Anslut till Senaste Tekniska Nyheter, Bloggar, Recensioner

Genombrott för natriumjonbatterier kan vara nyckeln till vår elektriska framtid

Varför det är viktigt: Batteriteknik är ett av de områden som får många lovande forskningsresultat men väldigt lite i form av kommersiella produkter som vi kan använda för att driva digitala enheter, elfordon eller hem som är utanför nätet. Det kan snart ändras tack vare natriumjonbatterier som är säkrare, mer hållbara och billigare att tillverka jämfört med konventionella litiumjonbatterier.

Det är ingen hemlighet att litiumjonbatterier är i framkanten av modern energilagring och en viktig drivkraft för elektrifieringsinsatser över hela världen. Men att tillverka dem i den skala som behövs för att möta den växande efterfrågan verkar vara en nästan omöjlig uppgift. Litiumproducenter de senaste åren har varnade världen kan snart möta en brist på litium, möjligen så snart som 2025.

En stor bidragande faktor är att litium har gått från att vara en nischmetall som används inom keramik- och läkemedelsindustrin till en av de mest efterfrågade metallerna under loppet av några decennier. Albemarle – ett av de största litiumgruvföretagen i världen och det som leder den amerikanska litiumrenässansen – planerar att öka sin produktionskapacitet till 500 000 ton årligen till 2030 men säger att det fortfarande inte kommer att räcka för att tillfredsställa den förväntade efterfrågan.

Det är här som natriumjonbatteriet kommer in. Även om det inte har haft samma strålkastarljus som litiumjon, håller det på att bli ett av de stora tekniska genombrotten som kan göra elektrifieringsdrömmen till verklighet. Natriumjonbatterier har en liknande design som litiumjonbatterier och kan tillverkas med samma eller liknande industriella processer. I denna typ av batteri ersätter natriumjoner litiumjonerna i katoden och litiumsalterna i elektrolyten (vätskan som hjälper färjeladdningen mellan batterielektroderna) byts ut mot natriumsalter.

Natriumjonbatterier är inget nytt koncept, men idén att tillverka dem i stor skala har bara vunnit genomslag de senaste åren. Natrium är betydligt rikligare än litium, så det är billigare och lättare att köpa samtidigt som det är mindre sårbart för geopolitiska spänningar. Som i skrivande stund toppar priset på natriumkarbonat på $286 per tonmedan batterikvalitet litiumkarbonat kostar en jättestor $20 494 per ton.

Kemister har också funnit att celler med skiktade oxidkatoder byggda med natrium inte kräver dyra metaller som kobolt eller nickel för att uppnå en energitäthet som är jämförbar med den för litiumjärnfosfatceller (LFP), som används allmänt i mer prisvärda elfordon .

Tidigare denna månad, ett team av japanska forskare vid Tokyo University of Science avslöjat de har utvecklat en katod med hög kapacitet för natriumjonbatterier som använder nanostrukturerat hårt kol. De resulterande cellerna kan nå energitätheter på upp till 312 Wh per kg – ungefär dubbelt så mycket som litiumjärnfosfatbatterier. För att sätta saker i perspektiv är detta också 1,6 gånger den energitäthet som uppnåddes av de mest avancerade natriumjonbatterierna för ett drygt decennium sedan.

En annan fördel med natriumjonbatterier är deras förmåga att motstå ett bredare spektrum av driftstemperaturer – från -30°C till 60°C (-22°F till 140°F) eller till och med 80°C beroende på vilken kemi som används. Det är därför företag gillar Farajon har redan börjat testa natriumjonbatteriinstallationer för stationär energilagring i Australien.

Tidigare i år, ett joint venture mellan Volkswagen och JAC Group avtäckt den första elektriska sedan som drivs av ett natriumjonbatteri. Fordonet drivs av ett 25 KWh batteri som erbjuder en relativt blygsamma räckvidd på upp till 250 km (155 miles), men de två företagen bjuder på snabba laddningshastigheter, bättre prestanda vid låga temperaturer, samt en längre livslängd för batteriet tillsammans med en långsammare minskning av kapaciteten när det åldras.

James Quinn, som är VD för Faradion, säger att säkerhetsfördelen med natriumjonbatterier inte kan överskattas. Medan litiumjonceller måste laddas över 30 procent före transport, kan natriumjonceller säkert laddas ur till 0V precis som en kondensator, vilket eliminerar möjligheten för en termisk flykt på grund av kortslutning. Och som du kan se i videon ovan förvandlar det inte heller till en brandgranat att punktera en natriumjoncell vid full laddning.

Medan Farradion är mest intresserad av stationär energilagring för närvarande, fördjupar andra företag som Natron Energy redan i bilindustrin. Den Santa Clara-baserade startupen använder ett vanligt producerat material som kallas Prussian blue för att tillverka elektroder för sina natriumjonbatterier, som är klassade för någonstans mellan 50 000 till 100 000 laddnings-/urladdningscykler. De kan också laddas upp helt på 15 minuter eller mindre.

Natron gick nyligen in i en partnerskap med Clarios International för att massproducera sina natriumjonbatterier vid det senare företagets Meadowbrook-anläggning i Michigan med samma utrustning som för närvarande används för att tillverka litiumjonceller. När produktionen ökar under de kommande månaderna, säger Natron att detta kommer att bli världens största natriumjonbatterifabrik i världen.

Hur saker och ting kommer att spela ut för natriumjonbatterier återstår att se, men till skillnad från många lösningar som ännu inte har sett utsidan av ett labb ser de säkert lovande ut. Allt beror på hur priserna kommer att fluktuera för material när tekniken mognar och fler fabriker börjar producera natriumjonceller i stor skala.

Global produktionskapacitet är förväntas att nå 186 GWh årligen till 2030, jämfört med 6,5 TWh för litiumjonceller. Detta betyder att natriumbatterier troligen inte kommer att störta dominansen av litiumjon när som helst snart. Men de verkar vara ett allt mer attraktivt alternativ för en mängd olika applikationer och det finns potential för att de ska bli den bästa lösningen på lång sikt.