Terwijl de prijzen van lithiumionbatterijen weer dalen, is de interesse in natriumion (Na-ion) energieopslag niet afgenomen. Met een wereldwijde opschaling van de productiecapaciteit van cellen op komst, blijft het onduidelijk of deze veelbelovende technologie de balans kan doen doorslaan in vraag en aanbod. Marija Maisch doet verslag.
Natriumionbatterijen ondergaan een kritieke periode van commercialisering, aangezien industrieën van de automobielindustrie tot energieopslag groot inzetten op de technologie. Gevestigde batterijfabrikanten en nieuwkomers vechten om van het lab naar de fab te komen met een levensvatbaar alternatief voor lithiumion. Met de laatstgenoemde standaard voor elektrische mobiliteit en stationaire opslag moet nieuwe technologie bewezen voordelen bieden. Natriumion lijkt goed geplaatst, met superieure veiligheid, grondstofkosten en milieureferenties.
Natriumionapparaten hebben geen kritische materialen nodig, omdat ze afhankelijk zijn van overvloedig natrium in plaats van lithium, en geen kobalt of nikkel. Toen de lithiumionprijzen in 2022 stegen, te midden van voorspellingen van materiaaltekorten, werd natriumion getipt als een rivaal en blijft de interesse groot, zelfs nu de lithiumionprijzen weer zijn gaan dalen.
"We houden momenteel rekening met een productiecapaciteit van 335.4 GWh voor natriumioncellen tot 2030, wat aantoont dat er nog steeds veel aandacht is voor de technologie", aldus Evan Hartley, senior analist bij Benchmark Mineral Intelligence.
In mei 2023 voorspelde de in Londen gevestigde consultant dat er tot 150 2030 GWh mogelijk zou zijn.
Goedkoper
Natriumioncellen, op grote schaal geproduceerd, zouden 20% tot 30% goedkoper kunnen zijn dan lithiumferro/ijzerfosfaat (LFP), de dominante stationaire opslagbatterijtechnologie, voornamelijk dankzij overvloedig natrium en lage extractie- en zuiveringskosten. Natriumionbatterijen kunnen aluminium gebruiken voor de anodestroomcollector in plaats van koper – gebruikt in lithiumion – wat de kosten en risico's in de toeleveringsketen verder verlaagt. Die besparingen zijn echter nog steeds potentieel.
"Voordat natriumionbatterijen bestaande loodzuur- en lithium-ijzerfosfaatbatterijen kunnen uitdagen, moeten spelers in de industrie de kosten van de technologie verlagen door de technische prestaties te verbeteren, toeleveringsketens op te zetten en schaalvoordelen te behalen", aldus Shazan Siddiqi, senior technologieanalist bij het in het Verenigd Koninkrijk gevestigde marktonderzoeksbedrijf IDTechEx. "Het kostenvoordeel van Na-ion is alleen haalbaar wanneer de productieschaal een productieschaal bereikt die vergelijkbaar is met lithiumionbatterijcellen. Bovendien zou een verdere prijsdaling van lithiumcarbonaat het prijsvoordeel dat natrium biedt, kunnen verminderen."
Het is onwaarschijnlijk dat natriumion lithiumion zal vervangen in toepassingen die prioriteit geven aan hoge prestaties, en zal in plaats daarvan worden gebruikt voor stationaire opslag en micro-elektrische voertuigen. Analisten van S&P Global verwachten dat lithiumion tegen 80 2030% van de batterijmarkt zal leveren, met 90% van die apparaten gebaseerd op LFP. Natriumion zou 10% van de markt kunnen uitmaken.
Juiste keuzes
Onderzoekers hebben natriumionen sinds het midden van de 20e eeuw overwogen en recente ontwikkelingen omvatten verbeteringen in opslagcapaciteit en levenscyclus van apparaten, evenals nieuwe anode- en kathodematerialen. Natriumionen zijn omvangrijker dan lithium-tegenhangers, dus natriumioncellen hebben een lagere spanning en een lagere gravimetrische en volumetrische energiedichtheid.
De gravimetrische energiedichtheid van natriumionen ligt momenteel rond de 130 Wh/kg tot 160 Wh/kg, maar zal naar verwachting in de toekomst boven de 200 Wh/kg uitkomen, boven de theoretische limiet voor LFP-apparaten. In termen van vermogensdichtheid kunnen natriumionbatterijen echter 1 kW/kg hebben, hoger dan de 340 W/kg tot 420 W/kg van nikkel-mangaan-kobalt (NMC) en de 175 W/kg tot 425 W/kg van LFP.
Hoewel de levensduur van een natriumionapparaat van 100 tot 1,000 cycli lager is dan die van LFP, heeft de Indiase ontwikkelaar KPIT een levensduur gerapporteerd met 80% capaciteitsbehoud gedurende 6,000 cycli (afhankelijk van de celchemie), vergelijkbaar met lithiumionapparaten.
"Er is nog steeds geen enkele winnende chemie binnen natriumionbatterijen", aldus Siddiqi van IDTechEx. "Er worden veel R&D-inspanningen gedaan om het perfecte anode-/kathode-actieve materiaal te vinden dat schaalbaarheid buiten het labo mogelijk maakt."
Verwijzend naar de Amerikaanse organisatie voor veiligheidswetenschap Underwriter Laboratories voegde Siddiqi toe dat “de UL-standaardisatie voor natriumioncellen daarom nog wel even op zich laat wachten en dat dit OEM’s [original equipment manufacturers] terughoudend maakt om zich aan een dergelijke technologie te committeren.”
Pruisisch wit, polyanion en gelaagde oxide zijn kathodekandidaten met goedkopere materialen dan lithiumion-tegenhangers. De eerste, gebruikt door Northvolt en CATL, is overal verkrijgbaar en goedkoop, maar heeft een relatief lage volumetrische energiedichtheid. Het in het Verenigd Koninkrijk gevestigde bedrijf Faradion gebruikt gelaagde oxide, dat een hogere energiedichtheid belooft, maar na verloop van tijd wordt geplaagd door capaciteitsvermindering. Het Franse Tiamat gebruikt polyanion, dat stabieler is, maar giftig vanadium bevat.
"De meerderheid van de celproducenten die de capaciteit van natriumionbatterijen plannen, zal gebruikmaken van gelaagde oxidekathodetechnologie", aldus Hartly van Benchmark. "In feite is 71% van de [cel]pijplijn gelaagd oxide. Evenzo is 90.8% van de natriumionkathodepijplijn gelaagd oxide."
Terwijl kathodes de belangrijkste kostenfactor zijn voor lithiumionen, is de anode het duurste onderdeel in natriumionbatterijen. Harde koolstof is de standaardkeuze voor natriumionanodes, maar de productiecapaciteit blijft achter bij die van natriumioncellen, waardoor de prijzen stijgen. Harde koolstofmaterialen zijn onlangs afgeleid van diverse precursors zoals dierlijk afval, rioolslib, glucose, cellulose, hout, steenkool en aardoliederivaten. Synthetisch grafiet, een veelgebruikt lithiumionanodemateriaal, is bijna uitsluitend afhankelijk van de laatste twee precursors. Met zijn ontwikkelende toeleveringsketen is harde koolstof duurder dan grafiet en vormt het een van de belangrijkste hindernissen in de productie van natriumioncellen.
Om de hogere kosten gedeeltelijk te beperken, vertonen natriumionbatterijen een betere temperatuurtolerantie, met name bij temperaturen onder nul. Ze zijn veiliger dan lithiumionbatterijen, omdat ze kunnen worden ontladen tot nul volt, waardoor het risico tijdens transport en verwijdering wordt verminderd. Lithiumionbatterijen worden doorgaans opgeslagen bij een lading van ongeveer 30%. Natriumion heeft minder brandgevaar, omdat de elektrolyten een hoger vlampunt hebben - de minimumtemperatuur waarbij een chemische stof kan verdampen om een ontvlambaar mengsel met lucht te vormen. Omdat beide chemieën een vergelijkbare structuur en werkingsprincipes hebben, kan natriumion vaak worden toegevoegd aan lithiumionproductielijnen en -apparatuur.
In feite integreert 's werelds grootste batterijmaker CATL natriumion in zijn lithiumioninfrastructuur en -producten. Zijn eerste natriumionbatterij, uitgebracht in 2021, had een energiedichtheid van 160 Wh/kg, met een beloofde 200 Wh/kg in de toekomst. In 2023 zei CATL dat de Chinese autofabrikant Chery de eerste zou zijn die zijn natriumionbatterijen zou gebruiken. CATL vertelde pv tijdschrift eind 2023 dat het een basisindustrieketen voor natriumionbatterijen heeft ontwikkeld en massaproductie heeft opgezet. De productieschaal en verzendingen zijn afhankelijk van de implementatie van het klantproject, zei CATL, eraan toevoegend dat er meer moet worden gedaan voor de grootschalige commerciële uitrol van natriumion. "We hopen dat de hele industrie zal samenwerken om de ontwikkeling van natriumionbatterijen te bevorderen", zei de batterijmaker.
Laden naar natrium
In januari 2024 zei de grootste autofabrikant en op één na grootste batterijleverancier van China, BYD, dat het was begonnen met de bouw van een natriumionbatterijfabriek van CNY 10 miljard ($1.4 miljard), 30 GWh per jaar. De output zal "micromobiliteits"-apparaten van stroom voorzien. HiNa, voortgekomen uit de Chinese Academie van Wetenschappen, had in december 2022 een natriumionbatterijproductielijn op gigawattuurschaal in gebruik genomen en een Na-ionbatterijproductassortiment en een prototype van een elektrische auto aangekondigd.
De Europese batterijmaker Northvolt onthulde in november 160 2023 Wh/kg-gevalideerde natriumionbatterijcellen. De technologie is ontwikkeld met Altris, een spin-off van de Universiteit van Uppsala in Zweden, en zal worden gebruikt in het volgende-generatie energieopslagapparaat van het bedrijf. Het huidige aanbod van Northvolt is gebaseerd op NMC-chemie. Bij de lancering zei Wilhelm Löwenhielm, senior director of business development voor energieopslagsystemen van Northvolt, dat het bedrijf een batterij wil die op grote schaal kan concurreren met LFP. "Naar verwachting zal de technologie LFP na verloop van tijd aanzienlijk overtreffen in termen van kostenconcurrentievermogen", zei hij.
Northvolt wil een "plug-and-play"-batterij voor snelle marktintroductie en opschaling. "Belangrijke activiteiten om deze specifieke technologie op de markt te brengen, zijn het opschalen van de toeleveringsketen voor batterij-grade materialen, wat Northvolt momenteel samen met partners doet", aldus Löwenhielm.
Kleinere spelers doen ook hun best om natriumiontechnologie naar de markt te brengen. Faradion, dat in 2021 werd overgenomen door het Indiase conglomeraat Reliance Industries, zegt dat het nu zijn next-generation celontwerp overdraagt naar productie. "We hebben een nieuwe celtechnologie en -voetafdruk ontwikkeld met 20% hogere energiedichtheid en een langere levensduur van de cyclus met een derde vergeleken met ons vorige celontwerp", aldus James Quinn, Chief Executive Officer (CEO) van Faradion.
De eerste generatie cellen van het bedrijf vertoonden een energiedichtheid van 160 Wh/kg. In 2022 zei Quinn dat het plan van Reliance was om een natriumionenfabriek van dubbele cijfers in gigawatt in India te bouwen. Voorlopig lijken die plannen nog steeds van kracht te zijn. In augustus 2023 vertelde Reliance-voorzitter Mukesh Ambani op de jaarlijkse aandeelhoudersvergadering van het bedrijf dat het bedrijf "gericht is op snelle commercialisering van onze natriumionbatterijtechnologie ... We zullen voortbouwen op ons technologische leiderschap door de productie van natriumioncellen te industrialiseren op megawattniveau tegen 2025 en daarna snel uit te breiden naar gigaschaal", zei hij.
productie
Startup Tiamat heeft zijn plannen om te beginnen met de bouw van een 5 GWh-productie-installatie in de Franse regio Hauts-de-France voortgezet. In januari 2024 haalde het € 30 miljoen ($ 32.4 miljoen) op aan eigen vermogen en schuldfinanciering en zei dat het verwacht de financiering van zijn industriële project in de komende maanden af te ronden, waarmee de totale financiering op ongeveer € 150 miljoen komt. Het bedrijf, een spin-off van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, zal in eerste instantie natriumioncellen produceren voor elektrisch gereedschap en stationaire opslagtoepassingen in zijn fabriek, "om de eerste bestellingen die al zijn ontvangen uit te voeren." Het zal zich later richten op opgeschaalde productie van tweede generatie producten voor batterij-elektrische voertuigtoepassingen.
In de Verenigde Staten zijn spelers in de industrie ook bezig met het opvoeren van hun commercialiseringsinspanningen. In januari 2024 kondigde Acculon Energy de serieproductie aan van zijn natriumionbatterijmodules en -pakketten voor mobiliteit en stationaire energieopslagtoepassingen en onthulde plannen om zijn productie tegen medio 2 op te schalen naar 2024 GWh. Ondertussen was Natron Energy, een spin-off van Stanford University, van plan om in 2023 te beginnen met de massaproductie van zijn natriumionbatterijen. Het doel was om 600 MW aan natriumioncellen te produceren in de bestaande lithiumionfabriek Meadowbrook van batterijproducent Clarios International in Michigan. Updates over de voortgang zijn echter beperkt gebleven.
Financiering
In oktober 2023 kwam Peak Energy met $ 10 miljoen aan financiering en een managementteam bestaande uit ex-Northvolt, Enovix, Tesla en SunPower-managers. Het bedrijf zei dat het in eerste instantie batterijcellen zou importeren en dat dit naar verwachting pas begin 2028 zou veranderen. "Je hebt ongeveer een miljard dollar nodig voor een kleinschalige gigawattfabriek - denk aan minder dan 10 GW", zei Peak Energy CEO Landon Mossburg bij de lancering. "Dus de snelste manier om op de markt te komen, is door een systeem te bouwen met cellen die beschikbaar zijn van een derde partij, en China is de enige plek die capaciteit opbouwt om voldoende cellen te verschepen." Uiteindelijk hoopt het bedrijf in aanmerking te komen voor binnenlandse contentcredits onder de Amerikaanse Inflation Reduction Act.
Sommige leveranciers, zoals India's KPIT, zijn de markt betreden zonder productieplannen. Het bedrijf voor software en technische oplossingen voor de automobielindustrie onthulde in december 2023 zijn natriumionbatterijtechnologie en begon aan een zoektocht naar productiepartners. Ravi Pandit, voorzitter van KPIT, zei dat het bedrijf meerdere varianten heeft ontwikkeld met energiedichtheid variërend van 100 Wh/kg tot 170 Wh/kg, en mogelijk zelfs 220 Wh/kg.
"Toen we begonnen met het werken aan natriumionbatterijen, was de aanvankelijke verwachting van energiedichtheid vrij laag", zei hij. "Maar de afgelopen acht jaar is de energiedichtheid omhoog gegaan vanwege de ontwikkelingen die wij en andere bedrijven hebben doorgevoerd." Anderen zijn op zoek naar leveringspartnerschappen. Vorig jaar zei de Finse technologiegroep Wärtsilä, een van 's werelds toonaangevende integratoren van batterij-energieopslagsystemen, dat het op zoek was naar potentiële partnerschappen of overnames op dit gebied. Destijds was het bezig met het testen van de technologie in zijn onderzoeksfaciliteiten. "Ons team blijft toegewijd aan het nastreven van nieuwe kansen op het gebied van diversificatie van energieopslagtechnologieën, zoals het opnemen van natriumionbatterijen in onze toekomstige stationaire energieopslagoplossingen", zei Amy Liu, directeur strategische oplossingenontwikkeling bij Wärtsilä Energy Storage and Optimization, in februari 2024.
Nearshoring-kans
Na veel aankondigingen over massaproductie bevinden natriumionbatterijen zich nu op het punt van maken of breken en de interesse van investeerders zal het lot van de technologie bepalen. De marktanalyse van IDTechEx, uitgevoerd in november 2023, suggereert een verwachte groei van ten minste 40 GWh tegen 2030, met een extra productiecapaciteit van 100 GWh die afhangt van het succes van de markt tegen 2025.
"Deze voorspellingen gaan uit van een naderende bloei in de [natriumionbatterij]industrie, die afhankelijk is van commerciële betrokkenheid binnen de komende paar jaar", aldus Siddiqi.
Natriumion zou nog een andere mogelijkheid kunnen bieden voor near-shore schone energievoorzieningsketens, met de benodigde grondstoffen zo gemakkelijk beschikbaar over de hele wereld. Het lijkt erop dat de trein het station al heeft verlaten.
"Net als in de beginfase van de markt voor lithium-ionbatterijen, zal de belangrijkste bottleneck voor de wereldwijde industrie de dominantie van China zijn", aldus Hartley van Benchmark. "Vanaf 2023 was 99.4% van de capaciteit van natriumioncellen gevestigd in China en dit cijfer zal naar verwachting alleen dalen tot 90.6% in 2030. Aangezien het beleid in Europa en Noord-Amerika erop gericht is om de toeleveringsketens van lithium-ionbatterijen weg te halen bij China, vanwege de afhankelijkheid van de binnenlandse productie, zal er ook een verschuiving nodig zijn in de natriumionmarkt om gelokaliseerde toeleveringsketens te creëren."
De standpunten en meningen in dit artikel zijn van de auteur en weerspiegelen niet noodzakelijk die van pv tijdschrift.
Deze content is auteursrechtelijk beschermd en mag niet worden hergebruikt. Als u met ons wilt samenwerken en een deel van onze content wilt hergebruiken, neem dan contact op met: editors@pv-magazine.com.
Bron van pv tijdschrift
Disclaimer: De hierboven vermelde informatie wordt onafhankelijk van Chovm.com verstrekt door pv-magazine.com. Chovm.com geeft geen verklaringen en garanties met betrekking tot de kwaliteit en betrouwbaarheid van de verkoper en producten.
