鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:539次 | 2022年02月24日
鈉離子電池入局,動(dòng)力鋰離子電池"三國殺"來了?
我國儲(chǔ)能網(wǎng)訊:“15分鐘充電80%,零下20度電池不衰減”。不久前,動(dòng)力鋰離子電池“一哥”寧德時(shí)代召開了公布會(huì),推出自己的第一代鈉離子電池。很多人直呼:寧德時(shí)代這是要重塑電動(dòng)汽車!
鈉離子電池能否在三元鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池等一眾對(duì)手中脫穎而出,引領(lǐng)潮流,成為下一代的電池技術(shù)?
科幻小說為何難成現(xiàn)實(shí)?
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(dāng)中最先提出。
小說里,鸚鵡螺號(hào)通過取得海水當(dāng)中的電解質(zhì)鈉,制成鈉電池作為能源來驅(qū)動(dòng)前進(jìn),因?yàn)殁c元素來自于海水,屬于就地取材。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
書中預(yù)言的電擊槍、潛水服、海底隧道一一實(shí)現(xiàn),但鈉電池潛水艇始終進(jìn)展不大,一直到了上世紀(jì)70年代,隨著第三次工業(yè)革命的到來,鈉離子電池才被真正地研發(fā)出來,而與鈉電池同時(shí)代誕生的,還有如今人們非常熟悉的鋰離子電池。
如今四十多年過去了,鋰離子電池早已廣泛應(yīng)用到生出現(xiàn)活當(dāng)中,尤其成為新能源汽車的核心產(chǎn)品;但鈉電池的發(fā)展卻不怎么順利,長期以來只小范圍應(yīng)用在儲(chǔ)能電站、低速車領(lǐng)域,甚至到2011年,才有公司嘗試將產(chǎn)品商業(yè)化。
鈉電池,顧名思義就是用鈉離子作為驅(qū)動(dòng)的電池。通過鈉離子在電池的正負(fù)極之間“跑來跑去”實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)的一種動(dòng)力鋰離子電池。因?yàn)樽陨怼八刭|(zhì)”不過關(guān),被人遺忘在角落里。
鈉離子電池為何一直被冷落?這其實(shí)與它的化學(xué)屬性有非常直接的關(guān)系。實(shí)際上,無論是鈉電池還是鋰離子電池,它們的工作原理都是相似的:在電池陰極,元素失去電子,轉(zhuǎn)變成為更高價(jià)的離子,隨后進(jìn)入電解質(zhì),穿過隔膜,向陽極轉(zhuǎn)移:雖然離子能夠穿過電解質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)其電化學(xué)當(dāng)量最小。
標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
這意味著,鋰離子電池理論上能夠獲得最大的能量密度。在電池領(lǐng)域,假如暫不考慮安全和成本因素的話,能量密度擁有絕對(duì)的話語權(quán)—鋰離子電池就是研發(fā)者眼中的首選。
然而打開化學(xué)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(shù)相同,化學(xué)性質(zhì)相似,所以都能作為電荷搬運(yùn)工,驅(qū)動(dòng)電池充放電。
不過鈉離子電池硬傷也比較明顯,首當(dāng)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(dǎo)致三元鋰離子電池能量密度已經(jīng)在200Wh/kg(瓦時(shí)每千克,比能量單位)以上時(shí),鈉離子電池僅100-150Wh/kg,即使寧德時(shí)代當(dāng)前公布的鈉離子電池能量密度可以達(dá)到160Wh/kg,與鋰離子電池的差距也很明顯,導(dǎo)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(dǎo)致自身移動(dòng)速度極其緩慢,沒辦法穿過負(fù)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(xué)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的上世紀(jì)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(yè)化,成為消費(fèi)市場(chǎng)必不可少的用品,后者則完全進(jìn)入了停滯狀態(tài)。
如今,寧德時(shí)代公布的鈉離子電池,讓更多人看到了這項(xiàng)“命途多舛”的技術(shù),也讓動(dòng)力鋰離子電池未來的發(fā)展之路,多了一個(gè)強(qiáng)有力的“潛在競(jìng)爭者”。
鋰與鈉的愛恨情仇
但實(shí)事求是地來講,鈉電池也并非一無是處,它有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)是鋰離子電池?zé)o法比擬的。
首先在儲(chǔ)備量方面,鋰資源的儲(chǔ)量有限。數(shù)據(jù)顯示,目前70%的鋰資源分布在南美洲,而現(xiàn)階段我國80%鋰資源依賴進(jìn)口,隨著需求量的新增,鋰元素的價(jià)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,我國工程院院士陳立泉就曾明確表示,假如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(chǔ)存,鋰根本不夠,一定要考慮新的電池。
▲2021年上半年全球動(dòng)力鋰離子電池裝機(jī)量榜單(/視覺我國)
鈉資源儲(chǔ)量就很高,僅僅我國一個(gè)察爾汗鹽湖中,氯化鈉儲(chǔ)量就高達(dá)426.2億噸,大約是全球鋰資源儲(chǔ)量的一百多倍,可以說鈉資源是非常“優(yōu)秀”的“非再生能源”。
其次在使用屬性上,盡管鈉離子能量密度不佳,但它的化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定,所以它對(duì)溫度并不敏感,不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)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(yōu)勢(shì)。
所以從理論上,只要能讓鈉離子在電池當(dāng)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”鋰離子電池的希望。在國際競(jìng)爭加劇,全球能源轉(zhuǎn)型、碳減排碳中和的大背景下,開發(fā)鈉電池這樣一條全新的產(chǎn)品路線,有非常豐富的政治和經(jīng)濟(jì)利益。
這或許正是寧德時(shí)代讓鈉電池“復(fù)活”的初衷。
記者了解到,現(xiàn)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(huán)過程中電池容量會(huì)快速衰減,導(dǎo)致電池能量密度明顯衰減,非常不耐用。
于是寧德時(shí)代用全新思路開發(fā)的鈉電池誕生了—對(duì)材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排,解決了普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減難題。在負(fù)極材料方面,開發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料,其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性,并給正負(fù)極材料優(yōu)化了相適配的電解液。
▲鈉離子電池工作原理圖(/視覺我國)
這樣一來,讓鈉離子既可以在正負(fù)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(chǎn)線也可以用來生產(chǎn)鈉電池,很好地控制了成本。
按照寧德時(shí)代對(duì)外公布的數(shù)據(jù),技術(shù)優(yōu)化以后“新生”的鈉離子電池,單體能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg,幾乎達(dá)到磷酸鐵鋰離子電池(150-210Wh/kg)的標(biāo)準(zhǔn)。在常溫下充電15分鐘,電量可達(dá)80%;而在零下20°C低溫的環(huán)境下,仍然有90%以上的放電保持率。同時(shí)在系統(tǒng)集成效率方面,也可以達(dá)到80%以上。
“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個(gè)關(guān)鍵詞直擊當(dāng)下鋰離子電池痛點(diǎn),也讓人們看到了新能源車?yán)m(xù)航問題的解決希望,以及動(dòng)力鋰離子電池未來的全新發(fā)展思路。
▲動(dòng)力鋰離子電池大PK(制圖/柴青艷)
能量密度低仍待解
時(shí)間撥回到一年半以前,2020年四月,比亞迪高調(diào)公布了刀片電池產(chǎn)品,希望從“續(xù)航性”與“安全性”兩方面重塑磷酸鐵鋰離子電池,改變整個(gè)動(dòng)力鋰離子電池行業(yè)。
但實(shí)際情況是,刀片電池提升了續(xù)航性能,卻無法規(guī)避低溫影響,甚至有消費(fèi)者反饋抗低溫性能還不如三元鋰離子電池。不少業(yè)內(nèi)人士也指出,刀片電池只在體積利用率上進(jìn)行了極限優(yōu)化,并未真正做到革新材料。
這與如今寧德時(shí)代高調(diào)公布的鈉電池,頗有些同病相憐之處。
在清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強(qiáng)看來,鈉離子電池最大的問題,就是依然沒能解決鈉電池能量密度低的問題。
張強(qiáng)解釋說,在乘用車領(lǐng)域,三元鋰離子電池的能量密度已經(jīng)朝300Wh/kg、甚至更高的目標(biāo)邁進(jìn)。相比而言,鈉電池能量密度只有一半,和鋰離子電池差距依然比較明顯,和自身相比有進(jìn)步,但在大環(huán)境當(dāng)中能量密度依然偏低?!跋乱淮c電池能量密度目標(biāo)雖然是200Wh/kg,但這個(gè)研發(fā)過程所要的時(shí)間,目前很難估測(cè)”。
所以此次公布的鈉離子電池,寧德時(shí)代給出了AB電池的解決方法,也就是將鈉離子模組和鋰離子模組按照特定的比例,封裝在同一電池包內(nèi),達(dá)到“一機(jī)兩用”的目的,創(chuàng)造出全新的鋰鈉電池,為應(yīng)用創(chuàng)造了更多場(chǎng)景。
但這種一機(jī)兩用的技術(shù)解決路徑,更像是公司的自圓其說:因?yàn)榇饲皬臎]有在任何主流新能源車型應(yīng)用過這個(gè)方法,甚至連三元鋰和磷酸鐵鋰兩種鋰離子電池混用的方法也不曾出現(xiàn)。有關(guān)追求超長續(xù)航、要超高能量密度的中高端乘用車型來說,磷酸鐵鋰、三元鋰離子電池甚至未來的固態(tài)電池,或許才是他們主流的選擇。
“在沒能大幅提升鈉離子電池的能量密度前,鈉電池在乘用車領(lǐng)域機(jī)會(huì)不多,首先應(yīng)用的場(chǎng)景可能是儲(chǔ)能領(lǐng)域?!敝嘘P(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長俞振華這樣評(píng)價(jià)道。
但即便在儲(chǔ)能領(lǐng)域,鈉電池產(chǎn)業(yè)化之路也有諸多難題亟待破解:雖然海水、鹽湖當(dāng)中有豐富的鈉,但我國相關(guān)提取技術(shù)并不成熟,要一按時(shí)間培育上下游產(chǎn)業(yè);盡管鈉的價(jià)格低于鋰,但較低的能量密度意味著更多的輔材和制造成本,根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)算,鈉離子電池的輔材與制造成本占比近75%。
“在沒有實(shí)現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈打通的前提下,鈉電池并不容易控制成本。”上海交通大學(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長楊軍認(rèn)為,按照目前的規(guī)模,形成真正市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的鈉電池產(chǎn)品,可能還要2-3年,甚至更長時(shí)間。
盡管要想實(shí)現(xiàn)鈉離子電池規(guī)模化還要一段時(shí)間,但可以肯定的是,鈉離子電池進(jìn)軍乘用車領(lǐng)域,是動(dòng)力鋰離子電池嘗試向上游延伸,降低原材料價(jià)格波動(dòng)影響的一種探索方式。不管產(chǎn)業(yè)化之路是否成功,它都為鋰離子電池上游價(jià)格高漲敲響了警鐘,也為能源轉(zhuǎn)型、多技術(shù)路線的發(fā)展,供應(yīng)了更多的思路和方法。
磷酸鐵鋰離子電池迎來“翻身”
在鈉電池高調(diào)進(jìn)軍動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域之時(shí),另一個(gè)現(xiàn)象也引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注—三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池的市場(chǎng)占比天平,已經(jīng)悄然傾斜,十分耐人尋味。
磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池是目前市場(chǎng)的兩大主流,有觀點(diǎn)認(rèn)為它們本質(zhì)上都是鋰離子電池,只是材料構(gòu)造存在差別:磷酸鐵鋰離子電池用磷酸鐵鋰做正極;三元鋰離子電池也叫三元聚合物鋰離子電池,重要是由鎳鈷鋁或者是鎳鈷錳做正極。
但也有觀點(diǎn)認(rèn)為,磷酸鐵鋰離子電池本質(zhì)上是鐵電池,并非真正意義上的鋰離子電池。所以兩者在能量密度、安全性等方面有著不小的差距。
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固,難以分解,燃點(diǎn)是500℃以上,即便在高溫或過充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰相同結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱,或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)。因此磷酸鐵鋰離子電池穩(wěn)定性更好,但磷酸鐵鋰離子電池也有明顯的短板,即放熱慢、產(chǎn)熱少、能量密度低,不得不用提高體積比的方式,來換取更高的續(xù)航。
在傳統(tǒng)認(rèn)知中,磷酸鐵鋰離子電池雖然安全性表現(xiàn)更佳、成本更加有優(yōu)勢(shì),但從能量密度和續(xù)駛里程角度看,三元鋰離子電池更勝一籌,所以在很長一段時(shí)間里,盡管鋰離子電池導(dǎo)致的電動(dòng)汽車自燃頻頻上演,但三元鋰離子電池依然成為了市場(chǎng)的熱寵。
數(shù)據(jù)顯示,2017年磷酸鐵鋰離子電池市場(chǎng)份額尚且為49.6%,到了2018年跌至37.8%,到2019年更是下跌到32%。除了商用車以外,幾乎所有乘用車都開始采用三元鋰離子電池產(chǎn)品。
就在人們認(rèn)為磷酸鐵鋰離子電池即將“優(yōu)雅謝幕”之時(shí),情況卻發(fā)生了戲劇性的反轉(zhuǎn):先是磷酸鐵鋰離子電池市場(chǎng)份額止跌回升,從特斯拉Model3、ModelY(配置|詢價(jià))到比亞迪漢、小鵬P5等等,越來越多車企開始推出裝配磷酸鐵鋰離子電池的車型。
▲三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰離子電池咋使用材料方面的差別(/視覺我國)
來到2021年,磷酸鐵鋰離子電池市場(chǎng)份額進(jìn)一步擴(kuò)大。今年1-五月,國內(nèi)磷酸鐵鋰離子電池產(chǎn)量29.9GWh,近三年來首次超越三元鋰離子電池,這種顛覆性的變化在業(yè)內(nèi)引發(fā)了廣泛關(guān)注。
我國電池工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長王敬忠分析認(rèn)為,磷酸鐵鋰離子電池在安全性能等方面的表現(xiàn)本來就優(yōu)于三元鋰離子電池,近年來隨著技術(shù)進(jìn)步,不僅其能量密度及續(xù)駛能力有所增強(qiáng),而且成本也實(shí)現(xiàn)了大幅下降,使磷酸鐵鋰離子電池的“翻身”有了較為可靠的基礎(chǔ)。
因此隨著鈉電池的入場(chǎng),人們的關(guān)注點(diǎn)也有了全新的方向—這種受制于技術(shù)因素的動(dòng)力鋰離子電池,未來有可能像磷酸鐵鋰離子電池相同“咸魚翻身”,讓動(dòng)力鋰離子電池領(lǐng)域的“龍虎斗”變成“三國殺”嗎?
專家眼中的鈉電池>>>
鈉離子電池未來有很多機(jī)會(huì)
我國科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院教授甘子釗:
新能源汽車電池,目前行業(yè)內(nèi)大量使用的是鋰離子電池,使用鈉電池的比較少,但鈉電池相比于鋰離子電池,還是有一定優(yōu)勢(shì)的。鋰離子電池的負(fù)極用料是銅,而鈉電池是鋁,鋁的價(jià)格比銅便宜得多,所以鈉電池未來是有很多機(jī)會(huì)的。
有關(guān)電池的問題,假如深入研究下去,就牽扯到我們對(duì)當(dāng)代凝聚態(tài)物理的了解了。在電池當(dāng)中,傳導(dǎo)是離子,隨著凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展,對(duì)離子導(dǎo)電的認(rèn)識(shí)也會(huì)更加清晰,最終帶來電池行業(yè)的進(jìn)步,而這恰恰是新能源汽車行業(yè)的重大進(jìn)步。
鈉電與鋰電不存在替代關(guān)系
清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強(qiáng):
在提倡節(jié)能減排碳達(dá)峰的大背景下,結(jié)合國家有關(guān)儲(chǔ)能的需求來看,無論是磷酸鐵鋰、三元鋰還是鈉電池,存在都是有意義的。但鈉電池與鋰離子電池細(xì)分市場(chǎng)不相同,有各自的工作崗位和應(yīng)用空間,目前并不存在誰替代誰的問題。
具體來看,鋰離子能量密度高,所以在移動(dòng)式場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)會(huì)突出一些,比如乘用車領(lǐng)域;鈉離子電池能量密度沒有那么高,可能更適用于固定式儲(chǔ)能,例如儲(chǔ)能站當(dāng)中。也要關(guān)注具體的型號(hào)類型,使用地域差別等等,比如哈爾濱用的電池,和海南島用的電池肯定不相同。
未來隨著能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型,有關(guān)動(dòng)力鋰離子電池的需求量只增不減,會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)供不應(yīng)求的狀態(tài),所以從這個(gè)角度看,不管是鈉電池還是鋰離子電池,市場(chǎng)一定會(huì)遵循“哪個(gè)能造好用哪個(gè),哪個(gè)更好用用哪個(gè)”的原則。黑貓白貓,抓到耗子就是好貓。
鈉電池必須提高自身“技術(shù)含量”
中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長俞振華:
鈉電池目前處于一個(gè)剛起步的狀態(tài)。在學(xué)術(shù)上,鈉離子電池沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)路線,入局的公司也處于“摸著石頭過河”的狀態(tài);在產(chǎn)業(yè)上,寧德時(shí)代的電池也沒有量產(chǎn),甚至連關(guān)鍵材料的供應(yīng)體系也不健全。
鈉電池未來還有很長一段路要走。在乘用車領(lǐng)域,因?yàn)槟芰棵芏鹊膯栴},短時(shí)間內(nèi)鈉電池尚且無法和鋰離子電池抗衡,必須提高自身的“技術(shù)含量”。
在儲(chǔ)能電池領(lǐng)域,目前磷酸鐵鋰離子電池是儲(chǔ)能電池的重要技術(shù)路線。鈉離子電池和磷酸鐵鋰離子電池,能量密度差距已經(jīng)縮小了很多,所以未來技術(shù)成熟以后,市場(chǎng)可能會(huì)有一些差異性的選擇,這也是鈉離子電池的一個(gè)機(jī)會(huì)。
鈉電池尚不能量產(chǎn),要市場(chǎng)檢驗(yàn)
上海交通大學(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長楊軍:
現(xiàn)在公布的鈉電池,能量密度已經(jīng)達(dá)到160Wh/kg以上,這個(gè)數(shù)字是相當(dāng)高了,進(jìn)步也是非常明顯的,但要注意的是,并不是說這款電池現(xiàn)在就能大量生產(chǎn)。相反的是,可能還要等兩三年才能真正上市,無論上市以后面對(duì)的是儲(chǔ)能領(lǐng)域還是乘用車領(lǐng)域,都要市場(chǎng)來檢驗(yàn),這到底是不是一款滿足需求的產(chǎn)品。
至于三元鋰和磷酸鐵鋰離子電池占比的問題,還要具體問題具體分析,它們的使用場(chǎng)景是不同的,有成本的因素也有安全的因素,比如說無人機(jī)的電池,就必須要求能量密度非常高,磷酸鐵鋰離子電池就不合適,所以這方面實(shí)際上很難預(yù)測(cè)。