Начало этого года ознаменовалось ростом интереса к аккумуляторам на основе натрий-ионной (Na-Ion) технологии. Среди их преимуществ — более высокая пожаро-безопасность, а также отсутствие в составе высокотоксичных веществ. В этой статье мы разберемся, насколько хороши Na-Ion аккумуляторы с точки зрения электрических параметров, и выясним, где их можно уже сейчас использовать.
Значительной проблемой для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов является терморазгон. При возникновении короткого замыкания аккумулятор быстро разогревается, что, в свою очередь, приводит к ускорению химических процессов в нем. Ситуация развивается лавинообразно, итогом нередко является возгорание, а то и взрыв аккумуляторной батареи. Замыкание аккумулятора не обязательно может быть внешним. Иногда оно происходит внутри накопителя энергии из-за возникновения так называемых дендритов. Именно из-за этого фактора Li-Ion аккумуляторы, если при их изготовлении и эксплуатации были допущены отклонения от установленных норм, могут самопроизвольно возгораться. К тому же соединения лития относятся к высокотоксичным веществам, это требует специальных мер по утилизации отработавших свое аккумуляторов.
Почему именно натрий?
В аккумуляторах электрическая энергия преобразуется в химическую, в таком виде хранится, а потом обратно преобразуется в электрическую.
Поэтому секрет успеха аккумуляторов на основе лития — в его химической активности. Сопоставимую химическую активность имеет натрий, по-этому его можно рассматривать в качестве замены. Конструкция Na-Ion аккумулятора аналогична Li-Ion, только вместо соединений лития используются соединения натрия. Напряжение, которое дает одна ячейка Na-Ion, составляет около 3 В, что примерно соответствует аналогичному показателю у Li-Ion.
Если атом лития имеет 2 электронных слоя, то атом натрия — 3 слоя. Ионы Li+ и Na+ имеют, соответственно, 1 и 2 электронных слоя. Ион натрия по размеру примерно на треть больше, чем ион лития. Из-за этого химические реакции в Na-Ion аккумуляторах происходят медленнее. Как результат — терморазгон в натриевых аккумуляторах практически невозможен.
Результаты испытаний
В марте этого года на прошедшей в Москве научно-практической конференции «Производство источников тока в России. Проблемы, задачи, инновации» генеральный директор ООО «САЭ» Антон Мухин рассказал о пожарной безопасности Na-Ion аккумуляторов. Исследования в данном направлении были проведены «САЭ» совместно с Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург).
Было установлено, что при коротком замыкании Na-Ion аккумулятор нагревается до температуры не более +72°C. Здесь натриевые устройства однозначно безопаснее, чем литиевые. А вот при перезаряде Na-Ion аккумулятора (т. е. попытке продолжить зарядку уже полностью заряженного накопителя энергии) он загорелся примерно так же, как и Li-Ion аккумулятор в тех же условиях.
Перезарядку аккумулятора легко предотвратить, используя предназначенное именно для него зарядное устройство. А вот короткое замыкание, обусловленное возникновением дендритов, сложно заранее предсказать. Поэтому в реальных условиях пожаробезопасность Na-Ion аккумуляторов будет выше.
Другие особенности Na-Ion аккумуляторов
Заряжать Na-Ion аккумуляторы можно при температуре от 0° до +55°C. Энергию уже заряженный аккумулятор способен давать при температуре от –50° до +60°C. Отличные параметры для стартерных аккумуляторов в обычных автомобилях. Аккумулятор заряжается, когда машина движется, при этом устройство можно нагревать теплом от мотора. А вот запускать двигатель приходится в условиях, когда машина еще не прогрелась. Нужная температура тягового аккумулятора электромобиля в процессе зарядки на морозе поддерживается специальным электрическим нагревателем — точно так же делают и для литиевых накопителей.
Плотность хранения энергии у Na-Ion аккумуляторов на момент написания статьи составляла 90–160 Втч/кг. У литиевых аккумуляторов системы LFP максимальное значение данного показателя может достигать 250 Втч/кг. Но LFP намного хуже Na-Ion по морозоустойчивости. Сопоставимую с Na-Ion устойчивость к низким температурам демонстрируют литиевые аккумуляторы системы LTO, но у них 90 Втч/кг — верхний предел плотности хранения энергии. По количеству циклов заряда-разряда, до 6000, Na-Ion аккумуляторы пока что уступают лучшим образцам литиевых. Но, возможно, это обусловлено пока еще недостаточно развитой технологией.
Возможность хранить длительное время натриевые аккумуляторы в разряженном состоянии без потери ими работоспособности пока является предметом дискуссий среди специалистов.
Na-Ion аккумуляторы, подобно литиевым, при работе выделяют небольшое количество газов. Здесь они уступают гелевым и AGM-аккумуляторам, корпуса которых полностью герметичны. Это критично в ряде случаев при использовании в центрах обработки данных.
Примеры реализации технологии
О серийном выпуске отечественных Na-Ion аккумуляторов у автора информации нет. Что же касается отечественных брендов с производством в Китае, то стоит упомянуть серию стартерных аккумуляторов для мототехники DELTA N, а также тягово-стартовые аккумуляторы серии LITOMAX Na+. Под брендом IPPON производятся ИБП с Na-Ion аккумуляторами.
Использование натрия в тяговых аккумуляторах электромобилей — главная интрига этого года. В феврале китайская компания выпустила опытный образец электромобиля Nevo A06 с натриевым тяговым аккумулятором производства CATL. На нем можно ездить при температуре до –50°C. Запас хода 398 км против 630 км у варианта той же модели с Li-Ion аккумулятором. Тем не менее натриевый аккумулятор сохраняет 90% емкости при температуре –40°C. А у литиевого уже при –20°C емкость падает в 1,5–2 раза. Поэтому реальный запас хода на морозе у варианта Changan Nevo A06 с Na-Ion будет больше. Серийное производство электромобиля намечено на июнь этого года.
Перспективы
Наибольшее распространение Na-Ion аккумуляторы получили в качестве стартерных на напряжение 12 В. Кроме этого, они используются в источниках бесперебойного питания (ИБП). В обоих случаях натриевые постепенно вытесняют не литиевые, а свинцово-кислотные аккумуляторы, ресурс которых не превышает 300 циклов заряда-разряда. Использование Na-Ion аккумуляторов как тяговых будет зависеть от желания потребителей выбрать вариант, когда дальность автономного хода несколько уменьшится, но при этом будет стабильной на протяжении всего года, без многократного уменьшения зимой.
Сейчас при одинаковой емкости цены на литиевые и натриевые аккумуляторы примерно равны. Но если учесть общую стоимость владения, а именно отсутствие затрат на дополнительные меры пожарной безопасности и утилизацию токсичных отходов, то использовать Na-Ion оказывается выгоднее. В будущем ожидается, что натриевые аккумуляторы станут дешевле литиевых, и это окажется весомым аргументом сделать выбор в их пользу.