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鈉離子電池:與誰爭鋒?

2021-10-26 10:02:03 能源評論?首席能源觀   作者: 袁素  

新型電池技術路線再次引發全球關注。

繼固態鋰離子電池之后,作為新型電池的鈉離子電池進入大眾視野。9月16日,國內動力電池巨頭寧德時代公司董事長助理孟祥峰透露,2022年寧德時代將有一條鈉離子電池生產線投產運行。

此前的7月29日,寧德時代對外發布其第一代鈉離子電池,宣稱其電芯單體能量密度達到160瓦時/千克,為目前全球最高水平。這種電池在常溫下充電15分鐘,電量可達80%;在零下20攝氏度的低溫環境下,仍然有90%以上的放電保持率;系統集成效率可達80%以上。

同時,這種新型電池已經進入決策部門的視野。8月25日,工信部在答復政協第十三屆全國委員會第四次會議第4815號(工交郵電類523號)的提案中稱,將組織有關標準研究機構適時開展鈉離子電池標準制定,并在標準立項、標準報批等環節予以支持。

科技部日前也表示,將在“十四五”期間實施“儲能與智能電網技術”重點專項,并將鈉離子電池技術列為子任務,以進一步推動鈉離子電池的規模化、低成本化,提升綜合性能。

作為一種理論上歷史悠久的產品,鈉離子電池與鋰電子電池相比有哪些優點和缺點,為什么這么多年沒有商業化?未來鈉離子電池主要應用在哪些領域,能否與鋰離子電池在市場上爭鋒?

優點突出,短板明顯

鈉離子電池也是一種二次電池(充電電池),主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作,其工作原理與鋰離子電池相似。

在化學周期表中,鈉元素和鋰元素屬于同一主族,同族元素最外層電子數相同,化學性質相似,這讓鈉離子電池有了和鋰離子電池表現趨同的可能性。

目前,全球電池企業加快鈉離子電池產業化速度,主要有兩大內在動力:一是電池級碳酸鋰價格在9月15日已達14萬元/噸的高峰,從2020年年底至今漲幅超過150%,而且并沒有停下來的趨勢,這讓電池企業的成本壓力陡增;二是中國鋰鹽上游原材料(鹽湖鹵水或礦石)70%依賴進口,鋰資源對外依存度高引發供應鏈安全焦慮。

鈉資源在地殼中具有高達2.75%的豐度(鋰資源僅為0.0065%),成本為2元/千克,遠低于鋰資源的150元/千克;分布在礦石、鹽湖、海水等中,在全球的陸地或者海洋都有廣泛的分布,不像鋰資源主要集中在部分地區。

從電池的性能來看,分析認為,鈉離子電池有四大優點:一是材料成本低,國內鈉離子電池企業中科海鈉的研究顯示,鈉離子電池可以比磷酸鐵鋰價格低30%~40%;二是能量密度較高:大致范圍為 100~160瓦時/千克,高于鉛酸電池的30~50瓦時/千克,低于磷酸鐵鋰離子電池的 120~200瓦時/千克;三是安全性高、溫度性能優異,鈉離子電池可以在零下40攝氏度到零上80攝氏度的溫度區間正常工作,零下20攝氏度的環境下容量保持率接近90%,高低溫性能優于其他二次電池;四是倍率性能好,快充具備優勢,充電時間只需要10分鐘左右。目前量產的三元鋰離子電池即使是在直流快充模式下,將電量從 20%充至80%通常只需要30分鐘,磷酸鐵鋰則需要45分鐘左右。

既然鈉離子電池有這么多優點,那么為什么一直沒能量產?原因主要在于其材料體系并不成熟,這也是其最大的短板。

客觀而言,從性能來看, 鈉離子電池的成本、能量密度、循環壽命、低溫性能以及環保性等方面全面優于鉛酸電池,但與磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池相比還有很大差距,其在短期內的主戰場和應用領域,將是鉛酸電池的替代品。從應用場景來看,鈉離子電池最有希望先去占領兩輪電動車、小型動力以及低端儲能這些鉛酸電池的市場。

同時誕生,命運迥異

鈉離子電池與鋰離子電池,從理論上是在同一時期誕生的。

它們均起源于20世紀70年代,并同步研發出可適用正極的材料。20世紀80年代石墨儲鋰機理被發現,并以此為負極開發出“搖椅式電池”的鋰離子電池原型,而鈉離子較鋰離子半徑更大,無法以石墨作為鈉離子電池負極,這也成為兩類電池后來發展的轉折點。

二者命運的差異,隨著20世紀90年代日本企業索尼公司將鋰離子電池商業化進一步拉大。業內由此大幅降低了對鈉離子電池相關領域的研究投入。雖然2000年適用于鈉離子電池的硬碳負極終于被開發出來,但鈉離子電池飽受性能不如鋰離子電池的詬病,不具備替代優勢,在2015年之前并未得到大發展。

2015年是鈉離子電池商業化的一個拐點,隨著新能源汽車和儲能拉動的動力電池需求爆發,出于對鋰資源瓶頸的擔心,不少產業界和資本界人士開始再次關注和推動鈉離子電池的商業化。

從材料體系來看,由于核心傳導離子的區別,除了隔膜材料基本一致外,鈉離子電池在正極、負極、電解液、集流體方面與鋰離子電池均有所差異,目前可以量產的技術路線尚未確定。

具體而言,鈉離子電池的正極材料比較多樣,主要有氧化物類、普魯士白類、聚陰離子類等三大類材料。目前中科海鈉、鈉創新能源等企業采用了O3層狀結構氧化物體系。寧德時代選用了能量密度更高但合成較為困難的普魯士白體系,其能量密度可達160 瓦時/千克,通過對材料體相結構進行電荷重排,解決了電池容量在循環過程中快速衰減的問題。

從負極材料來看,目前鈉離子電池負極材料主要有金屬化合物、碳基材料、合金材料、非金屬單質四類路線,其中碳材料又分成硬碳或軟碳,標準就是在2800攝氏度高溫熱處理下碳是否可以充分石墨化。因鈉離子難以像鋰離子般在石墨間自由穿梭,鋰離子電池常用的石墨負極難以應用在鈉離子電池上。例如,寧德時代采用的硬碳材料,可讓大量的鈉離子儲存和快速通行,具備優異的循環性能。

再看電解液:溶劑方面,鋰離子電池的溶劑均可與鈉離子電池兼容;溶質方面,鈉離子電池中溶質濃度要求更低,鈉鹽可更換為六氟磷酸鈉(NaPF6)、高氯酸鈉(NaClO4)等。寧德時代開發了適配鈉離子電池正負極材料的獨特電解液體系。

就隔膜材料而言,鈉離子電池隔膜與鋰離子電池基本沒有區別,主要包括聚乙烯和聚丙烯等。

在集流體材料方面,相比鋰離子電池的正極鋁箔、負極銅箔的集流體體系,鈉離子電池正負極皆可使用鋁箔。

從生產設備與工藝來看,鈉離子電池與鋰離子電池區別不大,這有利于鈉離子電池企業利用現成設備和工藝快速投入商業化生產。

因此,鈉離子產業鏈的競爭環節主要在正極材料和電芯企業。由于競爭剛剛開始,誰能成為龍頭企業現在還難以判斷。

十年磨練,尚待觀察

在過去的十年間,鈉離子電池慢慢地從一個小眾產品,逐漸演變成了今天熱門的產品。

2011年,由牛津大學主導的 Faradion公司宣告成立,這是全球首家從事鈉離子電池研究的公司。其在2015年開發出電池系統,技術路線為層狀金屬氧化物和硬碳材料體系。

2015年,Faradion公司與威廉姆斯高級工程(Williams Advanced Engineering )公司、牛津大學合作展示了全球首款鈉離子電池驅動的電動車;今年4月,其獲得澳大利亞ICM公司的一份鈉離子電池的訂單,這也是Faradion在澳大利亞的首份鈉離子電池訂單。

成立于2017年2月的中科海鈉是國內首家鈉離子電池公司,公司團隊成員主要來自中科院物理化學研究所。2017年年底,中科海鈉研制出 48伏/10安時鈉離子電池組,應用于電動自行車。2018年 9 月,該公司推出首輛鈉離子電池低速電動車。2019年 3月,其自主研發的 30千瓦/100千瓦時鈉離子電池儲能電站在江蘇省溧陽市成功示范運行。2021 年 6 月,該公司推出的全球首套 1兆瓦時鈉離子電池儲能系統在山西太原正式投入運營,其電芯能量密度已接近 150瓦時/千克, 循環壽命達4000次以上。

2018年5月,上海交大背景的研發團隊成立了浙江鈉創新能源。該公司由上海電化學能源器件工程技術研究中心、上海紫劍化工科技有限公司和浙江醫藥股份有限公司共同發起成立。2019年 4月,其正極材料中試線建成,并實現滿負荷運行;2021年 7月,該公司與愛瑪科技集團聯合發布電動自行車使用的鈉離子電池系統。

在國內上市公司中,寧德時代布局最早。其從 2015年開始研發鈉離子電池,近年來研發隊伍迅速擴大;2020年 6月,該公司宣布成立 21C創新實驗室,中短期主要方向為鋰金屬電池、固態鋰離子電池和鈉離子電池;2021 年 7月,其推出的第一代鈉離子電池,采用普魯士白/硬碳體系。在寧德時代的規劃中,下一代鈉離子電池能量密度研發目標是 200瓦時/千克以上,到2023年將形成鈉離子電池的基本產業鏈。

此外,多家上市公司借近期鈉離子電池熱度,也披露了相關布局。比如,容百科技、百川股份、當升科技、派能科技、新宙邦等都公布了某些技術儲備,但未見到其實際生產能力。由此看來,鈉離子電池能否形成燎原之勢,尚待觀察。




責任編輯: 李穎

標簽:鈉離子電池