Estat de sodi i bateries d'estat sòlid que substituiran el liti-ion

L’augment de l’energia renovable (RE) i el ràpid creixement dels vehicles elèctrics han augmentat les expectatives per a la indústria d’emmagatzematge d’energia, incloent una major eficiència, una major seguretat, una major densitat d’energia i, idealment, menors costos. Les bateries d’ions de sodi i d’estat sòlid tenen com a objectiu oferir solucions alternatives. Cadascun té els seus propis avantatges i podria substituir les tecnologies d’emmagatzematge d’ions de liti existents en els propers anys.

En aquest article, explorem per què les bateries d’ions de liti poden estar en risc de ser eliminades, fins i tot si aquest risc encara sembla mínim avui en dia. Ens centrem en dues tecnologies emergents amb el potencial més fort per dominar el futur de l’emmagatzematge d’energia: bateries d’ions de sodi i bateries d’estat sòlid.

Les bateries d’ions de liti dominen actualment el sector d’emmagatzematge d’energia i s’espera que mantinguin aquesta posició a mitjà termini. Des de dispositius portàtils fins a projectes d’energia renovable a gran escala + emmagatzematge, la tecnologia d’ions de liti lidera totes les tendències principals.

Segons un informe recent, el mercat de materials de bateries d’ions de liti s’està expandint ràpidament a causa de la creixent demanda a diverses indústries. Es preveu que passi de 41.900 milions de dòlars el 2024 a més de 120 mil milions de dòlars el 2029, amb una taxa de creixement anual composta (CAGR) d’aproximadament el 23,6%.

Avui, el mercat de bateries d’ions de liti està dirigit per jugadors principals com Tesla, Panasonic, LG Chem, Catl i BYD. En particular, les dues últimes empreses xineses han fet progressos importants durant els darrers dos anys.

Si bé l’augment dels vehicles elèctrics és un dels principals motors d’aquest creixement, elEmmagatzematge energètic estacionariEs preveu que el mercat generi una demanda encara més gran durant els propers anys.

És ben sabut que les bateries d’ions de liti es basen molt en minerals crítics com el liti, i sovint també el cobalt i el níquel. Les restriccions de subministrament han comportat una volatilitat important dels preus. Per exemple, el cost del carbonat de liti de grau de bateria ha fluctuat des de 5,8 USD per quilogram fins a 80 USD en els darrers anys. Aquesta volatilitat i escassetat han augmentat el cost de les bateries d’ions de liti i representen un risc de subministrament a llarg termini.

Una de les qüestions urgents és la manca d’una robusta cadena de subministrament de liti als principals mercats fora de la Xina. Per exemple, al voltant del 77% del grafit utilitzat en les bateries d’ions de liti prové de la Xina. Això posa de manifest la forta dependència del subministrament xinès en una era de les tensions comercials mundials i subratlla la importància de la diversificació de subministraments.

Els riscos de seguretat, com els incendis de bateries en vehicles elèctrics causats per la fugida tèrmica, afegeixen una altra capa de preocupació.

Aquests factors estan obrint el camí cap a una nova generació de tecnologies d’emmagatzematge d’energia. Si bé les empreses de fora de la Xina busquen activament alternatives que no confien en el liti, els líders del mercat xinès també són conscients que el seu domini podria estar en risc. De fet, molts d’ells ja s’han traslladat ràpidament al desenvolupament de les bateries d’ions de sodi i d’estat sòlid per assegurar-se que es mantenen al davant de la corba.

Les bateries d’estat sòlid (SSB) substitueixen els electròlits líquids utilitzats en les bateries d’ions de liti per electròlits sòlids, com ara ceràmica, vidre o polímers sòlids. Eliminant el voluminós ànode de grafit i utilitzant materials sòlids densos, els SSB poden emmagatzemar significativament més energia en el mateix volum, ampliant potencialment la gamma de vehicles elèctrics (EV) per un ampli marge.

Diversos agents clau de la indústria ja han reconegut el potencial transformador d'aquesta tecnologia. Per exemple, el 2024, Quantumscape va presentar la seva bateria d’estat sòlid prototip (QSE -5) amb una densitat d’energia de 844 WH/L-substancialment superior a les 300–700 WH/L típiques de les bateries d’ions de liti comercial. L’empresa té previst lliurar les seves primeres cèl·lules comercials 100+ (QSE -5) el 2025. Aquesta densitat d’energia és aproximadament 1,5 vegades la de les millors cèl·lules d’ions de liti, cosa que podria traduir en un augment del 20–50% en el rang de conducció sense augmentar la mida de la bateria ni el pes.

El gegant de la bateria de la Xina, CATL (contemporani AMPEREX Technology Co. Ltd.), també ha augmentat significativament la seva inversió en desenvolupament de SSB, ampliant el seu equip de R&D dedicat a més de 1, 000. El 2027 està dirigit a la producció a petita escala de bateries de tot el sòlid.

Toyota ha anunciat un calendari de comercialització per als EV de passatgers equipats amb bateries d’estat sòlid entre el 2027 i el 2028. La companyia afirma que aquesta innovació podria augmentar el rang de conducció fins a un 20%. El 2023, Solid Power va subministrar BMW amb cèl·lules de mostra A per utilitzar-lo en el seu programa de vehicles de demostració. Altres principals líders de la indústria, inclosos Volkswagen, Hyundai, Nissan, BMW i Toyota, també han realitzat inversions estratègiques en l'espai de bateries d'estat sòlid.

Més enllà de l’augment del rang, les bateries d’estat sòlid també demostren capacitats de càrrega ràpida superiors. Gràcies a una excel·lent estabilitat tèrmica i conductivitat iònica, els SSB poden suportar taxes de càrrega ultra ràpides sense danyar les cèl·lules. Toyota, per exemple, espera que la seva tecnologia de bateries d’estat sòlid permeti recarregar una gamma de 300 km en només 15 minuts, dues a tres vegades més ràpida que les velocitats actuals de càrrega ràpida de la majoria dels EV d’ions de liti, que normalment triguen uns 30 minuts a carregar-se del 10% al 80%.

L’ús d’electròlits sòlids, que no són inflamables, elimina un dels principals riscos de seguretat de les cèl·lules tradicionals de la bateria. Els electròlits de ceràmica o vidre sòlids no s’incendien i poden funcionar a través d’un rang de temperatura més ampli. També es mantenen estables a tensions més altes, permetent l’ús de materials càtodes d’alta capacitat i suprimint el creixement de la dendrita de liti, millorant així la vida del cicle i la seguretat.

A més, els SSB poden ser més fàcils de reciclar a causa del seu disseny més senzill, sense necessitat de barreges complexes de dissolvents i aglutinants, i evitar l’ús d’additius i adhesius problemàtics.

Amb tants avantatges, es podria suposar que les bateries d’estat sòlid substituirien les bateries d’ions de liti fàcilment i ràpidament. Tanmateix, si no és perEl seu elevat cost, SSBs podria haver -se fet càrrec.

El cost continua sent la barrera més significativa per a l’adopció generalitzada. El grup BMW, per exemple, ha reconegut aquest repte. Tot i que es preveu que la companyia presenti un vehicle prototipat equipat amb bateries d’estat sòlid a finals d’aquest any, ha afirmat que és poc probable que un llançament comercial de vehicles elèctrics alimentats per SSB.

El fabricant de bateries xineses Sunwoda ha estimat que les bateries d’estat sòlid podrien costar al voltant275 dòlars per kWh, Aproximadament a la vegada amb les bateries d'estat semi-sòlid. Tot i això, degut acostos elevats de processament de materialsirendiments de fabricació baixos, el cost real podria ser significativament més gran a la pràctica.

Fins que no s’abordin aquests reptes, sobretot en augmentar la producció i reduir els costos de materials, és probable que les bateries d’estat sòlid es mantinguin en el segment d’etapa inicial o premium del mercat, en lloc d’assolir un desplegament comercial generalitzat.

En comparació, a partir del desembre de 2024, el preu mitjà de les bateries de ions de liti a la Xina havia baixat fins a94 dòlars per kWh. Els preus als Estats Units i a Europa romanenDel 30% al 50% superior, però encara significativamentinferior a les de les bateries d’estat sòlid.

Com a tal,El cost continua sent un coll d'ampolla importantQue els defensors de la tecnologia de bateries en estat sòlid han de superar per alterar veritablement el mercat d’emmagatzematge d’energia. En aquest sentit,Les bateries d’ions de sodi i d’ions de liti estan molt per davantde bateries d’estat sòlid.

Altres reptes crítics inclouenaugmentar la producció, particularment alFabricació massiva d’electròlits ceràmicsi elAssemblea fiablede cèl·lules d’estat sòlid. Gestió delInterfície entre electròlits sòlids i elèctrodesTambé és una preocupació, ja que pot donar lloc a una alta resistència interfacial o esquerdar-se en diversos cicles de descàrrega de càrrega, que dificulten la comercialització a escala completa.

A més, assegurar -seDurabilitat en condicions d’estrès del món real, com ara vibracions, fluctuacions de temperatura i càrrega ràpida, segueix sent un dels obstacles tècnics més pressionants.

Les bateries d’estat sòlid milloren la tecnologia d’ions de liti canviant l’electròlit i augmentant la densitat d’energia, però el seu elevat cost continua sent un repte important. En canvi, les bateries de ions de sodi (Na-ions) s’enfronten al problema contrari. En intentar substituir els elements utilitzats en les bateries d’ions de liti per materials més comuns, el cost de les bateries d’ions de sodi podria caure significativament, però s’enfronten a reptes en termes de densitat d’energia.

Les bateries d’ions de sodi funcionen de la mateixa manera que les bateries d’ions de liti - ions llançadora entre el càtode i l’ànode, però utilitzen ions de sodi en lloc d’ions de liti. Aquest canvi ho canvia tot, des delfacilitat d’abastament de matèries primeresa laassequibilitat- que és un dels factors clau que determinarà la futura tecnologia de bateries principals.

El baix cost de les bateries d’ions de sodi fa que el 2030 tingui en compteMenys del 10% de les bateries de vehicles elèctrics, però la seva partEmmagatzematge d'energiaEs preveu que les aplicacions augmentin significativament. Utilitzeu les bateries d'ions de sodiMaterials més baratsi no necessiteu liti, cosa que significa que els seus costos de producció podrien ser30% inferior al del fosfat de ferro de liti (LFP)bateries.

L’atractiu més gran de la tecnologia d’ions de sodi rau en la seva capacitat d’aprofitamentmaterials abundants i baratsper substituir els més escassos. Les reserves de sodi a l'escorça terrestre són1, 000 vegades més granque els de liti. El sodi fins i tot es pot extreure barataigua de mar relativament inesgotable.

Gràcies a les innovacions en el camp, les bateries de ions de sodi (NA-ions) de grau comercial ara han aconseguit una densitat energètica al voltant130-160 wh/kg, que es tractados terçosla de les bateries típiques NMC d’ió de liti (níquel manganès). Tot i això, ja han arribat o fins i tot han superat la densitat energètica debateries de plom-àcidi s’acosten al deFosfat de ferro de liti (LFP)bateries.

Els experts afirmen que la propera generació de bateries d’ions de sodi s’aconseguiràMés de 200 wh/kg, potencialment superant el límit teòric de densitat d’energia deBateries LFP. La vida útil típica de les bateries d'ions de sodi va des de100 a 1, 000 cicles, i el desenvolupador indi Kpit afirma que les seves bateries mantenen80% de retenció de capacitat després de 6, 000 cicles, comparable al rendiment de la bateria d’ions de liti.

Les bateries d'ions de sodi també excel·lenPotència i rendiment a baixa temperatura. Alguns dissenys són capaçosAl voltant d’1 kW/kg Densitat de potència, que supera amb escreix el debateries NMC o LFP de liti. A més, les bateries d'ions de sodi exposenDegradació del rendiment mínima temperatures tan baixes com-20 grau, mentre que les bateries d’ions de liti lluiten per mantenir la càrrega o la càrrega de manera eficient en condicions de fred.

Les bateries d'ions de sodi també poden ser-hocompletament descarregat a 0 Vsense causar danys, fent -los extremadament segursTransport i emmagatzematge. A causa de la menor generació de calor i l’ús de materials no flamibles en molts dissenys, les bateries d’ions de sodi també demostrenEstabilitat tèrmica superior. De fet, elrisc d’incendiEs preveu que les bateries de ions de sodi es facinsignificativament inferiorque la de les bateries d’ions de liti, millorantseguretatEn aplicacions com ara vehicles elèctrics i emmagatzematge de xarxa.

Aquestes funcions fan que les bateries d’ions de sodi sigui una opció atractiva, fins i tot per als líders de bateries d’ions de liti a la Xina. L’any passat, la primera estació d’emmagatzematge d’energia d’ions de sodi a gran escala de la Xina va començar a operar: a10 MWh instal·lació d’emmagatzematge de bateries d’ions de sodi, part d’un projecte de 100 MWh. Aquesta instal·lació, construïda per China Southern Power Grid,210 Cèl·lules de ions de sodi AHi té algunes dades impressionants: la bateria pot serEs va carregar fins al 90% en només 12 minuts.

Global Battery Manufacturing GiantContemporani AMPEREX Technology Co. Limited (CATL)està clarament desitjós d’explorar el potencial de les bateries d’ions de sodi. Per exemple, està integrant les bateries d'ions de sodi al seuInfraestructura i productes de bateries d’ions de liti. La companyia ho va revelar a2023, Fabricant d’automòbils xinesosCheryEs va convertir en la primera empresa a utilitzar les bateries de ions de sodi de Catl.

Dins deGener de 2024, el fabricant d’automòbils més gran de l’Àsia central i un dels majors proveïdors de bateries,BYD, els plans anunciats per construir un1.400 milions de dòlarsFàbrica de bateries d’ions de sodi amb una capacitat de producció anual de30 gwh.

Les empreses europees també estan explorant aquesta tecnologia. El fabricant de bateries ara dipòsitsNorthvololva llançar unBateria de ions de sodi 160 WH/kgEl novembre de 2023, que es va verificar per al rendiment. Al Regne Unit,FaradióHa estat pioner en la tecnologia de bateries d’ions de sodi des de fa més d’una dècada. Adquirit per l’ÍndiaIndústries de confiançaEl 2021, Faradion va desenvolupar unBateria 160 WH/kgi ara està llançant una versió millorada que té20% de densitat energètica més elevadai30% de vida cicle més llarga. Reliance Industries també ha anunciat els plans per construir unFàbrica de bateries d'ions de sodi multi-gwha l’Índia, amb la producció que pot començar2025.

Aquests desenvolupaments indiquen fortament que les bateries d’ions de sodi es convertiran en una tecnologia capaç de desafiar el domini de les bateries d’ions de liti.

Mentre que les tecnologies de bateries emergents -bateries d'ions de sodiibateries d'estat sòlid- Mostrar potencial prometedor, és difícil predir quins dominaran finalment. Tenint en compte els seus avantatges respectius, ambdues tecnologies poden tenir un paper crucial en l’avançamentNetejar energiaiNetejar el transporten el futur.

Si els costos de la bateria d’estat sòlid disminueixen, potencialment baixant del corrent$ 150+/kWhper a bateries d’ions de liti a tot el voltant$ 80- $ 100/kWh- Les bateries d'estat sòlid podrien dominar elsegments d’alt rendiment, com ara vehicles elèctrics, durant la propera dècada. Aquest és un escenari plausible. ElAgència Internacional de l'Energia (IEA)Té una visió optimista delCostos de les bateries d'estat sòlid post -2030, destacant que la tecnologia en estat sòlid és probable que assoleixi la viabilitat comercial.

D'altra banda, les bateries d'ions de sodi són méscompetitiu, fent-los adequats per aEmmagatzematge de la graellaimercats emergents, i s'espera que assoleixin l'èxit amb més rapidesa. Molts seguidors estan pressionant per a la construcció deProjectes a gran escalaal següentDe dos a tres anys. El 2024, elSistema d’emmagatzematge d’energia de la bateria (BESS)va créixer per44%, amb la capacitat instal·lada i la quantitat de descàrrega arribada69 GW/161 GWH. Sobretot, per2030, s'espera que les bateries condueixinEl 90% del creixement de l’emmagatzematgeper conèixerobjectius net-zero.

Com a resultat, en el futur sorgiran diverses tecnologies de bateries, ambEstat sòlidibateries d'ions de sodiés probable que condueixi el camí.