Így válthatja le az akkumulátorokban a nátrium a lítiumot

Wright törvénye szerint minden alkalommal, amikor egy termék legyártott mennyisége megduplázódik, az előállítási költsége egy közel konstans százalékkal csökken. Ezt a jelenséget élőben is megfigyelhetjük a lítium-ion akkumulátorok esetében, melyek kilowattóránkénti fajlagos ára 2010 óta 1000 dollárról 150 dollár alá esett, ami bő 80%-os csökkenést jelent.

Az idő előrehaladtával azonban egyre nehezebbé válik újra és újra megduplázni a legyártott mennyiséget, így a költségcsökkenés üteme elkerülhetetlenül lassulni fog. A gyártási folyamatok optimalizálásának eredményeként az anyagköltség egyre nagyobb arányt képvisel az összköltségeken belül, ezért magának az akkumulátornak az ára is egyre nagyobb mértékben függ a nyersanyagok világpiaci árától, ami felvet egy újabb problémát: a lítium-ion akkumulátorokban felhasznált kritikus fémek, mint a nikkel, a kobalt, a lítium és a réz aránylag ritkák, és a növekvő kereslet miatt egyre drágábbá váltak az elmúlt időszakban. A lítium-karbonát ára 2019 óta az ötszörösére nőtt, legutóbb pedig a nikkel ára lőtt ki, ebből fakadóan az akkumulátorok ára is emelkedésbe kezdett.

Az alapanyagok árának emelkedése nagyon erős gazdasági ösztönzést jelent az olcsóbb alternatívák megtalálására. Ezért jelentek meg a piacon a lítium-vasfoszfát akkumulátorok (LFP), amelyek nem tartalmaznak nikkelt és kobaltot, így olcsóbbak tudnak lenni az elterjedt nikkel-mangán-kobalt-oxid (NMC) akkumulátoroknál. Azoknál a felhasználási módoknál, ahol nem létszükséglet a nagy energiasűrűség, az LFP cellák már elkezdték leváltani a nagyobb energiasűrűségű NMC cellákat, ez az átállás pedig lehetővé tette, hogy 2021-ben még a magas infláció mellett is csökkenni tudjon az akkumulátorok átlagos ára.

Ha tágabb perspektívába helyezzük a kérdést, akkor valahogy úgy kalkulálhatunk, hogy az NMC akkupakkok ára 1000 dollárról 150 dollár alá tudott csökkenni, az LFP akkuk pedig potenciálisan képesek lehetnek 100 dollár alá vinni a költségeket a nikkel és a kobalt elhagyásának köszönhetően.

A költségek további lefaragásához azonban a másik két kritikus fém, a lítium és a réz helyett is más, jóval gyakoribb anyagokat kell keresnünk. Itt jön képbe a nátrium, amely a periódusos rendszerben a lítium alatt helyezkedik el. Mindkettő alkálifém, ezért hasonló tulajdonságokkal rendelkeznek, ám fontos különbség, hogy a nátriumatom nagyobb és nehezebb a lítiumatomnál.

A hasonló tulajdonságoknak köszönhetően a 70-es, 80-as években párhuzamosan folytak a lítium-ion akkumulátorokkal és a nátrium-ion akkumulátorokkal kapcsolatos kutatások. A 80-as években kezdtek elterjedni az olyan hordozható eszközök, mint a walkman, a mobiltelefon, a videokamera, illetve később a laptop, amelyek nagy energiasűrűségű akkumulátorokat igényeltek. Ebből a szempontból pedig a lítium volt nyerő helyzetben a kisebb atomtömegének köszönhetően, így a nátrium-ion akkumulátorok fejlesztése a 80-as évek végére parkolópályára került, és a lítium-ion terjedt el.

A 2000-es években az elektromos autókban is megjelentek a Li-ion akkumulátorok, ahol szintén az energiasűrűség, azaz a hatótávolság volt az elsődleges szempont, így a 90-es és a 2000-es években is a Li-ion akkumulátorok területére áramlottak a fejlesztési források, amivel nagyon látványos fejlődést sikerült elérni: az energiasűrűség megduplázódott (120 Wh/kg-ról 250+ Wh/kg-ra), az élettartam megnőtt, miközben a költségek a töredékükre csökkentek.

Ezzel párhuzamosan azonban rohamos gyorsasággal növekedett a nap- és a szélenergia, ami a 2010-es évek elejére megteremtette az olcsó energiatárolás iránti piaci igényt, ahol az energiasűrűség már csak sokadlagos szempont volt. Átlagosan két évtizednyi kutatómunkát igényel egy laboratóriumi felfedezést piacképes termékké fejleszteni, a nátrium-ion akkumulátorok háta mögött azonban ekkor már egy évtizednyi, a 80–as években félbehagyott kutatás állt, amelyet 2010 környékén csak le kellett porolni, és tovább folytatni. Egy másik körülmény is segítette a technológia újraélesztését: a lítium esetében rengeteg szabadalom van már bejegyezve, ami megnehezíti a piacra belépni kívánó startupok helyzetét, a nátrium esetében azonban ilyen szempontból sokkal szabadabb volt a pálya, így sok új cég tudott beszállni a ringbe, amelyek komoly előrelépéseket értek el a fejlesztésekben.

Mikorra lesz megvásárolható termék egy laboratóriumi felfedezésből?

A Na-ion is csak egy a hetente bejelentett csoda-akkumulátorok közül, amiből nem lesz majd semmi? Ennél azért többről van szó, a termék mára már sikeresen túljutott a prototípus fázisán.

A 80-as, majd a 2010-es években végzett egy-egy évtizednyi kutatás révén a Na-ion ma már egy piacra érett termék, amelyet akár meg is lehet vásárolni, ha valaki rászánja az energiát és a pénzt a beszerzésére (erre lentebb még kitérünk). A Tiamat nevű francia startup 18650-es formátumú Na-ion cellát fejlesztett, és európai gyártásra készül. Az angol Faradion tasakos cellái már vevőre találtak Ausztráliából, és persze ott van a CATL, amely jövő évre ígérte a tömeggyártás beindítását.

Kép: Tiamat

De miért éppen Nátrium?

„Nihil utilius sale et sole” – Semmi sem hasznosabb a sónál és a napnál (Caius Plinius Secundus).

A nátrium a földkéreg hatodik leggyakoribb eleme, ezerszer gyakoribb a lítiumnál, és sokkal egyenletesebben oszlik el annál. A lítium gazdaságosan kitermelhető koncentrációban elsősorban három régióban található meg: Ausztráliában, Kínában és az Andok országaiban, ami geopolitikailag nem éppen előnyös. A Na-ion akkumulátorok alapanyaga azonban lényegében a konyhasó, ami a világ minden táján nagy mennyiségben, könnyen hozzáférhetően előfordul. Csak összehasonlításképpen: lítium-karbonátból éves szinten százezer tonnás mennyiséget bányászunk (közelítünk az egymillió tonnához), ezzel szemben a konyhasó bányászata százmillió tonnás nagyságrendű. A termelésnek csupán egy töredéke képes lenne kielégíteni az akkumulátorgyártás igényeit, így a nátrium nemcsak jóval olcsóbb a lítiumnál, de attól sem kell tartani, hogy a növekvő kereslet miatt ötszörösére dráguljon a só. A több ezer évre visszanyúló bányászata emellett környezeti-fenntarthatósági szempontból is sokkal előnyösebb a lítiuménál.

A földkéreg 2,36%-át teszi ki a nátrium. Kép: Visual Capitalist

A katód esetében itt is elhagyható a nikkel és a kobalt, bár ez azért függ az adott cella kémiájától is, de általánosságban nincs feltétlenül szükség kritikus fémekre. Az anódban a Li-ion esetében használt réz áramgyűjtő helyett jóval olcsóbb alumíniumot alkalmaznak, illetve grafit helyett amorf szenet, ami akár mezőgazdasági hulladékból is kinyerhető.

A Na-ion cellák energiasűrűsége jelenleg valahol 140 és 160 Wh/kg környékén jár, ami messze elmarad ugyan az NMC-től, de már közel jár az LFP cellák energiasűrűségéhez, a következő generációs cellák pedig 170 Wh/kg fölé mehetnek. A CATL például egyenesen 200 Wh/kg-ról beszélt, ami már tényleg eléri az LFP cellák szintjét. Az energiatárolók esetében akár a ma meglévő energiasűrűség is elegendő, hiszen egy akkutelepen álló konténer esetében oly mindegy, hogy mennyit nyom. De elektromos kerékpárok, rollerek, targoncák, vagy városi buszok számára is megfelelő lehet a Na-ion cellák jelenlegi kapacitása, az újabb fejlesztések révén pedig kisebb hatótávolságú, olcsóbb autókba is bekerülhetnek.

A Na-ion celláknak van egy olyan kedvező tulajdonsága is, hogy a felépítésük és a működésük nagyon hasonlít a Li-ion cellákhoz, ezért ugyanolyan gépeket igényel a gyártásuk is (drop-in technológia). Nem kell tehát új gyártósorokat tervezni, lehetséges a már meglévő infrastruktúra használata, ami csökkenti a belépési korlátot. Tulajdonképpen bármelyik ma épülő akkumulátorgyár átállhat akár a nátrium-ion cellák gyártására is, ha a helyzet úgy hozza. Ez a lehetőség a nátrium számára minden más, a lítiumot leváltani igyekvő alternatívával szemben hatalmas előnyt biztosít.

A jelenlegi technológiai szinten a Na-ion cellák 3-4 ezer ciklusos élettartammal rendelkeznek. Ez magasabb, mint az NMC celláké, de elmarad az LFP-től. Ahhoz elég tartósak, hogy egy járművet kiszolgáljanak a teljes élettartama alatt, ám az energiatárolás esetében a bekerülési ár nem minden, a fajlagos költségek szempontjából a hosszú élettartam is nagyon fontos tényező, ezen a téren tehát még az LFP-nél van az előny. Éppen ezért ha tippelnünk kellene, azt mondanánk, hogy a nátrium előbb a járművekben fog megjelenni, nem az energiatárolásban (ahol pedig jóval kevésbé számítana a nagyobb súly). Az energiatárolási célú felhasználáshoz a jelenleginél nagyobb töltési ciklusszámot kellene elérni, legalább 5-6 ezret, ami már az LFP-hez mérhető. Ezen a téren sok előrelépés történt az elmúlt években, de még további fejlesztésekre lesz szükség.

A működéshez szükséges hőmérsékleti tartomány, a biztonság, a töltési ciklusok hatékonysága és a teljesítmény tekintetében hasonlóan teljesít a Na-ion és az LFP, de a nátrium-ion jobban tűri a hideget, így -20 foknál a teljesítmény 90%-a rendelkezésre áll, vagyis hidegben nagyobb hatótávolságot kínál az LFP-hez képest.

Összegezve: a Na-ion akkumulátor tulajdonságait tekintve nagyon hasonló az LFP akkumulátorhoz, néhány vonatkozásban jobb is annál, az élettartamát tekintve elmarad tőle, de ez a hátrány valószínűleg gyorsan ledolgozható. Mindemellett az előállítása környezetileg fenntarthatóbb, kevésbé kitett a geopolitikai kockázatoknak és a piaci árak változásainak, végül, de nem utolsó sorban olcsóbban gyártható.

Ezzel elérkeztünk a legfontosabb kérdéshez: mekkora árcsökkenést remélhetünk a nátriumtól?

A CATL a cellák szintjén a tömeggyártás beindítását követően 77 dollár/kWh-s árral számol, ez gyakorlatilag az LFP cellákéval megegyező szint, ami később 40 dollár alá csökkenhet. Más független források 20-30% körüli kezdeti árelőnyről beszéltek az LFP-hez képest.

Ha mindez így van, akkor miért nem kezdett el mindenki már tegnap nátrium-ion akkumulátorokat gyártani? A háttérben ezúttal is „a tyúk vagy a tojás” problémája áll.

A lítiumnak 30 éves előnye van a nátriummal szemben, évente 100 gigawattórás nagyságrendben gyártjuk a belőlük készült akkumulátorokat. A nátrium-ionnak ehhez képest nincs dedikált ellátási lánca, nincsenek dedikált gyártósorai, sem a Li-ionhoz mérhető know-how-ja, hiányzik a gyártási és felhasználási tapasztalat, illetve az ebből eredő bizalom. A Na-ion cellák ma gyakorlatilag kézműves terméknek számítanak, így hiába olcsóbb az alapanyag, mégis drágább a Li-ionhoz képest. Ráadásul nem elég megalkotni a cellákat, azokat egy működő rendszerbe is kell integrálni, legyen az egy targonca, vagy energiatároló.

Ilyenkor mindenki felteszi magának a kérdést: miért öntsek pénzt a gyártási infrastruktúra kiépítésébe és a termékfejlesztésbe, amikor ott van az olcsóbb, jól bevált, jól ismert lítium-ion, ahol a kész terméket csak le kell vennem a polcról?

Az ördögi körből kétféle kivezető út létezik. Az egyik megoldás az, hogy a környezeti, etikai és geopolitikai problémákra való tekintettel az állam célzott támogatásokat nyújt a termelés beindításához, erre szolgál az EU NAIMA projektje.

A másik megoldás a piaci út: a keresletnövekedés miatt megdrágulnak a nyersanyagok, a lítium-ion akkumulátorok ára emelkedni kezd, és megközelíti, vagy akár meg is haladja a nátrium-ion akkumulátorok árszintjét. Ez olyan gazdasági nyomást jelent, ami néhány előrelátó céget arra késztet, hogy saját Na-ion cellákat, és ezeken alapuló termékeket fejlesszen, illetve kiépítse a saját gyártókapacitását a hozzá tartozó ellátási lánccal együtt. Pontosan ezt tette a CATL is, a világ legnagyobb akkumulátorgyártó vállalata, amely rendelkezik az ehhez szükséges erőforrásokkal, így képes lehet gyorsan felfuttatni a termelést, és kiaknázni a méretgazdaságosságból eredő előnyöket. A tömeggyártás beindulását követően már annyi tőke fog beáramlani a területre, hogy itt is a lítium-ionhoz hasonló gyors fejlődésre számíthatunk.

Felejtsd el a lítiumot – új CATL aksit mutattak be

Mi várható ezután? A Na-ion a hasonló tulajdonságaiból adódóan az LFP akkumulátorokat válthatja ki, elsősorban a kisebb hatótávolságú, olcsóbb járművekben és az energiatárolásban számíthatunk az elterjedésére. Ott azonban, ahol az energiasűrűség fontos szempont, mint például a mobiltelefonok, vagy a nagy hatótávolságú autók, továbbra is velünk fognak maradni a lítium-ion akkumulátorok. Az eltérő kémiát alkalmazó energiatárolók különböző felhasználási területeken nyújthatnak optimális választást, mert nem létezik minden helyzetre ideális megoldás. A területre beáramló tőkének, illetve a technológia fejlődésének köszönhetően pedig egyre több lehetőség közül fogunk tudni választani. És többé nem kell azon aggódnunk, hogy lesz-e elég lítium.

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.