В цій статті не буде багато «наукових» термінів, хоча місцями вони й потрібні. Зловживати не будемо і донесемо суть до вас максимально просто та доступно, як у ChatGPT.
Загалом стаття не буде про “чудо-рішення”, яке вже перевершує все. Технологія ще розвивається, має обмеження, які поки що не дають їй значних комерційних переваг.
То про що мова?
Натрій-іонні акумулятори (Sodium-ion batteries, SIBs) — це один із найперспективніших напрямків розвитку сучасних систем зберігання енергії.
Є багато інших технологій — у тому числі й таких, що сьогодні видаються неперспективними. Але хто знає цих учених 🙂 — сьогодні не перспективне, а завтра вже й цінник є.
Основна перевага — використання натрію, елемента, який у 1000 разів поширеніший за літій і дешевший у видобутку. Накопати натрій у городі, звісно, не вийде — але хто знає, що там, крім кулемета, закопано? 😊
SIB-батареї розглядаються як альтернатива літій-іонним (Li-ion), особливо для:
- стаціонарних систем зберігання енергії (вітрова/сонячна генерація);
- недорогих портативних пристроїв;
- умов, де важлива безпека та стабільність.
Принцип роботи
За базовим принципом Na-ion батареї повністю повторюють Li-ion, але з іншим іоном:
- під час заряджання іони натрію переміщуються від катода до анода;
- під час розряджання — повертаються до катода, створюючи електричний струм.
| Компонент | Роль |
|---|---|
| Катод | Основне джерело іонів Na⁺ |
| Анод | Місце, куди іони “вбудовуються” під час зарядки |
| Електроліт | Рідина або гель, через який рухаються іони |
| Сепаратор | Перегородка, яка не дає електродам торкатися напряму |
Матеріали для катодів
Трохи про катод, це ключовий елемент, який визначає напругу, ємність і термін служби батареї.
Найпоширеніші матеріали:
Шаруваті оксиди натрію (NaxMO2)
Переваги: висока напруга, хороша ємність.
Недоліки: структурна нестабільність після багатьох циклів.
Поліаніонні матеріали (Na3V2(PO4)3, NaFePO4)
Плюси: стабільна структура, довгий термін служби.
Мінуси: нижча енергощільність, ніж у шаруватих оксидах.
Мінуси катодів переліком:
- Розширення/стискання структури під час руху іонів натрію.
- Окисно-відновні процеси, які погіршують матеріал.
- Обмежена максимальна напруга.
Анодні матеріали
Анод у натрій-іонних батареях — один з найскладніших аспектів, оскільки іон натрію жирніший більший, ніж іон літію і гірше “вбудовується” у графіт.
Тому класичний графіт, як у літій-іонних батареях, не підходить.
Основні аноди
- Тверді вуглецеві матеріали (hard carbon)
Стандарт для сучасних SIB - Оксиди й фосфати металів
Можуть давати високу ємність, але мають проблеми зі стабільністю. - Алюмінієві колектори
На відміну від Li-ion, для аноду Na-ion можна використовувати алюміній замість міді — це робить батарею дешевшою
Електроліти та сепаратори
Рідкі електроліти
Найчастіше застосовуються органічні розчинники з солями натрію.
Тверді електроліти (solid-state Na battery)
Перспективні для безпечних батарей, але ще дорогі та мають нижчу іонну провідність.
Основні вимоги:
- висока провідність іонів Na⁺
- стабільність при напрузі
- відсутність реакції з анодом
Порівняння Li-ion і Na-ion
| Параметр | Na-ion | Li-ion |
|---|---|---|
| Вартість | дуже низька | висока |
| Енергощільність | середня | висока |
| Безпека | висока | середня |
| Ресурс | хороший | відмінний |
| Екологічність | висока | середня |
Поточні проблеми і виклики. Куди ж без них.
| Проблема | Суть |
|---|---|
| Енергощільність нижча | важче досягти високої ємності |
| Важкий і великий Na⁺ | складність з анодами |
| Деградація катодів | особливо шаруватих |
| Масштабування | промисловість тільки формується |
Застосування натрій-іонних батарей
- домашні та промислові системи накопичення енергії
- електростанції на сонці/вітрі
- невибагливі електротранспортні засоби
- недорогі портативні прилади
- мережеві буфери та резервні системи
Комерційний прогрес
2023–2025 роки:
- запуск комерційних Na-ion батарей у Китаї (CATL, HiNa Battery)
- впровадження у систему енергозбереження (ESS, системи зберігання енергії)
- перші електромобілі з Na-ion батареями
- прототипи анод-фрі конструкцій
- катоди з максимальною ємністю на основі оксидів та V-систем (ванадій-систем, щоб краще було зрозуміти)
Що маємо в цілому
Натрій-іонні батареї — це не “замінник” літію у смартфонах, а масштабна, дешева, безпечна технологія для енергетики майбутнього.
Їх розвиток в найближчі 3–5 років, прогнозовано:
- зростання енергощільності (до 160–180 Wh/kg)
- зниження вартості, тут звісно все залежить від маркетологів
- поява побутових накопичувачів з Na-ion
- інтеграція у великі зелені енергосистеми
Технологія вже близько до зрілості, після 2026–2028 очікується масове впровадження.
Про безпеку бо це важливо
Наскільки критичним є питання безпеки для натрій-іонних батарей: чи існує ризик перегріву, займання, утворення дендритів тощо.
Однією з важливих переваг натрій-іонних батарей є їхня вища термостабільність у порівнянні з літій-іонними.
Натрій менш схильний до утворення нестабільних дендритів (такі собі маленькі металеві “голочки”, які можуть виростати всередині акумулятора під час заряджання, а рости можуть так що й пробити сепаратор можуть, а там і до замикання рукою подати), а матеріали катодів та електролітів мають більш стабільну хімічну поведінку при високих температурах.
Що це все означає:
- менший ризик перегрівання або теплового розгону;
- кращу поведінку при циклічних навантаженнях;
- відсутність надмірної реактивності при механічних пошкодженнях;
- можливість використання дешевших, менш вибагливих систем охолодження.
У системах стаціонарного зберігання енергії безпека є критичним параметром. І саме тут Na-ion технологія має реальну перевагу: нижча пожежонебезпека та стабільність при тривалій роботі роблять її хорошим кандидатом для підстанцій, домашніх накопичувачів і промислових ESS-станцій (такі собі станції накопичення енергії, але прям великі, привіт Ілон Маск).
Будь першим хто прокоментує