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钠离子电池:与谁争锋?

2021-10-26 10:02:03 能源评论•首席能源观   作者: 袁素  

新型电池技术路线再次引发全球关注。

继固态锂离子电池之后,作为新型电池的钠离子电池进入大众视野。9月16日,国内动力电池巨头宁德时代公司董事长助理孟祥峰透露,2022年宁德时代将有一条钠离子电池生产线投产运行。

此前的7月29日,宁德时代对外发布其第一代钠离子电池,宣称其电芯单体能量密度达到160瓦时/千克,为目前全球最高水平。这种电池在常温下充电15分钟,电量可达80%;在零下20摄氏度的低温环境下,仍然有90%以上的放电保持率;系统集成效率可达80%以上。

同时,这种新型电池已经进入决策部门的视野。8月25日,工信部在答复政协第十三届全国委员会第四次会议第4815号(工交邮电类523号)的提案中称,将组织有关标准研究机构适时开展钠离子电池标准制定,并在标准立项、标准报批等环节予以支持。

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科技部日前也表示,将在“十四五”期间实施“储能与智能电网技术”重点专项,并将钠离子电池技术列为子任务,以进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化,提升综合性能。

作为一种理论上历史悠久的产品,钠离子电池与锂电子电池相比有哪些优点和缺点,为什么这么多年没有商业化?未来钠离子电池主要应用在哪些领域,能否与锂离子电池在市场上争锋?

优点突出,短板明显

钠离子电池也是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,其工作原理与锂离子电池相似。

在化学周期表中,钠元素和锂元素属于同一主族,同族元素最外层电子数相同,化学性质相似,这让钠离子电池有了和锂离子电池表现趋同的可能性。

目前,全球电池企业加快钠离子电池产业化速度,主要有两大内在动力:一是电池级碳酸锂价格在9月15日已达14万元/吨的高峰,从2020年年底至今涨幅超过150%,而且并没有停下来的趋势,这让电池企业的成本压力陡增;二是中国锂盐上游原材料(盐湖卤水或矿石)70%依赖进口,锂资源对外依存度高引发供应链安全焦虑。

钠资源在地壳中具有高达2.75%的丰度(锂资源仅为0.0065%),成本为2元/千克,远低于锂资源的150元/千克;分布在矿石、盐湖、海水等中,在全球的陆地或者海洋都有广泛的分布,不像锂资源主要集中在部分地区。

从电池的性能来看,分析认为,钠离子电池有四大优点:一是材料成本低,国内钠离子电池企业中科海钠的研究显示,钠离子电池可以比磷酸铁锂价格低30%~40%;二是能量密度较高:大致范围为 100~160瓦时/千克,高于铅酸电池的30~50瓦时/千克,低于磷酸铁锂离子电池的 120~200瓦时/千克;三是安全性高、温度性能优异,钠离子电池可以在零下40摄氏度到零上80摄氏度的温度区间正常工作,零下20摄氏度的环境下容量保持率接近90%,高低温性能优于其他二次电池;四是倍率性能好,快充具备优势,充电时间只需要10分钟左右。目前量产的三元锂离子电池即使是在直流快充模式下,将电量从 20%充至80%通常只需要30分钟,磷酸铁锂则需要45分钟左右。

既然钠离子电池有这么多优点,那么为什么一直没能量产?原因主要在于其材料体系并不成熟,这也是其最大的短板。

客观而言,从性能来看, 钠离子电池的成本、能量密度、循环寿命、低温性能以及环保性等方面全面优于铅酸电池,但与磷酸铁锂电池和三元锂电池相比还有很大差距,其在短期内的主战场和应用领域,将是铅酸电池的替代品。从应用场景来看,钠离子电池最有希望先去占领两轮电动车、小型动力以及低端储能这些铅酸电池的市场。

同时诞生,命运迥异

钠离子电池与锂离子电池,从理论上是在同一时期诞生的。

它们均起源于20世纪70年代,并同步研发出可适用正极的材料。20世纪80年代石墨储锂机理被发现,并以此为负极开发出“摇椅式电池”的锂离子电池原型,而钠离子较锂离子半径更大,无法以石墨作为钠离子电池负极,这也成为两类电池后来发展的转折点。

二者命运的差异,随着20世纪90年代日本企业索尼公司将锂离子电池商业化进一步拉大。业内由此大幅降低了对钠离子电池相关领域的研究投入。虽然2000年适用于钠离子电池的硬碳负极终于被开发出来,但钠离子电池饱受性能不如锂离子电池的诟病,不具备替代优势,在2015年之前并未得到大发展。

2015年是钠离子电池商业化的一个拐点,随着新能源汽车和储能拉动的动力电池需求爆发,出于对锂资源瓶颈的担心,不少产业界和资本界人士开始再次关注和推动钠离子电池的商业化。

从材料体系来看,由于核心传导离子的区别,除了隔膜材料基本一致外,钠离子电池在正极、负极、电解液、集流体方面与锂离子电池均有所差异,目前可以量产的技术路线尚未确定。

具体而言,钠离子电池的正极材料比较多样,主要有氧化物类、普鲁士白类、聚阴离子类等三大类材料。目前中科海钠、钠创新能源等企业采用了O3层状结构氧化物体系。宁德时代选用了能量密度更高但合成较为困难的普鲁士白体系,其能量密度可达160 瓦时/千克,通过对材料体相结构进行电荷重排,解决了电池容量在循环过程中快速衰减的问题。

从负极材料来看,目前钠离子电池负极材料主要有金属化合物、碳基材料、合金材料、非金属单质四类路线,其中碳材料又分成硬碳或软碳,标准就是在2800摄氏度高温热处理下碳是否可以充分石墨化。因钠离子难以像锂离子般在石墨间自由穿梭,锂离子电池常用的石墨负极难以应用在钠离子电池上。例如,宁德时代采用的硬碳材料,可让大量的钠离子储存和快速通行,具备优异的循环性能。

再看电解液:溶剂方面,锂离子电池的溶剂均可与钠离子电池兼容;溶质方面,钠离子电池中溶质浓度要求更低,钠盐可更换为六氟磷酸钠(NaPF6)、高氯酸钠(NaClO4)等。宁德时代开发了适配钠离子电池正负极材料的独特电解液体系。

就隔膜材料而言,钠离子电池隔膜与锂离子电池基本没有区别,主要包括聚乙烯和聚丙烯等。

在集流体材料方面,相比锂离子电池的正极铝箔、负极铜箔的集流体体系,钠离子电池正负极皆可使用铝箔。

从生产设备与工艺来看,钠离子电池与锂离子电池区别不大,这有利于钠离子电池企业利用现成设备和工艺快速投入商业化生产。

因此,钠离子产业链的竞争环节主要在正极材料和电芯企业。由于竞争刚刚开始,谁能成为龙头企业现在还难以判断。

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十年磨练,尚待观察

在过去的十年间,钠离子电池慢慢地从一个小众产品,逐渐演变成了今天热门的产品。

2011年,由牛津大学主导的 Faradion公司宣告成立,这是全球首家从事钠离子电池研究的公司。其在2015年开发出电池系统,技术路线为层状金属氧化物和硬碳材料体系。

2015年,Faradion公司与威廉姆斯高级工程(Williams Advanced Engineering )公司、牛津大学合作展示了全球首款钠离子电池驱动的电动车;今年4月,其获得澳大利亚ICM公司的一份钠离子电池的订单,这也是Faradion在澳大利亚的首份钠离子电池订单。

成立于2017年2月的中科海钠是国内首家钠离子电池公司,公司团队成员主要来自中科院物理化学研究所。2017年年底,中科海钠研制出 48伏/10安时钠离子电池组,应用于电动自行车。2018年 9 月,该公司推出首辆钠离子电池低速电动车。2019年 3月,其自主研发的 30千瓦/100千瓦时钠离子电池储能电站在江苏省溧阳市成功示范运行。2021 年 6 月,该公司推出的全球首套 1兆瓦时钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营,其电芯能量密度已接近 150瓦时/千克, 循环寿命达4000次以上。

2018年5月,上海交大背景的研发团队成立了浙江钠创新能源。该公司由上海电化学能源器件工程技术研究中心、上海紫剑化工科技有限公司和浙江医药股份有限公司共同发起成立。2019年 4月,其正极材料中试线建成,并实现满负荷运行;2021年 7月,该公司与爱玛科技集团联合发布电动自行车使用的钠离子电池系统。

在国内上市公司中,宁德时代布局最早。其从 2015年开始研发钠离子电池,近年来研发队伍迅速扩大;2020年 6月,该公司宣布成立 21C创新实验室,中短期主要方向为锂金属电池、固态锂离子电池和钠离子电池;2021 年 7月,其推出的第一代钠离子电池,采用普鲁士白/硬碳体系。在宁德时代的规划中,下一代钠离子电池能量密度研发目标是 200瓦时/千克以上,到2023年将形成钠离子电池的基本产业链。

此外,多家上市公司借近期钠离子电池热度,也披露了相关布局。比如,容百科技、百川股份、当升科技、派能科技、新宙邦等都公布了某些技术储备,但未见到其实际生产能力。由此看来,钠离子电池能否形成燎原之势,尚待观察。




责任编辑: 李颖

标签: 钠离子电池

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