بطاريات أيون الصوديوم – بديل عملي لليثيوم؟

وبينما تنخفض أسعار بطاريات أيونات الليثيوم مرة أخرى، فإن الاهتمام بتخزين طاقة أيونات الصوديوم (Na-ion) لم يتضاءل. ومع التزايد العالمي في القدرة على تصنيع الخلايا، يظل من غير الواضح ما إذا كانت هذه التكنولوجيا الواعدة قادرة على قلب الموازين على العرض والطلب. تقرير ماريا مايش.

تمر بطاريات أيونات الصوديوم بفترة حرجة من التسويق، حيث تراهن الصناعات من السيارات إلى تخزين الطاقة بشكل كبير على هذه التكنولوجيا. يتنافس مصنعو البطاريات الراسخون والوافدون الجدد للانتقال من المختبر إلى المصنع باستخدام بديل قابل للتطبيق لأيون الليثيوم. ومع المعيار الأخير للتنقل الكهربائي والتخزين الثابت، يجب أن تقدم التكنولوجيا الجديدة مزايا مثبتة. يبدو أيون الصوديوم في وضع جيد، مع أمان فائق، وتكاليف المواد الخام، والمؤهلات البيئية.

لا تحتاج أجهزة أيون الصوديوم إلى مواد حرجة، حيث تعتمد على كمية وفيرة من الصوديوم بدلاً من الليثيوم، ولا تحتاج إلى الكوبالت أو النيكل. مع ارتفاع أسعار أيون الليثيوم في عام 2022، وسط توقعات بنقص المواد، تم اعتبار أيون الصوديوم منافسًا ويظل الاهتمام قويًا، حتى مع بدء أسعار أيون الليثيوم في الانخفاض مرة أخرى.

وقال إيفان هارتلي، كبير المحللين في شركة Benchmark Mineral Intelligence: "إننا نتتبع حاليًا 335.4 جيجاوات في الساعة من الطاقة الإنتاجية لخلايا أيون الصوديوم حتى عام 2030، مما يسلط الضوء على أنه لا يزال هناك التزام كبير بالتكنولوجيا".

وفي مايو 2023، قامت الشركة الاستشارية التي تتخذ من لندن مقراً لها بتتبع 150 جيجاوات في الساعة حتى عام 2030.

أرخص

يمكن أن تكون خلايا أيون الصوديوم، المنتجة على نطاق واسع، أرخص بنسبة 20٪ إلى 30٪ من فوسفات الليثيوم الحديدي / فوسفات الحديد (LFP)، تكنولوجيا بطاريات التخزين الثابتة المهيمنة، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى وفرة الصوديوم وانخفاض تكاليف الاستخراج والتنقية. يمكن لبطاريات أيونات الصوديوم استخدام الألومنيوم في مجمع تيار الأنود بدلاً من النحاس - المستخدم في أيونات الليثيوم - مما يؤدي إلى تقليل التكاليف ومخاطر سلسلة التوريد. ومع ذلك، لا تزال هذه الوفورات ممكنة.

وقال شازان صديقي، كبير محللي التكنولوجيا في يونايتد: "قبل أن تتمكن بطاريات أيون الصوديوم من تحدي بطاريات حمض الرصاص وفوسفات الحديد الليثيوم الحالية، سيحتاج اللاعبون في الصناعة إلى تقليل تكلفة التكنولوجيا من خلال تحسين الأداء الفني، وإنشاء سلاسل التوريد، وتحقيق وفورات الحجم". شركة أبحاث السوق IDTechEx ومقرها المملكة. "إن ميزة تكلفة Na-ion لا يمكن تحقيقها إلا عندما يصل حجم الإنتاج إلى نطاق تصنيع مماثل لخلايا بطاريات الليثيوم أيون. كما أن الانخفاض الإضافي في أسعار كربونات الليثيوم يمكن أن يقلل من الميزة السعرية التي يقدمها الصوديوم.

من غير المرجح أن يحل أيون الصوديوم محل أيون الليثيوم في التطبيقات التي تعطي الأولوية للأداء العالي، وسيتم استخدامه بدلاً من ذلك للتخزين الثابت والمركبات الكهربائية الصغيرة. ويتوقع محللو S&P Global أن يزود أيون الليثيوم 80% من سوق البطاريات بحلول عام 2030، مع اعتماد 90% من تلك الأجهزة على LFP. يمكن أن يشكل أيون الصوديوم 10% من السوق.

الخيارات الصحيحة

لقد أخذ الباحثون في الاعتبار أيون الصوديوم منذ منتصف القرن العشرين، وتشمل التطورات الأخيرة تحسينات في سعة التخزين ودورة حياة الجهاز، بالإضافة إلى مواد الأنود والكاثود الجديدة. أيونات الصوديوم أكبر حجمًا من نظيراتها من الليثيوم، لذلك تتمتع خلايا أيونات الصوديوم بجهد أقل بالإضافة إلى كثافة طاقة وزنية وحجمية أقل.

تبلغ كثافة الطاقة الوزنية لأيون الصوديوم حاليًا حوالي 130 وات ساعة/كجم إلى 160 وات ساعة/كجم، ولكن من المتوقع أن تصل إلى 200 وات ساعة/كجم في المستقبل، وهو أعلى من الحد النظري لأجهزة LFP. ومع ذلك، من حيث كثافة الطاقة، يمكن أن تحتوي بطاريات أيونات الصوديوم على 1 كيلو واط/كجم، وهي أعلى من بطاريات النيكل والمنغنيز والكوبالت (NMC) التي تتراوح من 340 واط/كجم إلى 420 واط/كجم وبطاريات LFP التي تتراوح من 175 واط/كجم إلى 425 واط/كجم.

في حين أن عمر جهاز أيون الصوديوم الذي يتراوح من 100 إلى 1,000 دورة أقل من LFP، فقد أبلغ المطور الهندي KPIT عن عمر افتراضي قدره 80٪ للاحتفاظ بقدرة 6,000 دورة - اعتمادًا على كيمياء الخلية - مقارنة بأجهزة أيون الليثيوم.

وقال صديقي من IDTechEx: "لا يوجد حتى الآن كيمياء فائزة واحدة ضمن بطاريات أيونات الصوديوم". "يتم بذل الكثير من جهود البحث والتطوير للعثور على المادة النشطة المثالية للأنود/الكاثود التي تسمح بقابلية التوسع إلى ما بعد مرحلة المختبر."

وفي إشارة إلى منظمة Underwriter Laboratories لعلوم السلامة ومقرها الولايات المتحدة، أضاف صديقي أن "توحيد معايير UL لخلايا أيون الصوديوم لا يزال بعيدًا، وهذا يجعل مصنعي المعدات الأصلية [مصنعي المعدات الأصلية] مترددين في الالتزام بمثل هذه التكنولوجيا."

يعتبر الأبيض البروسي، والبوليانيون، والأكسيد ذو الطبقات من المرشحين للكاثود الذين يتميزون بمواد أرخص من نظيراتهم من أيونات الليثيوم. الأول، الذي تستخدمه شركتا Northvolt وCATL، متاح على نطاق واسع ورخيص ولكنه يتمتع بكثافة طاقة حجمية منخفضة نسبيًا. وتستخدم شركة فاراديون، ومقرها المملكة المتحدة، أكسيدًا متعدد الطبقات، والذي يَعِد بكثافة طاقة أعلى، لكنه يعاني من تضاؤل ​​القدرة مع مرور الوقت. يستخدم تيامات الفرنسي البوليانيون، وهو أكثر استقرارًا ولكنه يتميز بالفاناديوم السام.

وقال هارتلي من شركة Benchmark: "إن غالبية منتجي الخلايا الذين يخططون لسعة بطاريات أيون الصوديوم سوف يستخدمون تكنولوجيا كاثود أكسيد الطبقات". "في الواقع، 71% من خط أنابيب [الخلية] عبارة عن طبقات من الأكسيد. وبالمثل، فإن 90.8% من خط أنابيب كاثود أيون الصوديوم عبارة عن طبقات من الأكسيد.

في حين أن الكاثودات هي المحرك الرئيسي لتكلفة أيون الليثيوم، فإن الأنود هو العنصر الأكثر تكلفة في بطاريات أيون الصوديوم. يعتبر الكربون الصلب هو الاختيار القياسي لأنودات أيونات الصوديوم، لكن الطاقة الإنتاجية تتخلف عن خلايا أيونات الصوديوم، مما يؤدي إلى ارتفاع الأسعار. تم مؤخرًا استخلاص مواد الكربون الصلب من سلائف متنوعة مثل النفايات الحيوانية وحمأة الصرف الصحي والجلوكوز والسليلوز والخشب والفحم والمشتقات النفطية. ويعتمد الجرافيت الاصطناعي، وهو مادة أنود أيون الليثيوم الشائعة، بشكل شبه حصري على المركبين السابقين الأخيرين. ومع تطور سلسلة التوريد، أصبح الكربون الصلب أكثر تكلفة من الجرافيت ويمثل إحدى العقبات الرئيسية في إنتاج خلايا أيون الصوديوم.

من خلال التخفيف جزئيًا من التكاليف المرتفعة، تظهر بطاريات أيونات الصوديوم قدرة أفضل على تحمل درجات الحرارة، خاصة في ظروف تحت الصفر. وهي أكثر أمانًا من أيونات الليثيوم، حيث يمكن تفريغها إلى صفر فولت، مما يقلل المخاطر أثناء النقل والتخلص منها. يتم تخزين بطاريات الليثيوم أيون عادةً عند نسبة شحن تبلغ حوالي 30%. أيون الصوديوم لديه خطر حريق أقل، حيث أن إلكتروليتاته لديها نقطة اشتعال أعلى - وهي الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يمكن أن تتبخر عندها المادة الكيميائية لتكوين خليط قابل للاشتعال مع الهواء. نظرًا لأن كلا الكيميائيتين تتميزان ببنية ومبادئ عمل متشابهة، فيمكن في كثير من الأحيان إسقاط أيون الصوديوم في خطوط ومعدات إنتاج أيونات الليثيوم.

في الواقع، تقوم شركة CATL الرائدة عالميًا في مجال تصنيع البطاريات بدمج أيون الصوديوم في بنيتها التحتية ومنتجات أيونات الليثيوم. كانت أول بطارية أيون صوديوم لها، تم إصدارها في عام 2021، تتمتع بكثافة طاقة تبلغ 160 وات ساعة/كجم، مع وعد بـ 200 وات ساعة/كجم في المستقبل. وفي عام 2023، قالت CATL إن شركة صناعة السيارات الصينية شيري ستكون أول من يستخدم بطاريات أيونات الصوديوم. قال كاتل مجلة الكهروضوئية وفي أواخر عام 2023 قامت بتطوير سلسلة صناعية أساسية لبطاريات أيون الصوديوم وأنشأت إنتاجًا ضخمًا. وقالت شركة CATL إن حجم الإنتاج والشحنات سيعتمد على تنفيذ مشروع العميل، مضيفة أنه يتعين القيام بالمزيد من أجل النشر التجاري على نطاق واسع لأيون الصوديوم. وقالت الشركة المصنعة للبطاريات: "نأمل أن تعمل الصناعة بأكملها معًا لتعزيز تطوير بطاريات أيونات الصوديوم".

شحن إلى الصوديوم

في يناير 2024، قالت شركة BYD، أكبر شركة لصناعة السيارات في الصين وثاني أكبر مورد للبطاريات، إنها بدأت في بناء مصنع لبطاريات أيون الصوديوم بتكلفة 10 مليارات يوان صيني (1.4 مليار دولار أمريكي)، بقدرة 30 جيجاوات في الساعة سنويًا. سوف يعمل الناتج على تشغيل أجهزة "التنقل الصغير". قامت شركة HiNa، التي انبثقت عن الأكاديمية الصينية للعلوم، في ديسمبر 2022، بتشغيل خط إنتاج بطارية أيون الصوديوم بقدرة جيجاوات/ساعة، وأعلنت عن مجموعة منتجات بطاريات Na-ion ونموذج أولي للسيارة الكهربائية.

كشفت شركة صناعة البطاريات الأوروبية نورثفولت النقاب عن خلايا بطارية أيون الصوديوم بقوة 160 واط/كجم في نوفمبر 2023. وتم تطوير هذه التقنية بالتعاون مع شركة Altris – التي انبثقت من جامعة أوبسالا في السويد – وسيتم استخدامها في جهاز تخزين الطاقة من الجيل التالي للشركة. يعتمد عرض Northvolt الحالي على كيمياء NMC. عند الإطلاق، قال فيلهلم لوينهيلم، المدير الأول لتطوير الأعمال في شركة Northvolt لأنظمة تخزين الطاقة، إن الشركة تريد بطارية قادرة على المنافسة مع LFP على نطاق واسع. وقال: "بمرور الوقت، من المتوقع أن تتجاوز التكنولوجيا LFP بشكل كبير من حيث القدرة التنافسية من حيث التكلفة".

تريد شركة Northvolt بطارية "قابلة للتوصيل والتشغيل" للدخول السريع إلى السوق وتوسيع نطاقه. وقال لوينهيلم: "تتمثل الأنشطة الرئيسية لجلب هذه التكنولوجيا تحديدًا إلى السوق في توسيع نطاق سلسلة التوريد للمواد المخصصة للبطاريات، وهو ما تقوم به شركة Northvolt حاليًا، جنبًا إلى جنب مع الشركاء".

ويبذل اللاعبون الصغار أيضًا جهودهم لجلب تكنولوجيا أيون الصوديوم إلى التسويق التجاري. تقول شركة Faradion، التي استحوذت عليها مجموعة Reliance Industries الهندية في عام 2021، إنها تنقل الآن تصميم خلايا الجيل التالي إلى الإنتاج. وقال جيمس كوين، الرئيس التنفيذي لشركة Faradion: "لقد قمنا بتطوير تقنية خلايا جديدة وبصمة بصمة مع كثافة طاقة أعلى بنسبة 20%، وزيادة في عمر الدورة بمقدار الثلث مقارنة بتصميم الخلية السابق لدينا".

أظهرت خلايا الجيل الأول للشركة كثافة طاقة تبلغ 160 واط ساعة/كجم. وفي عام 2022، قال كوين إن خطة ريلاينس كانت تتمثل في بناء مصنع أيون الصوديوم برقم مزدوج جيجاوات في الهند. وفي الوقت الحالي، يبدو أن هذه الخطط لا تزال قائمة. في أغسطس 2023، قال رئيس مجلس إدارة شركة ريلاينس موكيش أمباني في اجتماع المساهمين السنوي للشركة إن العمل "يركز على التسويق التجاري السريع لتكنولوجيا بطاريات أيون الصوديوم الخاصة بنا... وسوف نبني على ريادتنا التكنولوجية من خلال تصنيع إنتاج خلايا أيون الصوديوم على مستوى ميجاوات بحلول عام 2025". XNUMX ثم نصل إلى الجيجاسكيل بسرعة بعد ذلك.

الإنتــاج

مضت شركة Startup Tiamat قدمًا في خططها لبدء بناء مصنع إنتاج بقدرة 5 جيجاوات في الساعة في منطقة Hauts-de-France بفرنسا. وفي يناير 2024، جمعت 30 مليون يورو (32.4 مليون دولار) من تمويل الأسهم والديون، وقالت إنها تتوقع استكمال تمويل مشروعها الصناعي في الأشهر المقبلة، ليصل إجمالي التمويل إلى حوالي 150 مليون يورو. ستقوم الشركة، وهي فرع من المركز الوطني الفرنسي للبحث العلمي، في البداية بتصنيع خلايا أيون الصوديوم لأدوات الطاقة وتطبيقات التخزين الثابتة في مصنعها، "لتلبية الطلبات الأولى التي تم تلقيها بالفعل". وسوف يستهدف لاحقًا زيادة إنتاج منتجات الجيل الثاني لتطبيقات المركبات الكهربائية التي تعمل بالبطارية.

وفي الولايات المتحدة، تعمل الجهات الفاعلة في الصناعة أيضًا على تكثيف جهودها التجارية. في يناير 2024، أعلنت شركة Acculon Energy عن إنتاج سلسلة من وحدات وحزم بطاريات أيون الصوديوم الخاصة بها لتطبيقات التنقل وتخزين الطاقة الثابتة وكشفت عن خطط لزيادة إنتاجها إلى 2 جيجاوات في الساعة بحلول منتصف عام 2024. وفي الوقت نفسه، تعتزم شركة Natron Energy، وهي شركة فرعية من جامعة ستانفورد، البدء في إنتاج بطاريات أيون الصوديوم بكميات كبيرة في عام 2023. وكان هدفها إنتاج 600 ميجاوات من خلايا أيون الصوديوم في منشأة أيون الليثيوم ميدوبروك التابعة لشركة Clarios International لإنتاج البطاريات، في ميشيغان. ومع ذلك، كانت التحديثات بشأن التقدم محدودة.

التمويل:

في أكتوبر 2023، ظهرت Peak Energy بتمويل قدره 10 ملايين دولار وفريق إداري يضم مديرين تنفيذيين سابقين في شركات Northvolt وEnovix وTesla وSunPower. وقالت الشركة إنها ستستورد في البداية خلايا البطاريات، ومن غير المتوقع أن يتغير ذلك حتى أوائل عام 2028. وقال لاندون موسبورج، الرئيس التنفيذي لشركة Peak Energy، عند الإطلاق: "تحتاج إلى حوالي مليار دولار لمصنع صغير الحجم جيجاوات - فكر في أقل من 10 جيجاوات". . "لذا فإن أسرع طريقة للوصول إلى السوق هي بناء نظام بخلايا متاحة من طرف ثالث، والصين هي المكان الوحيد الذي يبني القدرة على شحن ما يكفي من الخلايا." وفي النهاية، تأمل الشركة في التأهل للحصول على أرصدة المحتوى المحلي بموجب قانون خفض التضخم الأمريكي.

وقد دخل بعض الموردين، مثل شركة KPIT الهندية، إلى الفضاء دون أي خطط إنتاج. كشفت شركة برمجيات السيارات والحلول الهندسية عن تقنية بطاريات أيون الصوديوم في ديسمبر 2023 وشرعت في البحث عن شركاء التصنيع. قال رافي بانديت، رئيس مجلس إدارة KPIT، إن الشركة طورت متغيرات متعددة بكثافة طاقة تتراوح من 100 واط ساعة/كجم إلى 170 واط ساعة/كجم، ومن المحتمل أن تصل إلى 220 واط ساعة/كجم.

وقال: "عندما بدأنا العمل على بطاريات أيونات الصوديوم، كانت التوقعات الأولية لكثافة الطاقة منخفضة للغاية". "لكن على مدى السنوات الثماني الماضية، ارتفعت كثافة الطاقة بسبب التطورات التي قمنا بها نحن وشركات أخرى." ويبحث آخرون عن شراكات التوريد. في العام الماضي، قالت مجموعة التكنولوجيا الفنلندية Wärtsilä - إحدى الشركات الرائدة في العالم في مجال تكامل أنظمة تخزين طاقة البطاريات - إنها تسعى إلى إقامة شراكات أو عمليات استحواذ محتملة في هذا المجال. وفي ذلك الوقت، كانت تتجه نحو اختبار التكنولوجيا في مرافقها البحثية. وقالت إيمي ليو، مديرة تطوير الحلول الإستراتيجية في شركة Wärtsilä لتخزين الطاقة وتحسينها، في فبراير/شباط: "لا يزال فريقنا ملتزمًا بالسعي وراء فرص جديدة فيما يتعلق بتنويع تقنيات تخزين الطاقة، مثل دمج بطاريات أيون الصوديوم في حلول تخزين الطاقة الثابتة المستقبلية لدينا". 2024.

فرصة قريبة

بعد العديد من إعلانات الإنتاج الضخم، أصبحت بطاريات أيونات الصوديوم الآن في مرحلة التصنيع أو الانهيار، وسيحدد اهتمام المستثمرين مصير التكنولوجيا. يشير تحليل السوق الذي أجرته IDTechEx، والذي تم إجراؤه في نوفمبر 2023، إلى نمو متوقع لا يقل عن 40 جيجاوات في الساعة بحلول عام 2030، مع 100 جيجاوات في الساعة إضافية من القدرة التصنيعية تتوقف على نجاح السوق بحلول عام 2025.

وقال صديقي: "تفترض هذه التوقعات حدوث طفرة وشيكة في صناعة [بطاريات أيون الصوديوم]، والتي تعتمد على الالتزام التجاري خلال السنوات القليلة المقبلة".

يمكن أن يوفر أيون الصوديوم فرصة أخرى لسلاسل توريد الطاقة النظيفة القريبة من الشاطئ، مع توفر المواد الخام المطلوبة بسهولة في جميع أنحاء العالم. يبدو أن القطار قد غادر المحطة بالفعل.

وقال هارتلي من شركة Benchmark: "كما هو الحال في المراحل الأولى لسوق بطاريات أيون الليثيوم، فإن العائق الرئيسي أمام الصناعة العالمية سيكون هيمنة الصين". "اعتبارًا من عام 2023، كانت 99.4% من سعة خلايا أيون الصوديوم موجودة في الصين، ومن المتوقع أن ينخفض ​​هذا الرقم إلى 90.6% بحلول عام 2030. وبينما تسعى السياسة في أوروبا وأمريكا الشمالية إلى تحويل سلاسل توريد بطاريات أيون الليثيوم بعيدًا عن الصين، بسبب إلى الاعتماد على الإنتاج المحلي، كذلك ستكون هناك حاجة إلى تحول في سوق أيونات الصوديوم لإنشاء سلاسل توريد محلية.

الآراء والآراء الواردة في هذا المقال هي آراء ووجهات نظر المؤلف ولا تعكس بالضرورة آراء وآراء مجلة الكهروضوئية.

هذا المحتوى محمي بموجب حقوق الطبع والنشر ولا يجوز إعادة استخدامه. إذا كنت ترغب في التعاون معنا وترغب في إعادة استخدام بعض المحتوى الخاص بنا، فيرجى الاتصال بـ: Editors@pv-magazine.com.

مصدر من مجلة الكهروضوئية

إخلاء المسؤولية: يتم توفير المعلومات المذكورة أعلاه بواسطة pv-magazine.com بشكل مستقل عن Alibaba.com. لا تقدم Alibaba.com أي تعهدات أو ضمانات فيما يتعلق بجودة وموثوقية البائع والمنتجات.