Baterie sodowo-jonowe i litowo-jonowe opierają się na tych samych zasadach elektrochemicznych, przy czym sód zastępuje lit. Chociaż do zastąpienia litu wymagane są różne katody, anody i elektrolity, ogólny skład chemiczny obu technologii pozostaje podobny.

Najważniejsza różnica tkwi w katodzie. Jednak, zgodnie z nowym raportem IDTechEx „Sodium-ion Batteries 2025-2035: Technology, Players, Markets, and Forecasts”, kluczowi gracze aktywnie opracowują alternatywy dla baterii litowo-jonowych, oparte na sodzie. Trzy główne typy katod sodowo-jonowych w fazie rozwoju to tlenki metali przejściowych (podobne do NMC), polianiony (podobne do LFP) oraz analogi błękitu pruskiego (unikatowe dla jonów sodu).

Tlenki metali przejściowych i analogi błękitu pruskiego są szczególnie obiecujące ze względu na niski koszt i brak pierwiastków ziem rzadkich. Tlenki metali przejściowych, zazwyczaj składające się z sodu, tlenu, niklu, żelaza i manganu, nie zawierają kobaltu, co rozwiązuje problemy związane ze zrównoważonym rozwojem, które nękały akumulatory litowo-jonowe. Analogi błękitu pruskiego, ze swoją romboedryczną strukturą, składają się wyłącznie z sodu, żelaza, węgla i azotu. Z tego względu należy je zaliczyć do unikatowych związków dla technologii jonów sodu.

Pod względem anody i elektrolitu, akumulatory sodowo-jonowe są w dużej mierze podobne do litowo-jonowych. Preferowanym wyborem są twarde anody węglowe, stosowane we wcześniejszych generacjach akumulatorów litowo-jonowych. Wynika to z tego, że jony sodu są zbyt duże, aby interkalować (wnikać) w grafit. Elektrolity składają się z podobnych soli i rozpuszczalników, przy czym lit zastępuje sód – na przykład NaPF6 w rozpuszczalniku węglanowym.

Porównanie Na-ion z różnymi innymi chemikaliami ogniw. Źródło: IDTechEx

Porównując różne charakterystyki wydajności, można dostrzec ogólne zalety i wady każdej chemii bateryjnej. Gęstość energii w akumulatorach sodowo-jonowych jest nadal niższa niż w wysokoenergetycznych ogniwach litowo-jonowych, w których jest stosowany nikiel, ale zbliżają się one do gęstości energii wysokowydajnych ogniw litowo-żelazowo-fosforanowych (LFP). Żywotność ogniw jest rozsądna w niektórych konfiguracjach, ale jednym z interesujących elementów, nieujętych na rysunku, jest to, że akumulatory sodowo-jonowe mogą charakteryzować się dość wysoką mocą, rzędu ~1000 W/kg, co jest wartością wyższą niż w przypadku ogniw NMC (~340…420 W/kg) i LFP (~175…425 W/kg). Wykazują one również lepszą wydajność w niskich temperaturach.

Konkurencyjność cenowa na zmieniającym się rynku

Główną zaletą akumulatorów sodowo-jonowych jest ich potencjał w zakresie niższych kosztów w porównaniu z technologiami litowo-jonowymi. W skali masowej akumulator sodowo-jonowy z katodą z warstwowego tlenku metalu i anodą z twardego węgla będzie miał koszty materiałów o około 25…30% niższe niż akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LFP). Taka redukcja kosztów wynika przede wszystkim z zastąpienia litu i miedzi tańszym sodem i aluminium, co zapewnia około 12% redukcję kosztów, głównie dzięki zastosowaniu aluminium jako kolektora prądu.

Na strukturę kosztów wpływa jednak kilka czynników. Głównym z nich, wpływającym na koszty każdego akumulatora są materiały elektrod, a twardy węgiel staje się wiodącym materiałem anodowym w akumulatorach sodowo-jonowych. Chociaż twardy węgiel oferuje przewagę cenową nad grafitem, ma on niższą gęstość, co oznacza, że dla tego samego materiału aktywnego potrzeba więcej elektrolitu, co zwiększa koszty i masę. Ponadto twardy węgiel jest zazwyczaj droższy niż grafit naturalny, a niektóre jego warianty charakteryzują się niższą wydajnością.

Przyszłość akumulatorów sodowo-jonowych i ich zdolność do podbijania cen akumulatorów litowo-jonowych pozostają przedmiotem ożywionej debaty. Chociaż koszt akumulatorów litowo-jonowych stale spada, termin, w którym technologia sodowo-jonowa mogłaby dorównać tym cenom lub je przewyższyć, jest wciąż spekulacyjny. IDTechEx uważa, że kluczem do obniżenia kosztów akumulatorów sodowo-jonowych będą przełomy inżynieryjne, a nie samo skalowanie produkcji.

Jeśli ceny litu utrzymają się na poziomie zbliżonym do rekordowo niskich poziomów, akumulatory sodowo-jonowe będą miały węższą drogę do osiągnięcia konkurencyjności cenowej w ciągu następnej dekady. Jednak dzięki dalszemu postępowi inżynieryjnemu, akumulatory sodowo-jonowe mogą stać się technologią uzupełniającą, oferującą wartość w określonych zastosowaniach, w których redukcja kosztów i dostępność materiałów mają kluczowe znaczenie.

Raport IDTechEx „Sodium-ion Batteries 2025-2035: Technology, Players, Markets, and Forecasts” analizuje dynamikę kosztów, postęp technologiczny oraz realistyczną mapę drogową dla miejsca akumulatorów sodowo-jonowych na przyszłym rynku akumulatorów.

Autor: Shazan Siddiqi, Starszy Analityk Technologiczny w IDTechEx

Źródło: IDTechEX