原标题:钠离子电池入局 动力电池“三国杀”来了?

  

  北极星储能网讯:宁德时代推出第一代钠离子电池。钠离子电池能否在三元锂电池、磷酸铁锂电池的竞争中脱颖而出?动力电池市场将上演“三国杀”?

  “15分钟充电80%,零下20度电池不衰减”。不久前,动力电池“一哥”宁德时代召开了发布会,推出自己的第一代钠离子电池。很多人直呼:宁德时代这是要重塑电动车!

  钠离子电池能否在三元锂电池、磷酸铁锂电池等一众对手中脱颖而出,引领潮流,成为下一代的电池技术?

  科幻小说为何难成现实?

  令人稍感意外的是,钠电池的概念,是法国科幻作家凡尔纳于1870年,在著名科幻小说《海底两万里》当中最先提出。

  小说里,鹦鹉螺号通过取得海水当中的电解质钠,制成钠电池作为能源来驱动前进,因为钠元素来自于海水,属于就地取材。

  书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现,但钠电池潜水艇始终进展不大,一直到了上世纪70年代,随着第三次工业革命的到来,钠离子电池才被真正地研发出来,而与钠电池同时代诞生的,还有如今人们非常熟悉的锂电池。

  如今四十多年过去了,锂电池早已广泛应用到生产生活当中,尤其成为新能源汽车的核心产品;但钠电池的发展却不怎么顺利,长期以来只小范围应用在储能电站、低速车领域,甚至到2011年,才有公司尝试将产品商业化。

  钠电池,顾名思义就是用钠离子作为驱动的电池。通过钠离子在电池的正负极之间“跑来跑去”实现电荷移动的一种动力电池。因为自身“素质”不过关,被人遗忘在角落里。

  钠离子电池为何一直被冷落?这其实与它的化学属性有非常直接的关系。实际上,无论是钠电池还是锂电池,它们的工作原理都是相似的:在电池阴极,元素失去电子,转变成为更高价的离子,随后进入电解质,穿过隔膜,向阳极转移:虽然离子能够穿过电解质和隔膜,但电子却不行,只能从外部的电路跑到阳极,并在外部做功。这就是电池的放电过程。

  锂元素的原子量是6.94,在金属中最轻;锂元素的标准电极电位是-3.045V,在金属中最低;此外,锂元素的比容量也是金属中最高,同时其电化学当量最小。

  这意味着,锂电池理论上能够获得最大的能量密度。在电池领域,如果暂不考虑安全和成本因素的话,能量密度拥有绝对的话语权—锂电池就是研发者眼中的首选。

  然而打开化学课本的元素周期表,与锂离得最近的金属元素就是钠,它们都位于周期表的第一列,最外层电子数相同,化学性质相似,所以都能作为电荷搬运工,驱动电池充放电。

  不过钠离子电池硬伤也比较明显,首当其冲的就是能量密度不足,锂的原子量是7,钠的原子量为23,原子量越小就意味着能量密度越大。

  这就导致三元锂电池能量密度已经在200Wh/kg(瓦时每千克,比能量单位)以上时,钠离子电池仅100-150Wh/kg,即使宁德时代当前发布的钠离子电池能量密度可以达到160Wh/kg,与锂离子电池的差距也很明显,导致电池使用效率明显偏低。

  其次钠离子半径比锂离子大70%,导致自身移动速度极其缓慢,没办法穿过负极石墨材料,也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。

  这样一来,在科学技术尚不发达的上世纪80年代,锂离子电池和钠离子电池走上了截然不同的道路:前者迅速商业化,成为消费市场必不可少的用品,后者则完全进入了停滞状态。

  如今,宁德时代发布的钠离子电池,让更多人看到了这项“命途多舛”的技术,也让动力电池未来的发展之路,多了一个强有力的“潜在竞争者”。

  锂与钠的爱恨情仇

  但实事求是地来讲,钠电池也并非一无是处,它有两个优势是锂电池无法比拟的。

  首先在储备量方面,锂资源的储量有限。数据显示,目前70%的锂资源分布在南美洲,而现阶段我国80%锂资源依赖进口,随着需求量的增加,锂元素的价格也一路飙升,从最初的3.8万元一吨涨到16万元一吨。

  此前,中国工程院院士陈立泉就曾明确表示,如果全世界的车都使用锂离子电池,全世界的电能都用锂离子电池储存,锂根本不够,一定要考虑新的电池。

  钠资源储量就很高,仅仅中国一个察尔汗盐湖中,氯化钠储量就高达426.2亿吨,大约是全球锂资源储量的一百多倍,可以说钠资源是非常“优秀”的“非再生能源”。

  其次在使用属性上,尽管钠离子能量密度不佳,但它的化学性能相对稳定,所以它对温度并不敏感,不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶,在抗低温和安全性上较同类别的锂离子电池也有明显的优势。

  所以从理论上,只要能让钠离子在电池当中自由游走,就有希望解决钠电池能量密度偏低的问题,钠电池也就有了“逆袭”锂电池的希望。在国际竞争加剧,全球能源转型、碳减排碳中和的大背景下,开发钠电池这样一条全新的产品路线,有非常丰富的政治和经济利益。

  这或许正是宁德时代让钠电池“复活”的初衷。

  记者了解到,现有的钠离子电池正极一般是用普鲁士白和层状氧化物两类材料,钠离子虽然能够穿行,但在循环过程中电池容量会快速衰减,导致电池能量密度明显衰减,非常不耐用。

  于是宁德时代用全新思路开发的钠电池诞生了—对材料体相结构进行电荷重排,解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减难题。在负极材料方面,开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性,并给正负极材料优化了相适配的电解液。

  这样一来,让钠离子既可以在正负极之间自由穿行,又不至于过度地衰减能量。并且锂离子电池的生产线也可以用来生产钠电池,很好地控制了成本。

  按照宁德时代对外发布的数据,技术优化以后“新生”的钠离子电池,单体能量密度已经达到了160Wh/kg,几乎达到磷酸铁锂电池(150-210Wh/kg)的标准。在常温下充电15分钟,电量可达80%;而在零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率。同时在系统集成效率方面,也可以达到80%以上。

  “充电快”“耐低温”“高集成效率”几个关键词直击当下锂电池痛点,也让人们看到了新能源车续航问题的解决希望,以及动力电池未来的全新发展思路。

  

  动力电池大PK(制图/柴青艳 ,点击图片可放大)

  能量密度低仍待解

  时间拨回到一年半以前,2020年4月,比亚迪高调发布了刀片电池产品,希望从“续航性”与“安全性”两方面重塑磷酸铁锂电池,改变整个动力电池行业。

  但实际情况是,刀片电池提升了续航性能,却无法规避低温影响,甚至有消费者反馈抗低温性能还不如三元锂电池。不少业内人士也指出,刀片电池只在体积利用率上进行了极限优化,并未真正做到革新材料。

  这与如今宁德时代高调发布的钠电池,颇有些同病相怜之处。

  在清华大学化学工程系教授张强看来,钠离子电池最大的问题,就是依然没能解决钠电池能量密度低的问题。

  张强解释说,在乘用车领域,三元锂电池的能量密度已经朝300Wh /kg、甚至更高的目标迈进。相比而言,钠电池能量密度只有一半,和锂电池差距依然比较明显,和自身相比有进步,但在大环境当中能量密度依然偏低。“下一代钠电池能量密度目标虽然是200Wh/kg,但这个研发过程所需要的时间,目前很难估测”。

  所以此次发布的钠离子电池,宁德时代给出了AB电池的解决方案,也就是将钠离子模组和锂离子模组按照特定的比例,封装在同一电池包内,达到“一机两用”的目的,创造出全新的锂钠电池,为应用创造了更多场景。

  但这种一机两用的技术解决路径,更像是企业的自圆其说:因为此前从没有在任何主流https://www.qwhtt.top/新能源车型应用过这个方案,甚至连三元锂和磷酸铁锂两种锂电池混用的方法也不曾出现。对于追求超长续航、需要超高能量密度的中高端乘用车型来说,磷酸铁锂、三元锂电池甚至未来的固态电池,或许才是他们主流的选择。

  “在没能大幅提升钠离子电池的能量密度前,钠电池在乘用车领域机会不多,首先应用的场景可能是储能领域。”中关村储能产业技术联盟理事长俞振华这样评价道。

  但即便在储能领域,钠电池产业化之路也有诸多难题亟待破解:虽然海水、盐湖当中有丰富的钠,但我国相关提取技术并不成熟,需要一定时间培育上下游产业;尽管钠的价格低于锂,但较低的能量密度意味着更多的辅材和制造成本,根据相关试验测算,钠离子电池的辅材与制造成本占比近75%。

  “在没有实现上下游产业链打通的前提下,钠电池并不容易控制成本。”上海交通大学化工学院教授、能源与技术研究所副所长杨军认为,按照目前的规模,形成真正市场化、产业化的钠电池产品,可能还需要2-3年,甚至更长时间。

  尽管要想实现钠离子电池规模化还需要一段时间,但可以肯定的是,钠离子电池进军乘用车领域,是动力电池尝试向上游延伸,降低原材料价格波动影响的一种探索方式。不管产业化之路是否成功,它都为锂电池上游价格高涨敲响了警钟,也为能源转型、多技术路线的发展,提供了更多的思路和方法。

  磷酸铁锂电池迎来“翻身”

  在钠电池高调进军动力电池领域之时,另一个现象也引发了业内人士的广泛关注—三元锂电池和磷酸铁锂电池的市场占比天平,已经悄然倾斜,十分耐人寻味。

  磷酸铁锂电池和三元锂电池是目前市场的两大主流,有观点认为它们本质上都是锂电池,只是材料构造存在区别:磷酸铁锂电池用磷酸铁锂做正极;三元锂电池也叫三元聚合物锂电池,主要是由镍钴铝或者是镍钴锰做正极。

  但也有观点认为,磷酸铁锂电池本质上是铁电池,并非真正意义上的锂电池。所以两者在能量密度、安全性等方面有着不小的差距。

  磷酸铁锂晶体中https://www.qwhtt.top/的P-O键稳固,难以分解,燃点是500℃以上,即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热,或是形成强氧化性物质。因此磷酸铁锂电池稳定性更好,但磷酸铁锂电池也有明显的短板,即放热慢、产热少、能量密度低,不得不用提高体积比的方式,来换取更高的续航。

  在传统认知中,磷酸铁锂电池虽然安全性表现更佳、成本更有优势,但从能量密度和续驶里程角度看,三元锂电池更胜一筹,所以在很长一段时间里,尽管锂电池导致的电动车自燃频频上演,但三元锂电池依然成为了市场的热宠。

  数据显示,2017年磷酸铁锂电池市场份额尚且为49.6%,到了2018年跌至37.8%,到2019年更是下跌到32%。除了商用车以外,几乎所有乘用车都开始采用三元锂电池产品。

  就在人们认为磷酸铁锂电池即将“优雅谢幕”之时,情况却发生了戏剧性的反转:先是磷酸铁锂电池市场份额止跌回升,从特斯拉Model3、Model Y到比亚迪汉、小鹏P5等等,越来越多车企开始推出装配磷酸铁锂电池的车型。

  来到2021年,磷酸铁锂电池市场份额进一步扩大。今年1-5月,国内磷酸铁锂电池产量29.9GWh,近三年来首次超越三元锂电池,这种颠覆性的变化在业内引发了广泛关注。

  中国电池工业协会副理事长王敬忠分析认为,磷酸铁锂电池在安全性能等方面的表现本来就优于三元锂电池,近年来随着技术进步,不仅其能量密度及续驶能力有所增强,而且成本也实现了大幅下降,使磷酸铁锂电池的“翻身”有了较为可靠的基础。

  因此随着钠电池的入场,人们的关注点也有了全新的方向—这种受制于技术因素的动力电池,未来有可能像磷酸铁锂电池一样“咸鱼翻身”,让动力电池领域的“龙虎斗”变成“三国杀”吗?

  原标题:钠离子电池入局 动力电池“三国杀”来了?本文来源:全国能源信息平台

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