מתחדשת בקנה מידה גדול +, טכנולוגיית ליתיום-יון מובילה את הדרך בכל המגמות העיקריות.

על פי דו"ח שפורסם לאחרונה, שוק חומרי הסוללות של ליתיום-יון מתרחב במהירות בגלל הביקוש ההולך וגובר בין תעשיות מרובות. צפוי לצמוח מ -41.9 מיליארד דולר בשנת 2024 ליותר מ 120 מיליארד דולר עד 2029, עם קצב צמיחה שנתי מורכב (CAGR) של כ 23.6%.

כיום, שוק סוללות ליתיום-יון מובלים על ידי שחקנים מרכזיים כמו טסלה, Panasonic, LG Chem, Catl ו- BYD. ראוי לציין כי שתי החברות הסיניות האחרונות התקדמו משמעותית בשנתיים האחרונות.

בעוד עליית הרכבים החשמליים היא נהג עיקרי לצמיחה זו,אחסון אנרגיה נייחהשוק צפוי לייצר ביקוש גדול עוד יותר בשנים הבאות.

ידוע כי סוללות ליתיום-יון מסתמכות מאוד על מינרלים קריטיים כמו ליתיום, ולעתים קרובות גם קובלט וניקל. אילוצי האספקה ​​הובילו לתנודתיות משמעותית במחירים. לדוגמה, עלות ליתיום קרבונט בדרגה סוללה נעה מסביבות 5.8 דולר לקילוגרם לגובה 80 דולר בשנים האחרונות. תנודתיות ומחסור זה הניעו את עלות סוללות הליתיום-יון והציבו סיכון אספקה ​​לטווח הארוך.

נושא דחוף אחד הוא היעדר שרשרת אספקת ליתיום חזקה בשווקים מרכזיים מחוץ לסין. לדוגמה, כ- 77% מהגרפיט המשמש בסוללות ליתיום-יון מקור בסין. זה מדגיש את התלות הכבדה באספקה ​​הסינית בעידן של מתחים סחר עולמיים ומדגיש את חשיבות פיזור האספקה.

סיכוני בטיחות, כגון שריפות סוללה ברכבים חשמליים הנגרמים כתוצאה מבריחה תרמית, מוסיפים שכבה נוספת של דאגה.

גורמים אלה סוללים את הדרך לדור חדש של טכנולוגיות לאחסון אנרגיה. בעוד שחברות מחוץ לסין מחפשות באופן פעיל אלטרנטיבות שאינן מסתמכות על ליתיום, מנהיגי השוק הסיניים מודעים גם לכך שהדומיננטיות שלהם יכולה להיות בסיכון. למעשה, רבים מהם כבר עברו במהירות לפיתוח נתרן-יון ופיתוח סוללות במצב מוצק כדי להבטיח שהם ייקראו לפני העקומה.

סוללות במצב מוצק (SSB) מחליפות את האלקטרוליטים הנוזלים המשמשים בסוללות ליתיום-יון באלקטרוליטים מוצקים-כמו קרמיקה, זכוכית או פולימרים מוצקים. על ידי ביטול האנודה הגרפיט המגושמת ושימוש בחומרים מוצקים צפופים, SSBs יכולים לאחסן אנרגיה משמעותית יותר באותו נפח, מה שעלול להרחיב את טווח הרכבים החשמליים (EVS) בשוליים רחבים.

כמה שחקני עיקריות בתעשייה כבר הכירו בפוטנציאל הטרנספורמטיבי של טכנולוגיה זו. לדוגמה, בשנת 2024 חשפה Quantumscape את הסוללה של האב-טיפוס של מצב מוצק (QSE -5) עם צפיפות אנרגיה של 844 WH/L-גבוהה משמעותית מהסוללות 300–700 WH/L האופייניות לסוללות ליתיום-יון מסחריות. החברה מתכננת לספק את תאי השכבה המסחריים הראשונים שלה 100+ (QSE -5) בשנת 2025. צפיפות אנרגיה זו היא בערך פי 1.5 מזה של תאי הליתיום-יון הטובים ביותר, מה שעלול לתרגם לעלייה של 20-50% בטווח הנסיעה ללא הגדלת גודל הסוללה או המשקל.

ענקית הסוללות של סין, CATL (עכשווי אמפרקס טכנולוגיה בע"מ), הגדילה באופן משמעותי את השקעתו בפיתוח SSB, והרחיבה את צוות המו"פ הייעודי שלה ליותר מ -1, 000. CATL מכוון לייצור בקנה מידה קטן של סוללות מדינות מוצקות עד שנת 2027.

טויוטה הודיעה על ציר זמן מסחור עבור EV של נוסעים המצוידים בסוללות במצב מוצק בין 2027 ל 2028. החברה טוענת כי חידוש זה עשוי להגביר את טווח הנהיגה בעד 20%. בשנת 2023 סיפקה כוח מוצק של BMW עם תאי מדגם A לשימוש בתוכנית רכב ההדגמה שלה. מנהיגים גדולים אחרים בתעשייה - כולל פולקסווגן, יונדאי, ניסאן, ב.מ.וו וטויוטה - ביצעו גם השקעות אסטרטגיות במרחב הסוללה של מצב מוצק.

מעבר לטווח מוגבר, סוללות במצב מוצק מדגימות גם יכולות לטענה מהירה מעולה. הודות ליציבות תרמית מעולה ומוליכות יונית, SSBs יכולים לתמוך בשיעורי טעינה מהירים במיוחד מבלי לפגוע בתאים. טויוטה, למשל, צופה כי טכנולוגיית הסוללות של המצב המוצק שלה תאפשר לטעון טווח של 300 ק"מ תוך 15 דקות בלבד-פי שניים עד שלוש מהר יותר ממהירות הטעינה המהירה הנוכחית של מרבית ה- EV של ליתיום-יון, שלוקח בדרך כלל כ- 30 דקות לטעינה מ- 10% ל- 80%.

השימוש באלקטרוליטים מוצקים, שאינם דליקים, מבטל את אחד מסיכוני הבטיחות העיקריים של תאי סוללה מסורתיים. אלקטרוליטים קרמיקה או זכוכית מוצקה אינם עולים באש ויכולים לפעול על פני טווח טמפרטורות רחב יותר. הם גם נשארים יציבים במתחים גבוהים יותר, ומאפשרים שימוש בחומרים קתודיים בעלי קיבולת גבוהה ודיכוי צמיחת ליתיום דנדריט - ובכך משפרות הן את חיי המחזור והן את הבטיחות.

בנוסף, SSBS עשוי להיות קל יותר למחזור בגלל העיצוב הפשוט יותר שלהם - ללא צורך בתערובות ממס מורכבות וקלסר - ולהימנע משימוש בתוספים ודבקים בעייתיים.

עם כל כך הרבה יתרונות, אפשר להניח שסוללות במצב מוצק יחליפו בקלות ובמהירות סוללות ליתיום-יון. עם זאת, אם לא בשבילהעלות הגבוהה שלהם, SSBS אולי כבר השתלטו.

העלות נותרה המחסום המשמעותי ביותר לאימוץ נרחב. קבוצת BMW, למשל, הכירה באתגר זה. בעוד שהחברה צפויה לחשוף רכב אב-טיפוס המצויד בסוללות במצב מוצק בהמשך השנה, היא הצהירה כי השקה מסחרית של רכבים חשמליים המונעים על ידי SSB אינה סבירה בעשור הבא.

יצרנית הסוללות הסינית Sunwoda העריכה כי סוללות במצב מוצק יכולות לעלות מסביב275 דולר לקוט"ש, בערך בשווה עם סוללות במצב מוצק למחצה. עם זאת, בגללעלויות עיבוד חומריות גבוהותוכןתשואות ייצור נמוכותהעלות בפועל יכולה להיות גבוהה משמעותית בפועל.

עד להתייחסות לאתגרים אלה - במיוחד בקנה מידה של הייצור והפחתת עלויות החומרים - סביר להניח שהסוללות במצב מוצק יישארו בקטע המוקדם או הפרימיום של השוק, במקום להשיג פריסה מסחרית רחבה.

לשם השוואה, נכון לדצמבר 2024, המחיר הממוצע של חבילות סוללות ליתיום-יון בסין ירד ל94 דולר לקוט"שו המחירים בארה"ב ובאירופה נשארים30% עד 50% גבוה יותר, אבל עדיין באופן משמעותינמוך יותר מאלו של סוללות במצב מוצק.

בְּתוֹר שֶׁכַזֶה,העלות נותרה צוואר בקבוק גדולעל כך שתומכים בטכנולוגיית סוללות במצב מוצק חייבים להתגבר על מנת לשבש באמת את שוק אחסון האנרגיה. בעניין זה,סוללות נתרן-יון וליתיום-יון נמצאות רחוק קדימהשל סוללות במצב מוצק.

אתגרים קריטיים אחרים כולליםגודל הייצורבמיוחד בייצור המוני של אלקטרוליטים קרמייםוה-הרכבה אמינהשל תאים במצב מוצק. ניהולממשק בין אלקטרוליטים מוצקים ואלקטרודותהוא גם דאגה, מכיוון שהוא יכול לגרום להתנגדות ממשקית גבוהה או לפיצוח על מחזורי פריקה מרובים-שניהם מפריעים למסחור בקנה מידה מלא.

יתר על כן, להבטיחעמידות בתנאי לחץ בעולם האמיתי, כמו רטט, תנודות טמפרטורה וטעינה מהירה, נותר אחד המכשולים הטכניים הדוחקים ביותר.

סוללות במצב מוצק משתפרות בטכנולוגיית ליתיום-יון על ידי שינוי האלקטרוליט והגברת צפיפות האנרגיה, אך עלותן הגבוהה נותר אתגר מרכזי. לעומת זאת, סוללות נתרן-יון (Na-ion) מתמודדות עם הנושא ההפוך. על ידי ניסיון להחליף את האלמנטים המשמשים בסוללות ליתיום-יון בחומרים נפוצים יותר, עלות סוללות נתרן-יון עשויה לרדת משמעותית, אך הן עומדות בפני אתגרים מבחינת צפיפות האנרגיה.

סוללות נתרן -יון פועלות באותה צורה כמו סוללות ליתיום -יון - מעבורת יוני בין הקתודה לאנודה - אך הן משתמשים ביוני נתרן במקום ביוני ליתיום. משמרת זו משנה הכל, מה-קלות מקור חומרי גלםאלכדאיות- שזה אחד הגורמים העיקריים שיקבעו את טכנולוגיית הסוללה המיינסטרים העתידית.

העלות הנמוכה של סוללות נתרן-יון פירושה שעד שנת 2030 הם יחשבופחות מ -10% מסוללות הרכב החשמלי, אבל חלקם באחסון אנרגיההיישומים צפויים לעלות משמעותית. סוללות נתרן-יון משתמשותחומרים זולים יותרואינם דורשים ליתיום, מה שאומר שעלויות הייצור שלהם יכולות להיותנמוך ב -30% מזה של פוספט ברזל ליתיום (LFP)סוללות.

הערעור הגדול ביותר של טכנולוגיית נתרן-יון טמון ביכולתה למנףחומרים שופעים וזוליםכדי להחליף יותר נדירים. עתודות נתרן בקרום כדור הארץ הן1, 000 גדול יותרמאלו של ליתיום. ניתן אפילו לחלץ נתרן בזול ממי ים בלתי נדלים יחסית.

הודות לחידושים בתחום, סוללות נתרן-יון (Na-ion) בדרגה מסחרית השיגו כעת צפיפות אנרגיה של סביב130-160 wh/kg, וזה בערךשני שלישיםזה של סוללות ליתיום-יון NMC טיפוסי (ניקל מנגן קובלט). עם זאת, הם כבר הגיעו או אפילו עלו על צפיפות האנרגיה שלסוללות עופרת-חומצה, ומתקרבים לזו שלליתיום ברזל פוספט (LFP)סוללות.

מומחים טוענים כי הדור הבא של סוללות נתרן-יון ישיגמעל 200 וואט/ק"ג, עלול לעלות על גבול צפיפות האנרגיה התיאורטית שלסוללות LFPו אורך החיים האופייני של סוללות נתרן-יון נע ביןמחזורים 100 עד 1, 000, והמפתח ההודי KPIT טוען שהסוללות שלו מתחזקותשימור קיבולת של 80% לאחר 6, 000 מחזורים, בהשוואה לביצועי סוללת ליתיום-יון.

גם סוללות נתרן-יון מצטיינותביצועים וביצועי טמפרטורה נמוכהו כמה עיצובים מסוגליםבערך 1 קילוואט/ק"ג צפיפות כוחהעולה בהרבה על זה שלסוללות ליתיום-יון NMC או LFPו בנוסף, סוללות נתרן-יון מציגותהשפלה של ביצועים מינימלייםבטמפרטורות נמוכות כמו-20 תוארואילו סוללות ליתיום-יון נאבקות לשמור על מטען או לטעון ביעילות במהירות בתנאים קרים כאלה.

סוללות נתרן-יון יכולות להיותמשוחרר לחלוטין ל- 0 vמבלי לגרום נזק, מה שהופך אותם לבטוחים ביותר עבורהובלה ואחסוןו בגלל ייצור החום התחתון והשימוש בחומרים שאינם דליקים בעיצובים רבים, סוללות נתרן-יון מדגימות גם כןיציבות תרמית מעולהו למעשה,סיכון אששל חבילות סוללות נתרן-יון צפויות להיותנמוך משמעותיתמזה של חבילות סוללות ליתיום-יון, משפרבְּטִיחוּתביישומים כמו כלי רכב חשמליים ואחסון רשת.

תכונות אלה הופכות את סוללות נתרן-יון לאופציה אטרקטיבית, אפילו עבור מנהיגי סוללות ליתיום-יון בסין. בשנה שעברה, תחנת אחסון האנרגיה של סוללות נתרן-יון רחבות היקף הגדולות בסין החלה בפעילות-אמתקן אחסון סוללות נתרן-יון של 10 מגה וואט, חלק מפרויקט של 100 מגה וואט. מתקן זה, שנבנה על ידי רשת הכוח הדרומית של סין, משתמש210 תאי נתרן-יוןויש לו כמה נתונים מרשימים: הסוללה יכולה להיותטעון ב 90% תוך 12 דקות בלבד.

ענק ייצור סוללות גלובליעכשווי אמפרקס טכנולוגיה ושות 'מוגבלת (CATL)ברור להוט לחקור את הפוטנציאל של סוללות נתרן-יון. למשל, הוא משלב סוללות נתרן-יון בתוכותשתית ומוצרים של סוללות ליתיום-יוןו החברה חשפה כי ב2023, יצרנית רכב סיניתצ'ריהפכה לחברה הראשונה שהשתמשת בסוללות נתרן-יון של קטל.

בינואר 2024, יצרנית הרכב הגדולה ביותר במרכז אסיה ואחד מספקי הסוללות הגדולים ביותר,BYD, הוכרז מתכנן לבנות א1.4 מיליארד דולרמפעל סוללות נתרן-יון עם יכולת ייצור שנתית של30 ג'יגה -וואט.

חברות אירופאיות בוחנות גם טכנולוגיה זו. יצרנית הסוללות המפושטת כעתNorthvoltהושק א160 וואט/ק"ג סוללת נתרן-יוןבנובמבר 2023, שאומת לביצועים. בבריטניה,פאראדיוןהיה חלוץ בטכנולוגיית סוללות נתרן-יון כבר למעלה מעשור. נרכש על ידי הודותעשיות הסתמכותבשנת 2021 פיתח פארדיון אסוללה של 160 וואט/ק"גוכעת הוא מגלגל גרסה משופרת שמתהדרתצפיפות אנרגיה גבוהה יותר של 20%וכןחיי מחזור ארוכים יותר של 30%ו Reliance Industries הודיעה גם על תוכניות לבנות אמפעל סוללות נתרן-יון רב-GWHבהודו, עם הייצור עשוי להתחיל2025.

התפתחויות אלה מצביעות מאוד על כך שסוללות נתרן-יון אמורות להפוך לטכנולוגיה המסוגלת לאתגר את הדומיננטיות של סוללות ליתיום-יון.

בזמן טכנולוגיות סוללות מתפתחות -סוללות נתרן-יוןוכןסוללות במצב מוצק- הראה פוטנציאל מבטיח, קשה לחזות מי ישלט בסופו של דבר. בהתחשב ביתרונותיהם בהתאמה, שתי הטכנולוגיות עשויות למלא תפקידים מכריעים בקידוםאנרגיה נקייהוכןתחבורה נקייהבְּעָתִיד.

אם עלויות הסוללה במצב מוצק יורדות - עלול לרדת מהזרם$ 150+/kwhלסוללות ליתיום-יון לסביבות$ 80- $ 100/kWh- סוללות במצב מוצק יכולות לשלוט במגזרים בעלי ביצועים גבוהיםכמו רכבים חשמליים, בעשור הבא. זהו תרחיש מתקבל על הדעת. THEסוכנות אנרגיה בינלאומית (IEA)מחזיק מבט אופטימי עלעלויות סוללות במצב מוצק פוסט -2030, הדגשה כי טכנולוגיית מצב מוצק עשויה להשיג כדאיות מסחרית.

מצד שני, סוללות נתרן-יון הן יותרעלות תחרותית, מה שהופך אותם למתאימים היטבאחסון רשתוכןשווקים מתעוררים, והם צפויים להשיג הצלחה במהירות רבה יותר. תומכים רבים דוחפים לבנייתפרויקטים בקנה מידה גדולבשלב הבאשנתיים עד שלוש שניםו בשנת 2024,שוק אחסון אנרגיה סוללות (BESS)גדל על ידי44%, עם קיבולת המותקנת וכמות הפריקה שמגיעים69 GW/161 GWHו ראוי לציין, על ידי2030, סוללות צפויות לנהוג90% מצמיחת האחסוןלהיפגשיעדים נטו-אפס.

כתוצאה מכך, מגוון טכנולוגיות סוללות יופיעו בעתיד, עםמצב מוצקוכןסוללות נתרן-יוןעשוי להוביל את הדרך.