بطاريات الصوديوم-أيون مقابل بطاريات الحالة الصلبة التي ستحل محل الليثيوم أيون

أثار ارتفاع الطاقة المتجددة (RE) والنمو السريع للسيارات الكهربائية التوقعات لصناعة تخزين الطاقة - بما في ذلك الكفاءة العالية ، وزيادة السلامة ، وزيادة كثافة الطاقة ، وتكاليف أقل من الناحية المثالية. تهدف أيون الصوديوم وبطاريات الحالة الصلبة إلى تقديم حلول بديلة. لكل منها مزاياها الخاصة ويمكن أن تحل محل تقنيات تخزين الليثيوم أيون الحالية في السنوات القادمة.

في هذه المقالة ، نستكشف لماذا قد تكون بطاريات الليثيوم أيون عرضة لخطر التخلص التدريجي - حتى لو كان هذا الخطر لا يزال يبدو ضئيلًا اليوم. نحن نركز على تقنيتين ناشئتين مع أقوى إمكانات للسيطرة على مستقبل تخزين الطاقة: بطاريات الصوديوم أيون وبطاريات الحالة الصلبة.

تهيمن بطاريات الليثيوم أيون حاليًا على قطاع تخزين الطاقة ومن المتوقع أن تحافظ على هذا الوضع على المدى المتوسط. من الأجهزة المحمولة إلى مشاريع تخزين الطاقة المتجددة على نطاق واسع ، تقود تكنولوجيا الليثيوم أيون الطريق عبر جميع الاتجاهات الرئيسية.

وفقًا لتقرير حديث ، فإن سوق مواد بطارية الليثيوم أيون يتوسع بسرعة بسبب تزايد الطلب عبر الصناعات المتعددة. من المتوقع أن تنمو من 41.9 مليار دولار أمريكي في عام 2024 إلى أكثر من 120 مليار دولار بحلول عام 2029 ، مع معدل نمو سنوي مركب (CAGR) حوالي 23.6 ٪.

اليوم ، يقود سوق بطارية الليثيوم أيون من قبل لاعبين رئيسيين مثل Tesla و Panasonic و LG Chem و Catl و BYD. والجدير بالذكر أن الشركتين الصينيتين الأخيرتين أحرزت تقدمًا كبيرًا على مدار العامين الماضيين.

في حين أن صعود السيارات الكهربائية هو محرك رئيسي لهذا النمو ، فإنتخزين الطاقة الثابتةمن المتوقع أن يولد السوق طلبًا أكبر في السنوات المقبلة.

من المعروف أن بطاريات الليثيوم أيون تعتمد بشكل كبير على المعادن الحرجة مثل الليثيوم ، وغالبًا ما تكون الكوبالت والنيكل. أدت قيود العرض إلى تقلبات كبيرة في الأسعار. على سبيل المثال ، تقلبت تكلفة كربونات الليثيوم على مستوى البطارية من حوالي 5.8 دولار أمريكي لكل كيلوغرام إلى 80 دولارًا أمريكيًا في السنوات الأخيرة. أدت هذه التقلبات والندرة إلى زيادة تكلفة بطاريات الليثيوم أيون وتشكل مخاطر إمداد طويلة الأجل.

إحدى القضايا العاجلة هي عدم وجود سلسلة توريد قوية للليثيوم في الأسواق الرئيسية خارج الصين. على سبيل المثال ، يتم الحصول على حوالي 77 ٪ من الجرافيت المستخدم في بطاريات الليثيوم أيون من الصين. وهذا يسلط الضوء على الاعتماد الشديد على العرض الصيني في عصر التوترات التجارية العالمية ويؤكد أهمية تنويع الإمداد.

تضيف مخاطر السلامة ، مثل حرائق البطارية في السيارات الكهربائية الناجمة عن الهرب الحراري ، طبقة أخرى من القلق.

هذه العوامل تمهد الطريق لجيل جديد من تقنيات تخزين الطاقة. في حين أن الشركات خارج الصين تبحث بنشاط عن بدائل لا تعتمد على الليثيوم ، فإن قادة السوق الصينيين يدركون أيضًا أن هيمنتهم قد تكون في خطر. في الواقع ، انتقل الكثير منهم بالفعل بسرعة إلى تطوير بطارية الصوديوم والدولة الصلبة لضمان بقائهم في صدارة المنحنى.

تحل بطاريات الحالة الصلبة (SSBs) محل الشوارد السائلة المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون مع شوارد صلبة-مثل السيراميك أو الزجاج أو البوليمرات الصلبة. من خلال التخلص من أنود الجرافيت الضخم واستخدام مواد صلبة كثيفة ، يمكن لـ SSBs تخزين طاقة أكبر بكثير في نفس الحجم ، مما قد يمتد نطاق السيارات الكهربائية (EVs) بفارق واسع.

لقد أدرك العديد من اللاعبين الرئيسيين في الصناعة بالفعل الإمكانات التحويلية لهذه التكنولوجيا. على سبيل المثال ، في عام 2024 ، كشفت QuantumScape عن بطارية الحالة الصلبة النموذجية (qse -5) بكثافة طاقة تبلغ 844 WH/L-أعلى بكثير من 300-700 WH/L من بطاريات الليثيوم-أيون التجارية. تخطط الشركة لتقديم أول خلايا طبقة تجارية 100+ (qse -5) في عام 2025. هذه كثافة الطاقة هي حوالي 1.5 ضعفًا من أفضل خلايا ليثيوم أيون ، والتي يمكن أن تترجم إلى زيادة 20-50 ٪ في نطاق القيادة دون زيادة حجم البطارية أو الوزن.

كما زادت شركة Catl (Catl Catl (Catl Amperex Technology Co.) ، بشكل كبير بشكل كبير استثماراتها في تطوير SSB ، مما يوسع فريق البحث والتطوير المخصص إلى أكثر من 1 ، 000. تستهدف CATL إنتاجًا صغيرًا من بطاريات الدولة الصلبة بحلول عام 2027.

أعلنت شركة Toyota عن خط زمني للتسويق لـ EVS للركاب المجهزة ببطاريات الحالة الصلبة بين عامي 2027 و 2028. تدعي الشركة أن هذا الابتكار يمكن أن يعزز نطاق القيادة بنسبة تصل إلى 20 ٪. في عام 2023 ، قدمت الطاقة الصلبة BMW مع خلايا عينة A لاستخدامها في برنامج سياراتها التجريبي. قام قادة الصناعة الرئيسيين الآخرين - بما في ذلك فولكس واجن ، هيونداي ، نيسان ، بي إم دبليو ، وتويوتا - باستثمارات استراتيجية في مساحة بطارية الحالة الصلبة.

إلى جانب زيادة النطاق ، تُظهر بطاريات الحالة الصلبة أيضًا إمكانيات شحن سريعة فائقة. بفضل الاستقرار الحراري الممتاز والتوصيل الأيوني ، يمكن لـ SSBs دعم معدلات الشحن السريع فائقة دون إتلاف الخلايا. على سبيل المثال ، تتوقع Toyota أن تتيح تقنية بطارية الحالة الصلبة إعادة شحن نطاق 300 كم في 15 دقيقة فقط-مرتين إلى ثلاث مرات من سرعات الشحن السريع الحالية لمعظم EVs الليثيوم أيون ، والتي عادة ما تستغرق حوالي 30 دقيقة لشحن 10 ٪ إلى 80 ٪.

إن استخدام الشوارد الصلبة ، والتي لا يمكن الاهتمام بها ، يزيل أحد مخاطر السلامة الرئيسية لخلايا البطارية التقليدية. لا تشتعل السيراميك الصلب أو الشوارد الزجاجية ويمكن أن تعمل عبر نطاق درجة حرارة أوسع. كما أنها تظل مستقرة في الفولتية العليا ، مما يتيح استخدام مواد الكاثود عالية السعة وقمع نمو شجيري الليثيوم - وبالتالي تحسين كل من عمر الدورة والسلامة.

بالإضافة إلى ذلك ، قد يكون إعادة تدوير SSBs أسهل بسبب تصميمها الأكثر بساطة - دون الحاجة إلى مخاليط المذيبات والموثق المعقدة - وتجنب استخدام الإضافات والمواد اللاصقة.

مع وجود العديد من المزايا ، قد يفترض المرء أن بطاريات الحالة الصلبة ستحل بسهولة وسرعان ما تحل محل بطاريات الليثيوم أيون. ومع ذلك ، إن لم يكنتكلفتها العالية، قد يكون SSBs قد تولى بالفعل.

لا تزال التكلفة هي العائق الأكثر أهمية أمام التبني على نطاق واسع. BMW Group ، على سبيل المثال ، اعترفت بهذا التحدي. في حين من المتوقع أن تكشف الشركة عن مركبة نموذجية مزودة ببطاريات الحالة الصلبة في وقت لاحق من هذا العام ، فقد ذكرت أن الإطلاق التجاري للسيارات الكهربائية التي تعمل بالطاقة SSB من غير المرجح خلال العقد المقبل.

قدرت شركة Sunwoda المصنعة للبطاريات الصينية أن بطاريات الحالة الصلبة يمكن أن تكلفها حولها275 دولار لكل كيلوواط ساعة، تقريبًا على قدم المساواة مع بطاريات الحالة شبه الصلبة. ومع ذلك ، بسببتكاليف معالجة المواد المرتفعةوعائدات التصنيع منخفضة، يمكن أن تكون التكلفة الفعلية أعلى بكثير في الممارسة.

إلى أن تتم مواجهة هذه التحديات - لا سيما في زيادة الإنتاج وتقليل تكاليف المواد - من المحتمل أن تظل بطاريات الحالة الصلبة في الجزء المبكرة أو الممتازة من السوق ، بدلاً من تحقيق النشر التجاري على نطاق واسع.

بالمقارنة ، اعتبارًا من ديسمبر 2024 ، انخفض متوسط ​​سعر حزم بطارية الليثيوم أيون في الصين إلى94 دولار لكل كيلوواط ساعة. تبقى الأسعار في الولايات المتحدة وأوروبا30 ٪ إلى 50 ٪ أعلى، ولكن لا يزال بشكل كبيرأقل من تلك الموجودة في بطاريات الحالة الصلبة.

كما،لا تزال التكلفة عنق الزجاجة الرئيسييجب التغلب على أنصار تكنولوجيا بطارية الحالة الصلبة من أجل تعطيل سوق تخزين الطاقة حقًا. في هذا الصدد،بطاريات الصوديوم والليثيوم أيون متوفرة بكثيرمن بطاريات الحالة الصلبة.

تشمل التحديات الحرجة الأخرىزيادة الإنتاج، خاصة فيتصنيع الشوارد السيراميكوتجميع موثوقمن خلايا الحالة الصلبة. إدارةواجهة بين الشوارد الصلبة والأقطاب الكهربائيةيشكل أيضًا مصدر قلق ، لأنه يمكن أن يؤدي إلى مقاومة عالية أو تكسير على دورات تفريغ متعددة-وكلاهما يعيق تسويقًا واسع النطاق.

علاوة على ذلك ، التأكدالمتانة في ظل ظروف الإجهاد في العالم الحقيقي، مثل الاهتزاز ، تقلبات درجة الحرارة ، والشحن السريع ، لا تزال واحدة من أكثر العقبات التقنية إلحاحًا.

تتحسن بطاريات الحالة الصلبة على تكنولوجيا الليثيوم أيون عن طريق تغيير المنحل بالكهرباء وزيادة كثافة الطاقة ، لكن تكلفتها العالية لا تزال تشكل تحديًا كبيرًا. في المقابل ، تواجه بطاريات الصوديوم أيون (NA-ion) القضية المعاكسة. من خلال محاولة استبدال العناصر المستخدمة في بطاريات الليثيوم أيون بمواد أكثر شيوعًا ، يمكن أن تنخفض تكلفة بطاريات الصوديوم أيون بشكل كبير ، لكنها تواجه تحديات من حيث كثافة الطاقة.

تعمل بطاريات الصوديوم أيون بنفس الطريقة التي تعمل بها بطاريات الليثيوم أيون - أيونات المكوك بين الكاثود والأنود - لكنهم يستخدمون أيونات الصوديوم بدلاً من أيونات الليثيوم. هذا التحول يغير كل شيء ، منسهولة مصادر المواد الخامإلىالقدرة على تحمل التكاليف- وهو أحد العوامل الرئيسية التي ستحدد تقنية البطارية السائدة في المستقبل.

تعني التكلفة المنخفضة لبطاريات الصوديوم أيون أنه بحلول عام 2030 ، سوف يفسرونأقل من 10 ٪ من بطاريات المركبات الكهربائية، لكن حصتها فيتخزين الطاقةمن المتوقع أن تزيد الطلبات بشكل كبير. استخدام بطاريات الصوديوم أيونمواد أرخصولا تتطلب الليثيوم ، مما يعني أن تكاليف الإنتاج قد تكون30 ٪ أقل من فوسفات الحديد الليثيوم (LFP)البطاريات.

يكمن أكبر جاذبية لتكنولوجيا الصوديوم أيون في قدرتها على الاستفادةمواد وفيرة ورخيصةلاستبدال المزيد من الندرة. احتياطيات الصوديوم في قشرة الأرض1 ، 000 مرات أكبرمن تلك الليثيوم. يمكن استخراج الصوديوم بثمن بخسمياه البحر التي لا تنضب نسبيا.

بفضل الابتكارات في هذا المجال ، حققت بطاريات الصوديوم (NA-ION) من الدرجة التجارية كثافة طاقة من حولها130-160 wh/kg، وهو حولثلثيتلك الخاصة ببطاريات ليثيوم أيون NMC (الكوبالت المنغنيز النيكل). ومع ذلك ، فقد وصلوا بالفعل أو حتى تجاوزوا كثافة الطاقةبطاريات حمض الرصاصويقتربون منفوسفات الحديد الليثيوم (LFP)البطاريات.

يزعم الخبراء أن الجيل القادم من بطاريات الصوديوم أيون سيحققأكثر من 200 WH/kg، يحتمل أن تتفوق على حد كثافة الطاقة النظريةبطاريات LFP. يتراوح العمر النموذجي لبطاريات الصوديوم أيون100 إلى 1 ، 000 دوراتويدعي المطور الهندي KPIT أن تحافظ بطارياتها80 ٪ احتباس السعة بعد 6 ، 000 دورات، مماثلة لأداء بطارية الليثيوم أيون.

تتفوق بطاريات الصوديوم أيون أيضًاأداء الطاقة وأداء درجات الحرارة المنخفضة. بعض التصميمات قادرة علىحوالي 1 كيلو واط/كيلوغرام كثافة الطاقةالذي يتجاوز بكثير ذلكليثيوم أيون بطاريات NMC أو LFP. بالإضافة إلى ذلك ، تظهر بطاريات الصوديوم أيونالحد الأدنى من تدهور الأداءفي درجات حرارة منخفضة مثل-20 درجة، في حين تكافح بطاريات الليثيوم أيون للحفاظ على الشحنة أو الشحن بكفاءة بسرعة في مثل هذه الظروف الباردة.

يمكن أن تكون بطاريات الصوديوم أيون أيضًاتم تفريغها بالكامل إلى 0 vدون التسبب في أضرار ، مما يجعلها آمنة للغايةالنقل والتخزين. نظرًا لانخفاض توليد الحرارة واستخدام المواد غير القابلة للاشتعال في العديد من التصميمات ، تظهر بطاريات الصوديوم أيون أيضًاالاستقرار الحراري المتفوق. في الواقع ، وخطر الحريقمن المتوقع أن تكون حزم بطارية الصوديوم أيونأقل بكثيرمن حزم بطارية الليثيوم أيون ، تعزيزأمانفي التطبيقات مثل السيارات الكهربائية وتخزين الشبكة.

هذه الميزات تجعل بطاريات الصوديوم أيون خيارًا جذابًا ، حتى بالنسبة لقادة بطاريات الليثيوم أيون في الصين. في العام الماضي ، بدأت أول محطة تخزين طاقة بطارية الصوديوم في الصين في الصين-عمليات-أ10 ميجا واط في الساعة منشأة تخزين بطارية الصوديوم أيون، جزء من مشروع 100 ميجاوات. يستخدم هذا المرفق ، التي بناها شبكة الطاقة الجنوبية الصينية ،210 AH خلايا الصوديوم أيونولديها بعض البيانات المثيرة للإعجاب: يمكن أن تكون البطاريةتم شحنها إلى 90 ٪ في 12 دقيقة فقط.

عملاق تصنيع البطاريات العالميشركة Amperex Technology Co. Limited (CATL)من الواضح أنه حريص على استكشاف إمكانات بطاريات الصوديوم أيون. على سبيل المثال ، فإنه يدمج بطاريات الصوديوم في أيونالبنية التحتية للبطارية الليثيوم والمنتجات. كشفت الشركة ذلك في2023، صينية السيارات الصينيةشيريأصبحت أول شركة تستخدم بطاريات Catl's Sodium-ion.

فييناير 2024، أكبر شركة لصناعة السيارات في آسيا الوسطى وواحدة من أكبر موردي البطاريات ،BYD، أعلن خطط لبناء أ1.4 مليار دولارمصنع بطارية الصوديوم أيون مع قدرة إنتاج سنوية30 GWH.

تقوم الشركات الأوروبية أيضًا باستكشاف هذه التكنولوجيا. الشركة المصنعة للبطارية الخارقة الآننورثفولتأطلقت أ160 WH/kg بطارية الصوديوم أيونفي نوفمبر 2023 ، والذي تم التحقق منه من أجل الأداء. في المملكة المتحدة ،فاراديونكان رائدا في تكنولوجيا بطارية الصوديوم أيون لأكثر من عقد. اكتسبتها الهندصناعات الاعتمادفي عام 2021 ، طور فاراديون أ160 WH/KG بطاريةوهو الآن يطرح نسخة محسنة تفتخر20 ٪ كثافة الطاقة أعلىو30 ٪ حياة دورة أطول. أعلنت شركة Reliance Industries أيضًا عن خطط لبناء أMulti-GWH Sodium-Ion Battery Factoryفي الهند ، من المحتمل أن يبدأ الإنتاج2025.

تشير هذه التطورات بقوة إلى أن بطاريات الصوديوم أيون من المقرر أن تصبح تقنية قادرة على تحدي هيمنة بطاريات الليثيوم أيون.

في حين أن تقنيات البطارية الناشئة -بطاريات الصوديوم أيونوبطاريات الحالة الصلبة- إظهار إمكانات واعدة ، من الصعب التنبؤ بالسيطرة في النهاية. بالنظر إلى مزايا كل منهما ، قد تلعب كلتا التقنيتين أدوارًا حاسمة في التقدمالطاقة النظيفةوالنقل النظيففي المستقبل.

إذا انخفضت تكاليف بطارية الحالة الصلبة - فمن المحتمل أن تنخفض من التيار$ 150+/kwhلبطاريات ليثيوم أيون إلى حولها$ 80- $ 100/kWh- يمكن أن تهيمن بطاريات الحالة الصلبةشرائح عالية الأداء، مثل السيارات الكهربائية ، خلال العقد المقبل. هذا سيناريو معقول. الالوكالة الدولية للطاقة (IEA)يحمل وجهة نظر متفائلة علىتكاليف بطاريات الحالة الصلبة بعد -2030، تسليط الضوء على أن تقنية الحالة الصلبة من المحتمل أن تحقق صلاحية تجارية.

من ناحية أخرى ، فإن بطاريات الصوديوم أيون أكثرالتكلفة التنافسيةجعلها مناسبة بشكل جيد لتخزين الشبكةوالأسواق الناشئة، ومن المتوقع أن يحققوا النجاح بسرعة أكبر. العديد من المؤيدين يدفعون من أجل بناءمشاريع واسعة النطاقفي التاليسنتين إلى ثلاث سنوات. في عام 2024 ، وسوق نظام تخزين طاقة البطارية (BESS)نمت من قبل44%، مع الوصول إلى السعة المثبتة ومبلغ التفريغ69 GW/161 GWH. والجدير بالذكر ، بواسطة2030، من المتوقع أن تقود البطاريات90 ٪ من نمو التخزينللقاءأهداف Net-Zero.

نتيجة لذلك ، ستظهر مجموعة من تقنيات البطارية في المستقبل ،الحالة الصلبةوبطاريات الصوديوم أيونمن المحتمل أن تقود الطريق.