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有关钠离子电池的详细解读

四维图新NavInfo 2021-09-23 10:55 次阅读

引言

此前宁德时代发布会上公布了“第一代钠离子电池”,而后关于钠离子电池的讨论层出不穷,有人说它可以替代现有纯电动车上的锂离子动力电池,更是直言我们取得了电池技术里程碑式的突破,钠离子电池更是被誉为未来电池之光?然而真实情况是这样子的吗?本文将带来有关钠离子电池的详细解读。

01钠离子电池的前世

首先要说的是,其实关于钠离子电池技术的研究,并非这几年才开始兴起的,事实上早在上个世纪七八十年代,锂离子电池技术刚刚兴起之时,钠离子电池自然也被电池界寄予厚望,甚至钠离子电池的技术原理,在当时就形成了完整的体系,而这一体系至今仍在沿用。

所以,宁德时代推出钠离子电池并非“新物种”,而是基于原有技术的升级版本。

为什么钠离子电池在上世纪可以和锂离子电池一起研究呢?

而之所以钠离子电池和锂离子电池在上世纪同时研究,也是因为钠与锂在化学周期表上是距离最近的同族金属元素,而且众所周知的是“同族元素的最外层电子数完全一致”,这意味着它们的化学性质极为相似,因此当年电池界是将钠与锂放在一起研究并寄予厚望的。

因为不管是钠离子电池还是锂离子电池,他们在电池技术原理上的其实是一样的。都是通过电解液与金属产生氧化还原化学反应,将金属变成离子态,此时电子作为电荷载体在电池正负极之间的移动就可实现电池的充放电过程,也被成为“摇椅式电池”。

在充电过程中,钠离子或锂离子会携带着正电荷从正极流向负极,而负电荷电子则通过外部电路一同运动,最终实现电流的传输。而放电过程则相反,金属离子和电荷会从负极迁移至正极,从而实现电流的反方向传输。

然而钠离子电池因自身“缺点”在和锂离子电池的竞争中掉队了,最终鲜有人提。

那么钠离子电池相较于锂离子电池到底差哪里了呢?

02钠离子电池比起锂离子的“缺陷”

最大的问题还是钠离子的质量要比锂离子大,在元素周期表中可以看到,锂排名第3,而钠排名第11,这样在相同质量下的能量密度的差异就会体现在电池电量上的不同。

就拿本次宁德时代推出的钠离子电池来说,钠离子电池的能量密度为160Wh/kg,而宁德时代现有的NCM811三元锂电池能量密度为200Wh/kg。意味着同为1kg质量情况下,钠离子电池仅为三元锂电池的80%能量密度,这就相当于现在大多数装配锂电池的电动车充满电基本上都可以跑500公里左右,那么同等质量的钠离子动力电池才可以跑400公里。

由此我们也能看到,钠离子电池的电量要比锂离子电池的电量低。

事实上,锂离子电池的电量对钠离子电池的电量处于碾压的状态。

我国锂电产业的奠基人中国工程院院士陈立泉所研究的新型纳米硅锂电池是一般石墨锂电池容量的的5倍;2018年陈院士的徒弟李泓教授研发的固态锂电池已经完成了300Wh/kg固态动力电池系统的设计开发工作,实验室测试车辆搭载该固态锂电池后,续航里程翻了一番。现在正在研发的350Wh/kg纳米硅锂电池可以让电动车一次充电能走1000公里。

还有很重要的一点,在电池充放电“循环寿命”这项指标上,钠离子电池也要逊色于锂离子电池。根据统计,目前钠离子电池的循环寿命大约在2000次左右,而三元锂电池循环寿命可达3000次以上,磷酸铁锂电池循环寿命长达6000次左右。

因此,在新能源电动车市场上,笨重且短寿的钠离子电池被锂离子电池打败,直接丧失了价值万亿的新能源市场,钠离子电池只能在低速电动车、储能系统等含金量较低的领域与铅酸电池抢市场。那么问题来了,宁德时代为何还要去研究和发布满是缺点的钠离子电池呢?

03钠离子电池比起锂离子的“优势”

市场是以需求为导向的。锂离子电池的优点固然很多,但它却有一个致命的短板,就是——少!

资料显示,锂元素在地壳中的含量约为0.0065%,原材料稀缺且成本昂贵。根据美国地质调查局USGS的统计,截至2020年,全球已探明可开采的锂资源储量约为8600吨左右。而2020年我国锂原料产量占全球比例仅为24%,锂资源高度依赖进口。

锂资源的紧缺意味着其价格也会不断上涨,前几年不足4万一吨的碳酸锂,现今已到10万元一吨,价格直接翻2.5倍,这将极大影响锂离子电池的材料成本。

而且,前面提到的三元锂电池中的“三元”,指的是包含镍、钴、锰、铝的其中三种金属元素的聚合物,在三元锂电子电池中作正极,但是钴、镍这类金属的稀缺程度远远超过锂资源,其价格更为昂贵。

因此,如今锂离子电池材料稀缺度及成本上涨的趋势已经让锂电池的发展陷入困境。

相比之下钠元素在我们地球上的储量极为丰富,毕竟占咱们地球上70%面积的海水中钠盐简直太多了,而且工业上也非常方便提取。另外,钠资源在地壳中的储量也排在第六位。

从成本方面看,丰富的钠资源以及工业上极易开发生产,也就意味着价格的低廉。如上所说电池级碳酸锂价格每吨在10万元,而钠离子化合物价格每吨仅250元。

除了钠材料易获取和成本低廉外,钠离子电池还具有锂离子电池所没有的优势:

比如在快充方面,全部采用钠离子电池其充电时间可缩减至10-20分钟,宁德时代的钠离子电池在常温下充电也仅需15分钟,电量可达80%。钠离子电池明显可以缓解电动车车主用电焦虑和满足减少充电时间方面的需求。

在放电保持率方面,钠离子电池可在-40℃至80℃工作温区工作,而且宁德时代此次钠离子电池在-20℃的低温环境下也仍然有90%以上的放电保持率,而锂离子电池一般则是0℃可放出额定容量的90%,-20℃时可放出额定容量的70%。如此看,钠离子电池明显对冬季行车有更好的续航保障。这想必是寒冷地区电动车主的福音。

在安全方面,钠离子电池在安全上远高于锂电池,在过充、过放、短路、针刺、挤压等场景下也不会轻易起火。这对新能源电动汽车而言尤为重要。

所以对比钠离子电池与锂离子电池,其实各自都有各自的优势,但是又都有各自致命的“短板”,而此次宁德时代发布的新型电池其实也是钠离子电池和锂离子电池的“混搭”,也被称为“AB电池系统解决方案”,宁德时代通过此AB方案扬长避短、发挥优势,有效解决了钠离子电池能量密度低的问题。

04钠锂之争的背后

尽管此次发布会之后,大家众说纷纭,但在小编看,说是“未来电池之光”不免有些托大,但如果否认其创新的做法也不应该被接受。

尽管目前锂元素储量还很充沛,但以目前全球“双碳目标”的背景下,电动化的趋势会进一步加大锂元素的消耗量,专家分析50年以后锂元素就会耗光。

所以在新材料电池方面,各个国家以及相关企业都在布局,比如特斯拉的无钴电池,日本和加拿大合作的钒电池,印度与欧洲合作的新型铝电池等也在研究和积极推向市场。

加之我国锂元素也极度依赖进口,发展新材料电池在目前复杂的国际环境下也十分具有战略性意义,而究竟此番能否带动电池升级,从而促进电动车及相关产业的成本下降,也请我们大家拭目以待。

责任编辑:haq

原文标题:钠离子电池是否是下一代未来电池之光?

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