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鈉離子電池入局 動力電池“三國殺”來了?

北極星儲能網訊:寧德時代推出第一代鈉離子電池。鈉離子電池能否在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池的競爭中脫穎而出?動力電池市場將上演“三國殺”?

“15分鐘充電80%,零下20度電池不衰減”。不久前,動力電池“一哥”寧德時代召開了發布會,推出自己的第一代鈉離子電池。很多人直呼:寧德時代這是要重塑電動車!

鈉離子電池能否在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等一眾對手中脫穎而出,引領潮流,成為下一代的電池技術?

科幻小說為何難成現實?

令人稍感意外的是,鈉電池的概念,是法國科幻作家凡爾納于1870年,在著名科幻小說《海底兩萬里》當中最先提出。

小說里,鸚鵡螺號通過取得海水當中的電解質鈉,制成鈉電池作為能源來驅動前進,因為鈉元素來自于海水,屬于就地取材。

書中預言的電擊槍、潛水服、海底隧道一一實現,但鈉電池潛水艇始終進展不大,一直到了上世紀70年代,隨著第三次工業革命的到來,鈉離子電池才被真正地研發出來,而與鈉電池同時代誕生的,還有如今人們非常熟悉的鋰電池。

如今四十多年過去了,鋰電池早已廣泛應用到生產生活當中,尤其成為新能源汽車的核心產品;但鈉電池的發展卻不怎么順利,長期以來只小范圍應用在儲能電站、低速車領域,甚至到2011年,才有公司嘗試將產品商業化。

鈉電池,顧名思義就是用鈉離子作為驅動的電池。通過鈉離子在電池的正負極之間“跑來跑去”實現電荷移動的一種動力電池。因為自身“素質”不過關,被人遺忘在角落里。

鈉離子電池為何一直被冷落?這其實與它的化學屬性有非常直接的關系。實際上,無論是鈉電池還是鋰電池,它們的工作原理都是相似的:在電池陰極,元素失去電子,轉變成為更高價的離子,隨后進入電解質,穿過隔膜,向陽極轉移:雖然離子能夠穿過電解質和隔膜,但電子卻不行,只能從外部的電路跑到陽極,并在外部做功。這就是電池的放電過程。

鋰元素的原子量是6.94,在金屬中最輕;鋰元素的標準電極電位是-3.045V,在金屬中最低;此外,鋰元素的比容量也是金屬中最高,同時其電化學當量最小。

這意味著,鋰電池理論上能夠獲得最大的能量密度。在電池領域,如果暫不考慮安全和成本因素的話,能量密度擁有絕對的話語權—鋰電池就是研發者眼中的首選。

然而打開化學課本的元素周期表,與鋰離得最近的金屬元素就是鈉,它們都位于周期表的第一列,最外層電子數相同,化學性質相似,所以都能作為電荷搬運工,驅動電池充放電。

不過鈉離子電池硬傷也比較明顯,首當其沖的就是能量密度不足,鋰的原子量是7,鈉的原子量為23,原子量越小就意味著能量密度越大。

這就導致三元鋰電池能量密度已經在200Wh/kg(瓦時每千克,比能量單位)以上時,鈉離子電池僅100-150Wh/kg,即使寧德時代當前發布的鈉離子電池能量密度可以達到160Wh/kg,與鋰離子電池的差距也很明顯,導致電池使用效率明顯偏低。

其次鈉離子半徑比鋰離子大70%,導致自身移動速度極其緩慢,沒辦法穿過負極石墨材料,也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。

這樣一來,在科學技術尚不發達的上世紀80年代,鋰離子電池和鈉離子電池走上了截然不同的道路:前者迅速商業化,成為消費市場必不可少的用品,后者則完全進入了停滯狀態。

如今,寧德時代發布的鈉離子電池,讓更多人看到了這項“命途多舛”的技術,也讓動力電池未來的發展之路,多了一個強有力的“潛在競爭者”。

鋰與鈉的愛恨情仇

但實事求是地來講,鈉電池也并非一無是處,它有兩個優勢是鋰電池無法比擬的。

首先在儲備量方面,鋰資源的儲量有限。數據顯示,目前70%的鋰資源分布在南美洲,而現階段我國80%鋰資源依賴進口,隨著需求量的增加,鋰元素的價格也一路飆升,從最初的3.8萬元一噸漲到16萬元一噸。

此前,中國工程院院士陳立泉就曾明確表示,如果全世界的車都使用鋰離子電池,全世界的電能都用鋰離子電池儲存,鋰根本不夠,一定要考慮新的電池。

鈉資源儲量就很高,僅僅中國一個察爾汗鹽湖中,氯化鈉儲量就高達426.2億噸,大約是全球鋰資源儲量的一百多倍,可以說鈉資源是非!皟炐恪钡摹胺窃偕茉础。

其次在使用屬性上,盡管鈉離子能量密度不佳,但它的化學性能相對穩定,所以它對溫度并不敏感,不容易形成鋰枝晶那樣堅硬的枝晶,在抗低溫和安全性上較同類別的鋰離子電池也有明顯的優勢。

所以從理論上,只要能讓鈉離子在電池當中自由游走,就有希望解決鈉電池能量密度偏低的問題,鈉電池也就有了“逆襲”鋰電池的希望。在國際競爭加劇,全球能源轉型、碳減排碳中和的大背景下,開發鈉電池這樣一條全新的產品路線,有非常豐富的政治和經濟利益。

這或許正是寧德時代讓鈉電池“復活”的初衷。

記者了解到,現有的鈉離子電池正極一般是用普魯士白和層狀氧化物兩類材料,鈉離子雖然能夠穿行,但在循環過程中電池容量會快速衰減,導致電池能量密度明顯衰減,非常不耐用。

于是寧德時代用全新思路開發的鈉電池誕生了—對材料體相結構進行電荷重排,解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減難題。在負極材料方面,開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料,其具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性,并給正負極材料優化了相適配的電解液。

這樣一來,讓鈉離子既可以在正負極之間自由穿行,又不至于過度地衰減能量。并且鋰離子電池的生產線也可以用來生產鈉電池,很好地控制了成本。

按照寧德時代對外發布的數據,技術優化以后“新生”的鈉離子電池,單體能量密度已經達到了160Wh/kg,幾乎達到磷酸鐵鋰電池(150-210Wh/kg)的標準。在常溫下充電15分鐘,電量可達80%;而在零下20°C低溫的環境下,仍然有90%以上的放電保持率。同時在系統集成效率方面,也可以達到80%以上。

“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個關鍵詞直擊當下鋰電池痛點,也讓人們看到了新能源車續航問題的解決希望,以及動力電池未來的全新發展思路。

[下個主題]  跨省臨時增供對電力現貨市場的影響不可小視
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