Поскольку общество отходит от ископаемого топлива, спрос на батареи растет. Одновременно этот всплеск, вероятно, приведет к нехватке лития и кобальта, важнейших элементов в распространенных типах аккумуляторов. Альтернативным решением могут стать натрий-ионные аккумуляторы, в которых в качестве сырья в основном используются поваренная соль и биомасса, полученная в лесном секторе.
Теперь исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции показывают, что эти натрий-ионные батареи оказывают такое же воздействие на климат, как и их литий-ионные аналоги, но без риска исчерпания сырья.
“Материалы, которые мы будем использовать в батареях будущего, будут иметь важное значение для того, чтобы иметь возможность перейти на возобновляемую энергию и автомобильный парк, не использующий ископаемое топливо”, – говорит Рикард Арвидссон, доцент кафедры анализа экологических систем в Чалмерсе.
Согласно Закону о критическом сырье Европейской комиссии, ожидается, что спрос на критически важное сырье для аккумуляторов будет расти в геометрической прогрессии по мере перехода стран ЕС к системам возобновляемой энергии и электромобилям. “Зеленый” переход также потребует увеличения местного производства аккумуляторов и других новых технологий, не использующих ископаемое топливо, а для удовлетворения спроса необходимы стабильные поставки сырья. В то же время такое производство несет в себе высокий риск перебоев в поставках из-за ограниченного количества источников сырья.
“Литий-ионные батареи становятся доминирующей технологией в мире, и они лучше влияют на климат, чем технологии, основанные на ископаемом топливе, особенно когда дело касается транспорта. Но литий представляет собой узкое место. Вы не можете производить батареи на основе лития такими же темпами, как вы хотите производить электромобили, и в долгосрочной перспективе месторождения рискуют быть истощенными”, – говорит Рикард Арвидссон.
В дополнение к этому критические материалы для аккумуляторов, такие как литий и кобальт, в основном добываются всего в нескольких местах в мире, что создает риск для поставок.
Натрий-ионные аккумуляторы предлагают многообещающую технологию
Разработка новых аккумуляторных технологий идет быстрыми темпами в поисках следующего поколения устойчивых накопителей энергии, которые предпочтительно должны иметь длительный срок службы, высокую плотность энергии и быть простыми в производстве. Исследовательская группа из Чалмерса решила рассмотреть натрий-ионные батареи, которые вместо лития содержат натрий – очень распространенное вещество, встречающееся в обычном хлориде натрия. В новом исследовании они провели так называемую оценку жизненного цикла батарей, в ходе которой изучили их общее воздействие на окружающую среду и ресурсы во время добычи сырья и производства.
“Мы пришли к выводу, что натрий-ионные батареи намного лучше литий-ионных с точки зрения воздействия на дефицит минеральных ресурсов и эквивалентны с точки зрения воздействия на климат. В зависимости от того, какой сценарий вы рассматриваете, они в конечном итоге составляют от 60 до чуть более 100 килограммов эквивалента углекислого газа на киловатт-час теоретической емкости хранения электроэнергии, что ниже, чем сообщалось ранее для этого типа натрий-ионных батарей. Это явно многообещающая технология”, – говорит Рикард Арвидссон.
Исследователи также определили ряд мер, которые могут еще больше снизить воздействие на климат, например, разработку более экологически чистого электролита, поскольку на его долю приходится большая часть общего воздействия батареи.
Зеленая энергия требует накопления энергии
Ожидается, что сегодняшние натрий-ионные батареи уже будут использоваться для стационарного хранения энергии в электросетях, а при дальнейшем развитии они, вероятно, также будут использоваться в электромобилях в будущем.
“Накопление энергии является необходимым условием для развития ветровой и солнечной энергетики. Учитывая, что хранение осуществляется преимущественно с помощью батареек, вопрос в том, из чего будут сделаны эти батарейки? Повышенный спрос на литий и кобальт может стать препятствием для этого развития”, – говорит Рикард Арвидссон.
Основным преимуществом этой технологии является то, что материалы, из которых изготовлены натрий-ионные батареи, широко распространены и их можно найти по всему миру. Один электрод в батареях – катод – имеет ионы натрия в качестве носителя заряда, а другой электрод – анод – состоит из твердого углерода, который в одном из исследованных исследователями Чалмерса примеров может быть получен из биомассы лесной промышленности. С точки зрения производственных процессов и геополитики, натрий-ионные батареи также являются альтернативой, которая может ускорить переход к обществу, свободному от ископаемого топлива.
“Батареи, основанные на богатом сырье, могут снизить геополитические риски и зависимость от конкретных регионов как для производителей аккумуляторов, так и для стран”, – говорит Рикард Арвидссон.
Исследование представляет собой перспективную оценку жизненного цикла двух различных натрий-ионных аккумуляторных элементов, где воздействие на окружающую среду и ресурсы рассчитывается от “колыбели” до “ворот”, то есть от добычи сырья до производства аккумуляторного элемента. Функциональной единицей исследования является теоретическая емкость хранения электроэнергии 1 кВт-ч на уровне ячейки.
Оба типа аккумуляторных элементов в основном основаны на богатом сырье. Анод состоит из твердого углерода, полученного из лигнина биологического происхождения или ископаемого сырья, а катод состоит из так называемых “прусских белил” (состоящих из натрия, железа, углерода и азота). Электролит содержит соль натрия. Производство моделируется так, чтобы соответствовать будущему крупномасштабному производству. Например, фактическое производство аккумуляторных элементов основано на сегодняшнем крупномасштабном производстве литий-ионных батарей на гигафабриках.
Были протестированы две разные комбинации электроэнергии, а также два разных типа так называемых методов распределения, то есть распределения ресурсов и выбросов. Один метод, при котором воздействие на климат и ресурсы распределяется между сопутствующими продуктами в зависимости от массы, и один метод, при котором все воздействие распределяется на основной продукт (натрий-ионный аккумулятор, его компоненты и материалы). (Eenergy.media/Энергетика Украины и мира)