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鈉電池車要來了,幾乎克服了純電動車的所有傳統缺陷

2021-05-27 08:14:36 線外邦   作者: 劉極昊  

電動車發展勢頭正佳,而關于三元鋰和磷酸鐵鋰的路線之爭也從未消停,刀片電池、彈匣電池等名頭,無不向世人傳遞出一個信號:我才是動力電池的未來。但結果真的會如此嗎?答案是未必。

最近,寧德時代董事長曾毓群對外透露,將于今年7月前后發布鈉電池。

按照專家的說法,鈉電池是一種“不依賴資源”的新型電池,不會像鋰電池那樣受上游原材料的供應以及價格變化影響,未來不存在發展瓶頸。

于是,吃瓜群眾們不僅好奇:鈉電池究竟是個啥?跟鋰電池相比,鈉電池的優點和不足又是什么?到底誰才是動力電池的未來?

鈉電池是什么?

跟鋰電池的命名方式一樣,鈉電池的全稱叫做“鈉離子電池”,其工作原理,就是通過鈉離子在電極之間的移動來實現充放電過程。

兩者工作原理略有不同的是,鋰電池是通過鋰離子在正負極之間移動、轉換實現充放電,而鈉電池是由鈉離子在正負極之間的嵌入、脫出實現電荷轉移。

 ▲鈉離子電池基本工作原理

簡單來說,這不就是將鋰離子換成了鈉離子么?是的。而且,跟鋰電池類似的是,鈉電池在正負極材料的選用上也比較多元化,不同的電極材料能在電池能量密度方面帶來不同的表現。

關于鈉電池最早的研究,始于上世紀70年代的第一次石油危機期間,只是沒有像鋰電池那樣進展迅速,此后相關研究越來越少,直到2010年之后,鈉離子電池才與太陽能等可再生能源一起同步發展,以豐富儲能體系。在這方面,歐美起步稍早,大概在2011年和2012年分別有公司涉足相關領域,美國能源部對此也有一定支持。

2012年,日本豐田曾發布一種鈉離子電池正極材料,在當時就已經能將電動車續航里程提升到500-1000公里。

 ▲各類高倍率性能鈉離子電池正極材料的設計策略

在我國,包括中科院在內很多科研機構也在開展鈉電池的研究,科技部2016年為此專門立項,今年4月,國家發改委和國家能源局發文,提出要支持儲能多元化發展,以及加快鈉離子電池開展規?;?/p>

從產業化推進速度和專利布局來看,目前我國在鈉電池領域處于領先地位。

鈉電池各項性能如何?

既然大家都重視,那鈉電池理應比鋰電池更有優勢才對。

可是,至少在目前看起來,跟如今應用最廣泛的兩種動力電池(磷酸鐵鋰、三元鋰)相比,鈉電池的主要性能指標其實并不具備明顯優勢,甚至在消費者十分看重的能量密度方面還處于劣勢。

具體來看,如今三元鋰量產裝車已經做到180-200Wh/kg的水平,中短期目標是做到300Wh/kg;磷酸鐵鋰目前量產裝車最高的為140Wh/kg,中短期目標是實現180-200Wh/kg;而國內鈉離子電池目前能量密度最高為145Wh/kg,中短期目標是160-200Wh/kg,比三元鋰差了不少,跟磷酸鐵鋰在相近水平(中科院物理所研發的鈉電池,理論能量密度已經達到180 Wh/kg)。

雖然能量密度指標并不占優,但鈉電池在充電速度方面卻有不小的優勢。眾所周知,即便采用大功率直流快充,三元鋰電池一般是半個小時能從20%充到80%,磷酸鐵鋰充電費時更久,而鈉電池只要10分鐘就能干到90%,也就相當于我們給車加個油的時間。

另外,在充放電循環壽命方面,鈉電池可以做到4500次,三元鋰只有兩三千次,這方面磷酸鐵鋰優勢明顯,已經做到6000次,據稱鋰電池循環壽命最高可以超過上萬次。

低溫性能方面,鈉電池在零下40攝氏度都可以正常工作,跟三元鋰差不多,比磷酸鐵鋰更能適應冬季以及高寒地區。

而在電動車用戶普遍關注的安全性方面,鈉電池也比三元鋰更令人放心。這一方面是因為其電解液穩定性高,另一方面就是因為能量密度低,使得鈉電池在高溫性能方面比三元鋰電池更好。

最后,鈉電池還有一個所有鋰電池都不具備的優勢,就是它不像鋰電池一樣擔心會過放電,所以鈉電池允許徹底放電到0伏——這對于一般電動車用戶好像沒什么實質性意義,但對于儲能場景應用就更值得推廣了。

為什么要發展鈉電池?

綜上,就實際應用而言,由于能量密度偏低,鈉電池目前還難言優勢,但鑒于其能量密度基本跟磷酸鐵鋰看齊,以及在其他性能方面還有自己的特色,其量產價值其實已經不小。

但這就是世界上主要國家發展鈉電池的根本原因嗎?其實不然。鈉電池之所以能得到重視,最重要的原因,正是我們在本文開頭提出的——不依賴資源,這需要從兩個方面來理解。

首先,論在地球上的儲量,鈉遠比鋰要豐富得多。

資料顯示,鋰在地殼中的含量僅為0.0065%,即便是把地球上所有的鋰元素都用來生產電動車,大概只夠生產15億輛特斯拉。而且,大部分已探明鋰資源都在南美洲(主要是玻利維亞、智利、阿根廷等),集中于當地的鹽湖中,但該區域政局不穩,所以引起碳酸鋰價格經常大幅波動。此外,國內鋰提取技術目前也沒有規?;覀?0%的鋰從澳大利亞進口,但當前的中澳關系并不利于維持這種貿易需求。

反觀鈉,分布就明顯廣泛的多,鈉資源約占地殼元素儲量的2.64%——也就是說,鈉的儲量是鋰的406倍。其中,光是我國已探明的鈉鹽儲量,早在六七年前就已經超過1.4萬億噸,而且,如今全球的金屬鈉產能,也正在向中國轉移。

 ▲鹽湖中豐富的鈉鹽

其次,鈉電池成本更低。

寧德時代之所以要發布鈉電池,核心原因是鋰電池的原材料漲價太兇猛(從去年下半年至今已經漲了多次),而鈉電池則絲毫不存在這方面的壓力,原因有三:

一、鈉鹽因為儲量巨大,原材料價格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,原料成本能降低一半;

二,鈉鹽的特性允許使用低濃度電解液(同樣濃度的電解液,鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右),這樣就能進一步降低成本;

三,鈉離子不會跟鋁形成合金,負極可采用鋁箔作為集流體,此舉可以進一步降低成本8%左右,降低重量10%左右。

幾大主料都能大幅節省生產成本,也就不難理解為啥電池企業愿意開辟這條新的道路了。有數據顯示,目前國內鈉電池的材料成本加上制造成本,大概在0.36元/Wh左右,這已經比鋰電池低了,只不過,鈉電池目前還處于推廣初期,其整體商業成本短期內會比鋰電池高,這一點寧德時代也有簡單提及。

最后說說

不僅僅是寧德時代,包括深圳華創電新、遼寧星空鈉電等多家企業都對鈉電池提前進行了布局。可見,雖然鈉電池的能量密度是個較為明顯的短板,但業內對其趕超磷酸鐵鋰依然充滿信心,有企業稱“鈉電池能量密度超越150Wh/kg的進度將比磷酸鐵鋰快”,更重要的是,鈉電池雖然還處于第一代產品階段,但已經能看到第三代產品的雛形了。

更重要的是,鈉電池在充電速度、循環壽命、低溫性能、安全性能方面都有可圈可點之處,所以其市場前景值得期待。

而鈉電池的出現,首先就將挑戰磷酸鐵鋰的江湖地位,因為它們都是走的性價比路線。當然,磷酸鐵鋰和鈉電池究竟誰能更勝一籌,從科學的角度來說還無法給出預判,畢竟,這兩種電池,在不同電極材料和輔料的作用下,其能量密度天花板各不相同。

由此可見,未來,不僅僅是儲能行業會有鈉電池的一席之地,電動車勢必也會形成鋰電池和鈉電池并行的局面,而且那一天已經可以預見了。




責任編輯: 李穎

標簽:鈉電池車,純電動車,鋰電池