Fuente: https://www.pv-magazine.com/
Si bien los precios de las baterías de iones de litio están cayendo nuevamente, el interés en el almacenamiento de energía de iones de sodio (Na-ion) no ha disminuido. Con un aumento global de la capacidad de fabricación de células en marcha, aún no está claro si esta tecnología prometedora puede inclinar la balanza entre la oferta y la demanda.
Las baterías de iones de sodio están atravesando un período crítico de comercialización a medida que industrias, desde la automoción hasta el almacenamiento de energía, apuestan fuerte por esta tecnología. Los fabricantes de baterías establecidos y los recién llegados están luchando por pasar del laboratorio a la fábrica con una alternativa viable al ion de litio. Con este último estándar para la movilidad eléctrica y el almacenamiento estacionario, las nuevas tecnologías deben ofrecer ventajas demostradas. El ion sodio parece estar bien ubicado, con seguridad, costos de materia prima y credenciales ambientales superiores.
Los dispositivos de iones de sodio no necesitan materiales críticos, ya que dependen de abundante sodio en lugar de litio, y nada de cobalto o níquel. A medida que los precios de los iones de litio aumentaron en 2022, en medio de predicciones de escasez de materiales, los iones de sodio se perfilaron como rivales y el interés sigue siendo fuerte, incluso cuando los precios de los iones de litio han comenzado a caer nuevamente.
«Actualmente estamos rastreando 335,4 GWh de capacidad de producción de celdas de iones de sodio hasta 2030, lo que destaca que todavía hay un compromiso considerable con la tecnología», dijo Evan Hartley, analista senior de Benchmark Mineral Intelligence.
En mayo de 2023, la consultora con sede en Londres había previsto 150 GWh hasta 2030.
Más económico
Las celdas de iones de sodio, producidas a escala, podrían ser entre un 20% y un 30% más baratas que el ferro/fosfato de hierro y litio (LFP), la tecnología dominante de baterías de almacenamiento estacionarias, principalmente gracias a la abundancia de sodio y los bajos costos de extracción y purificación. Las baterías de iones de sodio pueden utilizar aluminio para el colector de corriente del ánodo en lugar de cobre (utilizado en las de iones de litio), lo que reduce aún más los costos y los riesgos de la cadena de suministro. Sin embargo, esos ahorros aún son potenciales.
«Antes de que las baterías de iones de sodio puedan desafiar a las baterías de plomo ácido y de fosfato de hierro y litio existentes, los actores de la industria deberán reducir el costo de la tecnología mejorando el rendimiento técnico, estableciendo cadenas de suministro y logrando economías de escala», dijo Shazan Siddiqi, analista senior de tecnología de United IDTechEx, empresa de investigación de mercado con sede en el Reino Unido. “La ventaja de costos del Na-ion sólo se puede lograr cuando la escala de producción alcanza una escala de fabricación comparable a la de las celdas de baterías de iones de litio. Además, una nueva caída del precio del carbonato de litio podría reducir la ventaja de precio que ofrece el sodio”.
Es poco probable que los iones de sodio sustituyan a los iones de litio en aplicaciones que prioricen el alto rendimiento y, en cambio, se utilizarán para almacenamiento estacionario y vehículos microeléctricos. Los analistas de S&P Global esperan que los iones de litio suministren el 80% del mercado de baterías para 2030, y que el 90% de esos dispositivos se basen en LFP. El ion sodio podría representar el 10% del mercado.
elecciones correctas
Los investigadores han considerado los iones de sodio desde mediados del siglo XX y los desarrollos recientes incluyen mejoras en la capacidad de almacenamiento y el ciclo de vida del dispositivo, así como nuevos materiales de ánodo y cátodo. Los iones de sodio son más voluminosos que sus homólogos de litio, por lo que las celdas de iones de sodio tienen un voltaje más bajo y una densidad de energía gravimétrica y volumétrica más baja.
La densidad de energía gravimétrica de iones de sodio se sitúa actualmente entre 130 Wh/kg y 160 Wh/kg, pero se espera que supere los 200 Wh/kg en el futuro, por encima del límite teórico para los dispositivos LFP. Sin embargo, en términos de densidad de potencia, las baterías de iones de sodio podrían tener 1 kW/kg, más que las de níquel-manganeso-cobalto (NMC) de 340 W/kg a 420 W/kg y las de LFP de 175 W/kg a 425 W/kg.
Si bien la vida útil de un dispositivo de iones de sodio de 100 a 1000 ciclos es menor que la de LFP, el desarrollador indio KPIT ha informado de una vida útil con una retención de capacidad del 80 % durante 6000 ciclos (dependiendo de la química de la celda) comparable a la de los dispositivos de iones de litio.
«Todavía no existe una única química ganadora dentro de las baterías de iones de sodio», dijo Siddiqi de IDTechEx. «Se están realizando muchos esfuerzos de I+D para encontrar el material activo de ánodo/cátodo perfecto que permita la escalabilidad más allá de la etapa de laboratorio».
Refiriéndose a la organización científica de seguridad Underwriter Laboratories, con sede en Estados Unidos, Siddiqi agregó que “la estandarización UL para celdas de iones de sodio, por lo tanto, aún está lejos y esto hace que los OEM [fabricantes de equipos originales] duden en comprometerse con dicha tecnología”.
El blanco de Prusia, el polianión y el óxido en capas son candidatos a cátodos que presentan materiales más baratos que sus homólogos de iones de litio. El primero, utilizado por Northvolt y CATL, está ampliamente disponible y es barato, pero tiene una densidad de energía volumétrica relativamente baja. La empresa Farradion, con sede en el Reino Unido, utiliza óxido en capas, que promete una mayor densidad de energía, pero se ve afectado por una pérdida de capacidad con el tiempo. La francesa Tiamat utiliza polianión, que es más estable pero contiene vanadio tóxico.
«La mayoría de los productores de células que planean la capacidad de las baterías de iones de sodio utilizarán tecnología de cátodos de óxido en capas», dijo Hartly de Benchmark. “De hecho, el 71% de la tubería [celular] es óxido en capas. De manera similar, el 90,8% de la tubería de cátodos de iones de sodio es óxido en capas”.
Mientras que los cátodos son el principal factor de coste de las baterías de iones de litio, el ánodo es el componente más caro de las baterías de iones de sodio. El carbón duro es la opción estándar para los ánodos de iones de sodio, pero la capacidad de producción va por detrás de la de las celdas de iones de sodio, lo que aumenta los precios. Recientemente se han obtenido materiales de carbono duro a partir de diversos precursores, como desechos animales, lodos de depuradora, glucosa, celulosa, madera, carbón y derivados del petróleo. El grafito sintético, un material común de ánodo de iones de litio, se basa casi exclusivamente en los dos últimos precursores. Con su cadena de suministro en desarrollo, el carbono duro es más costoso que el grafito y representa uno de los obstáculos clave en la producción de celdas de iones de sodio.
Para mitigar parcialmente los costos más altos, las baterías de iones de sodio exhiben una mejor tolerancia a la temperatura, particularmente en condiciones bajo cero. Son más seguros que los de iones de litio, ya que pueden descargarse a cero voltios, lo que reduce el riesgo durante el transporte y la eliminación. Las baterías de iones de litio suelen almacenarse con alrededor del 30% de carga. El ion sodio tiene menos riesgo de incendio, ya que sus electrolitos tienen un punto de inflamación más alto: la temperatura mínima a la que una sustancia química puede vaporizarse para formar una mezcla inflamable con el aire. Dado que ambas químicas presentan una estructura y principios de funcionamiento similares, los iones de sodio a menudo se pueden introducir en líneas y equipos de producción de iones de litio.
De hecho, CATL, el principal fabricante de baterías del mundo, está integrando iones de sodio en su infraestructura y productos de iones de litio. Su primera batería de iones de sodio, lanzada en 2021, tenía una densidad energética de 160 Wh/kg, y se prometieron 200 Wh/kg en el futuro. En 2023, CATL dijo que el fabricante de automóviles chino Chery sería el primero en utilizar sus baterías de iones de sodio. CATL dijo a pv magazine a finales de 2023 que había desarrollado una cadena industrial básica para baterías de iones de sodio y había establecido una producción en masa. La escala de producción y los envíos dependerán de la implementación del proyecto del cliente, dijo CATL, y agregó que es necesario hacer más para el lanzamiento comercial a gran escala de iones de sodio. «Esperamos que toda la industria trabaje junta para promover el desarrollo de baterías de iones de sodio», dijo el fabricante de baterías.
Carga a sodio
En enero de 2024, el mayor fabricante de automóviles y segundo mayor proveedor de baterías de China, BYD, dijo que había iniciado la construcción de una fábrica de baterías de iones de sodio de 10 mil millones de CNY (1,4 mil millones de dólares) y 30 GWh por año. La salida alimentará dispositivos de “micromovilidad”. HiNa, derivada de la Academia de Ciencias de China, puso en servicio en diciembre de 2022 una línea de producción de baterías de iones de sodio a escala de gigavatios hora y anunció una gama de productos de baterías de iones de Na y un prototipo de automóvil eléctrico.
El fabricante europeo de baterías Northvolt presentó celdas de batería de iones de sodio validadas de 160 Wh/kg en noviembre de 2023. Desarrollada con Altris (surgida de la Universidad de Uppsala, en Suecia), la tecnología se utilizará en el dispositivo de almacenamiento de energía de próxima generación de la empresa. La oferta actual de Northvolt se basa en la química NMC. En el lanzamiento, Wilhelm Löwenhielm, director senior de desarrollo de negocios para sistemas de almacenamiento de energía de Northvolt, dijo que la compañía quiere una batería que sea competitiva con LFP a escala. «Con el tiempo, se espera que la tecnología supere significativamente a LFP en términos de competitividad de costos», dijo.
Northvolt quiere una batería «plug-and-play» para una rápida entrada al mercado y ampliación. «Las actividades clave para llevar esta tecnología particular al mercado son ampliar la cadena de suministro de materiales aptos para baterías, algo que Northvolt está haciendo actualmente, junto con sus socios», afirmó Löwenhielm.
Los actores más pequeños también están aportando su granito de arena para comercializar la tecnología de iones de sodio. Farradion, que fue adquirida por el conglomerado indio Reliance Industries en 2021, dice que ahora está transfiriendo su diseño de celda de próxima generación a producción. «Hemos desarrollado una nueva tecnología de celda y una huella con una densidad de energía un 20% mayor y un ciclo de vida más largo en un tercio en comparación con nuestro diseño de celda anterior», dijo el director ejecutivo (CEO) de Farradion, James Quinn. Las células de primera generación de la empresa demostraron una densidad energética de 160 Wh/kg. En 2022, Quinn dijo que el plan de Reliance era construir una fábrica de iones de sodio de dos dígitos de gigavatios en la India. Por ahora, parece que esos planes siguen vigentes. En agosto de 2023, el presidente de Reliance, Mukesh Ambani, dijo en la reunión anual de accionistas de la compañía que el negocio está «centrado en la comercialización rápida de nuestra tecnología de baterías de iones de sodio… Aprovecharemos nuestro liderazgo tecnológico industrializando la producción de celdas de iones de sodio a un nivel de megavatios». 2025 y crecer rápidamente hasta alcanzar una escala gigaescal a partir de entonces”, dijo.
Producción
La startup Tiamat ha avanzado en sus planes de iniciar la construcción de una planta de producción de 5 GWh en la región francesa de Hauts-de-France. En enero de 2024, recaudó 30 millones de euros (32,4 millones de dólares) en financiación de capital y deuda y dijo que espera completar la financiación de su proyecto industrial en los próximos meses, elevando la financiación total a unos 150 millones de euros. La empresa, una escisión del Centro Nacional Francés de Investigación Científica, fabricará inicialmente en su fábrica celdas de iones de sodio para herramientas eléctricas y aplicaciones de almacenamiento estacionarias, «para cumplir con los primeros pedidos que ya se han recibido». Más adelante se centrará en aumentar la producción de productos de segunda generación para aplicaciones de vehículos eléctricos de batería.
En Estados Unidos, los actores de la industria también están intensificando sus esfuerzos de comercialización. En enero de 2024, Acculon Energy anunció la producción en serie de sus módulos y paquetes de baterías de iones de sodio para aplicaciones de movilidad y almacenamiento de energía estacionario y reveló planes para escalar su producción a 2 GWh para mediados de 2024. Mientras tanto, Natron Energy, una filial de la Universidad de Stanford, tenía la intención de comenzar a producir en masa sus baterías de iones de sodio en 2023. Su objetivo era fabricar 600 MW de celdas de iones de sodio en las instalaciones existentes de Meadowbrook de iones de litio del productor de baterías Clarios International, en Michigan. Sin embargo, las actualizaciones sobre el progreso han sido limitadas.
Fondos
En octubre de 2023, Peak Energy surgió con 10 millones de dólares en financiación y un equipo de gestión compuesto por ex ejecutivos de Northvolt, Enovix, Tesla y SunPower. La compañía dijo que inicialmente importará celdas de batería y que no se esperaba que eso cambiara hasta principios de 2028. «Se necesitan alrededor de mil millones de dólares para una fábrica de gigavatios a pequeña escala; piense en menos de 10 GW», dijo el director ejecutivo de Peak Energy, Landon Mossburg, en el lanzamiento. . «Así que la forma más rápida de llegar al mercado es construir un sistema con células disponibles de un tercero, y China es el único lugar donde se está creando capacidad para enviar suficientes células». Con el tiempo, la empresa espera calificar para créditos por contenido nacional según la Ley de Reducción de la Inflación de Estados Unidos.
Algunos proveedores, como KPIT de la India, han entrado en el espacio sin ningún plan de producción. El negocio de soluciones de ingeniería y software automotriz presentó su tecnología de baterías de iones de sodio en diciembre de 2023 y se embarcó en una búsqueda de socios de fabricación. Ravi Pandit, presidente de KPIT, dijo que la compañía ha desarrollado múltiples variantes con densidades de energía que van desde 100 Wh/kg a 170 Wh/kg, y potencialmente alcanzan los 220 Wh/kg. «Cuando comenzamos a trabajar en baterías de iones de sodio, la expectativa inicial de densidad de energía era bastante baja», dijo. «Pero en los últimos ocho años la densidad energética ha ido aumentando debido a los desarrollos que nosotros y otras empresas hemos estado llevando a cabo». Otros están buscando asociaciones de suministro. El año pasado, el grupo tecnológico finlandés Wärtsilä, uno de los principales integradores de sistemas de almacenamiento de energía en baterías del mundo, dijo que estaba buscando posibles asociaciones o adquisiciones en este campo. En ese momento, estaba avanzando hacia la prueba de la tecnología en sus instalaciones de investigación. «Nuestro equipo sigue comprometido a buscar nuevas oportunidades en términos de diversificación de las tecnologías de almacenamiento de energía, como la incorporación de baterías de iones de sodio en nuestras futuras soluciones de almacenamiento de energía estacionarias», dijo Amy Liu, directora de desarrollo de soluciones estratégicas de Wärtsilä Energy Storage and Optimization, en febrero. 2024.
Oportunidad de nearshoring
Después de muchos anuncios de producción en masa, las baterías de iones de sodio se encuentran ahora en un punto decisivo y el interés de los inversores determinará el destino de la tecnología. El análisis de mercado de IDTechEx, realizado en noviembre de 2023, sugiere un crecimiento previsto de al menos 40 GWh para 2030, con 100 GWh adicionales de capacidad de fabricación dependiendo del éxito del mercado para 2025.
«Estas proyecciones suponen un auge inminente en la industria [de las baterías de iones de sodio], que depende del compromiso comercial en los próximos años», dijo Siddiqi.
Los iones de sodio podrían ofrecer otra oportunidad más para las cadenas de suministro de energía limpia cercanas a la costa, ya que las materias primas necesarias están disponibles en todo el mundo. Sin embargo, parece que el tren ya ha salido de la estación. «Al igual que en las primeras etapas del mercado de baterías de iones de litio, el principal cuello de botella para la industria global será el dominio de China», dijo Hartley de Benchmark. “A partir de 2023, el 99,4% de la capacidad de las celdas de iones de sodio estaba basada en China y se pronostica que esta cifra solo caerá al 90,6% para 2030. A medida que las políticas en Europa y América del Norte buscan alejar las cadenas de suministro de baterías de iones de litio de China, debido Además de la dependencia de su producción nacional, también será necesario un cambio en el mercado de iones de sodio para crear cadenas de suministro localizadas”.
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