Perlombaan untuk menggantikan lithium: Apakah natrium masa depan baterai?

Baterai natrium-ion menunjukkan janji sebagai alternatif yang lebih murah, lebih tangguh untuk teknologi lithium-ion, tetapi mencapai daya saing pasar akan membutuhkan kemajuan teknologi besar dan kondisi pasar yang mendukung, menurut studi yang dipimpin Stanford yang baru.

Legiun insinyur baterai dan pendukungnya telah berupaya selama bertahun-tahun untuk membangun baterai lebih murah daripada teknologi ion lithium yang dominan, berharap dapat menangkap beberapa pasar lithium-ion $ 50 miliar per tahun dan pasar yang terus bertambah.

Pesaing kesayangan terbaru di antara para peneliti, startup, dan pemodal ventura-baterai natrium-ion-telah menerima banyak perhatian setelah tantangan rantai pasokan mineral yang diinduksi Covid mengirim harga lithium pada perjalanan liar. Namun, mencapai pesaing berbiaya rendah mungkin beberapa tahun lagi untuk baterai natrium-ion dan akan membutuhkan serangkaian kemajuan teknologi dan kondisi pasar yang menguntungkan, menurut studi baru di Energi alam.

Baterai natrium-ion sering diasumsikan memiliki biaya yang lebih rendah dan rantai pasokan yang lebih tangguh dibandingkan dengan baterai lithium-ion. Meskipun banyak potensi, baterai natrium-ion masih menghadapi perjuangan berat. Jumlah energi yang mereka pegang per pon cenderung lebih rendah dari baterai lithium-ion. Jadi, kemungkinan harga bahan yang lebih rendah, biaya per unit energi yang disimpan tetap lebih tinggi untuk baterai natrium-ion. Ini kemungkinan akan membatasi adopsi komersial yang meluas – kecuali terobosan penelitian dapat dilakukan terlebih dahulu.

Area yang paling subur untuk kemajuan disorot dalam penelitian ini, yang pertama oleh kemitraan baru antara Stanford Doerr School of Sustainability's Precourt Institute for Energy dan SLAC-Stanford Battery Center. Program baru, Steer, menilai potensi teknologi dan ekonomi dari teknologi energi yang muncul dan menyarankan “apa yang harus dibangun, di mana untuk berinovasi, dan bagaimana berinvestasi” untuk transisi energi. Studi baru ini mengevaluasi lebih dari 6.000 skenario untuk menguji kekokohan peta jalan mereka untuk potensi kompetitif baterai natrium-ion.

Menilai kelayakan pasar natrium-ion

“Harga baterai lithium-ion naik untuk pertama kalinya pada tahun 2022, yang memicu alarm untuk berpotensi membutuhkan alternatif. Sodium-ion mungkin merupakan penantang jangka pendek yang paling menarik bagi lithium-ion, dan banyak perusahaan baterai mengumumkan rencana pembangunan besar dari manufaktur natrium-ion, jalur yang menjanjikan ke harga yang lebih rendah daripada petahana, ”kata Adrian Yao, pimpinan penelitian ini Penulis serta pendiri dan tim Pimpinan Steer, yang dimulai pada Oktober 2023 dengan dukungan tiga kantor di dalam Departemen Energi AS.

“Kami menyadari bahwa jika, kapan, dan bagaimana baterai natrium-ion dapat meremehkan lithium-ion pada harga sebagian besar spekulatif, terutama mengingat bahwa harga lithium-ion terus turun,” kata Yao, seorang kandidat doktor yang kembali ke akademisi setelah setelah akademisi setelah setelah akademisi setelah setelah akademisi setelah setelah setelah akademisi setelah setelah akademisi setelah setelahnya setelah setelah akademisi setelah setelah itu setelah akademisi setelahnya setelah itu setelah jatuh ke akademisi setelah itu Delapan tahun menjadi pendiri dan chief technology officer dari startup baterai lithium-ion sekarang memproduksi baterai dalam skala komersial yang besar.

Co-Advisor PhD Yao adalah penulis senior studi baru dan co-sutradara Steer: Sally Benson, profesor keluarga Precourt di Departemen Ilmu Energi & Teknik di Doerr School of Sustainability; dan William Chueh, seorang profesor sains material di School of Engineering, OF foton Sains di SLAC, dan Ilmu Energi dan Teknik di Sekolah Doerr.

“Studi ion natrium ini adalah upaya yang sempurna untuk meluncurkan Steer sebagai cara baru untuk memandu penelitian dan investasi menuju peta jalan teknologi yang paling layak dikejar dan, mungkin lebih penting, jauh dari orang-orang yang tidak mungkin berhasil,” kata Benson.

Lakukan dan tidak untuk natrium-ion

Untuk bersaing dengan harga, khususnya terhadap varian berbiaya rendah dari baterai lithium-ion yang dikenal sebagai lithium-iron-fosfat, penelitian ini menyoroti beberapa rute utama untuk pengembang baterai natrium-ion. Yang paling penting adalah meningkatkan kepadatan energi tanpa menggunakan mineral kritis. Secara khusus, pengembang harus menargetkan kepadatan energi lithium-iron-fosfat sambil menjauh dari nikel. Saat ini, sebagian besar desain ion natrium terkemuka mengandalkan logam yang relatif mahal.

“Tujuan utama kami, bagaimanapun, tidak memprediksi tahun -tahun tertentu ketika kami mengharapkan paritas harga, tetapi dalam memunculkan dampak dari berbagai skenario pasar pada kelayakan teknologi yang bersaing,” kata Chueh.

“Sebagai teknolog dan investor, kami tidak dapat berasumsi bahwa ekonomi-skala akan selalu mengirimkan harga yang anjlok begitu perangkat mencapai produksi komersial. Ya, akan ada kurva belajar, tetapi di sini kami mengukur kurva ini dan menunjukkan bahwa itu tidak cukup sendiri, ”kata Chueh, yang juga merupakan direktur Institute untuk Energi Precourt. “Kemajuan rekayasa kemungkinan akan melakukan lebih banyak untuk memotong biaya baterai natrium-ion daripada sekadar menskalakan produksi.”

Kemajuan seperti itu dan kimia baterai baru umumnya layak dikejar, kata para peneliti. Deparment of Energy's Energy Energy Storage Supply Rantai Analisis mencatat bahwa diversifikasi teknologi untuk sistem penyimpanan energi grid dapat meningkatkan ketahanan keseluruhan rantai pasokan. Terus sangat bergantung pada baterai lithium-ion karena lebih banyak penyimpanan energi diperlukan untuk transisi global ke energi berkelanjutan akan menimbulkan risiko keamanan, ekonomi, dan geopolitik. Sebagai contoh, penelitian ini mensimulasikan bagaimana daya saing natrium-ion akan dipercepat jika guncangan pasokan terjadi pada grafit-bahan kritis yang digunakan dalam baterai lithium-ion di mana Cina mengendalikan lebih dari 90% pasokan global. Faktanya, pada 3 Desember 2024, Cina mulai secara signifikan membatasi ekspor grafit ke Amerika Serikat, sementara juga melarang ekspor tiga mineral kritis lainnya.

Studi ini juga mengidentifikasi kekuatan pasar dan kondisi rantai pasokan yang dapat merusak persaingan natrium-ion dengan lithium-ion. Misalnya, jika harga lithium berlanjut di mana mereka saat ini berada di dekat posisi terendah bersejarah, ion natrium memiliki serangkaian rute teknologi yang lebih sempit untuk menjadi harga yang menguntungkan dalam dekade mendatang.

“Satu hal utama yang kami pelajari dari praktisi industri adalah bahwa sementara harga sel baterai penting, teknologi hanya berhasil di tingkat sistem, katakanlah kendaraan listrik atau sistem penyimpanan energi baterai skala grid. Itu sebabnya kami sekarang memperluas ruang lingkup kami untuk memberikan perspektif yang lebih holistik, termasuk memahami biaya keselamatan dan pertimbangan sistem lainnya, ”kata Yao.

Selanjutnya

Steer telah mulai menerapkan pendekatannya ke bidang teknologi lainnya. Para peneliti sedang memeriksa rantai pasokan dari mineral kritis yang disebutkan sebelumnya dan sering diabaikan: grafit. Eksekutif industri dan Departemen Pemimpin Energi menyarankan pertanyaan yang tepat untuk ditanyakan dan dijawab di meja bundar di Washington, DC pada bulan September. Lokakarya ini mencakup lebih dari 40 organisasi industri, menjahit bersama rantai nilai dari perusahaan pertambangan hingga pembuat mobil, serta setiap produsen grafit dengan pendanaan di bawah undang -undang infrastruktur bipartisan.

“Steer mampu mengidentifikasi jalan dengan peluang tertinggi untuk berkontribusi pada transisi energi dan mereka yang kemungkinan tidak akan memimpin berkat kolaborator kami di industri, pemerintah, dan lembaga penelitian lainnya,” kata Benson. “Tim kami menggabungkan pengalaman penyebaran komersial, roadmapping teknologi, dan pemikiran sistem.”

Tim Steer juga berencana untuk menganalisis peta jalan teknologi dalam penyimpanan energi jangka panjang, serta area transisi energi lainnya seperti hidrogen dan dekarbonisasi industri.

Referensi: “Menilai secara kritis peta jalan teknologi ion-ion dan skenario untuk daya saing tekno-ekonomi terhadap baterai lithium-ion” oleh Adrian Yao, Sally M. Benson dan William C. Chueh, 13 Januari 2025, Energi alam.
Doi: 10.1038/s41560-024-01701-9

Studi ini didanai oleh Departemen Energi AS.