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15個(gè)問(wèn)題讀懂鈉離子電池的現(xiàn)狀和未來(lái)
日期:2021-11-22   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_miaowanying 打印收藏評(píng)論(0)[訂閱到郵箱]
2021年11月8日,在鈉離子電池專家會(huì)議上,來(lái)自復(fù)旦大學(xué)的專家介紹了目前鈉電池技術(shù)背景和生產(chǎn)的進(jìn)展情況。

鈉離子電池的技術(shù)背景:

鈉離子電子的儲(chǔ)能機(jī)理和鋰離子電池是一樣的。都是利用離子在正負(fù)極之間的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。鈉離子本身也帶正電荷,但是鈉離子半徑比鋰大1/3,所以移動(dòng)比鋰慢,能量密度比離子鋰電池低。但是鈉資源非常豐富。鋰能源材料國(guó)內(nèi)非常少,主要靠進(jìn)口,未來(lái)的成本越來(lái)越高。鈉資源是鋰資源的1000倍,從成本看,比鋰礦多。但是鈉離子電池的技術(shù)還不成熟,目前主要工作還是在實(shí)驗(yàn)室。按資源優(yōu)勢(shì),是最有可能成為替代鋰的資源。能量密度低,所以多能量密度要求高的就不適合,例如手機(jī)、筆記本電腦的應(yīng)用替代就不行,但是對(duì)儲(chǔ)能,電動(dòng)車,體積比較大的,能量密度要求比較低的還是有較大的市場(chǎng)需求。鈉離子電池未來(lái)不會(huì)一開始應(yīng)用在乘用車,因?yàn)樗麄儗?duì)能量密度要求高,但是電動(dòng)大巴可以。分布式儲(chǔ)能,電網(wǎng)的儲(chǔ)能,場(chǎng)景很大,有很大的應(yīng)用前景。

技術(shù)進(jìn)展方面:

從研發(fā)的角度,目前鈉電池的正負(fù)極材料借鑒了鋰離子電池的材料體系。經(jīng)過(guò)測(cè)試,正極還是用層狀電極材料類似鋰電里面的鋰鈷氧后者三元,這是將來(lái)有希望大規(guī)模生產(chǎn)的。另外的還有磷酸鹽體系,但如果要把磷酸鐵鋰變成磷酸鐵鈉,磷酸鐵鈉的儲(chǔ)鈉性能很差,所以可能要用其他的元素替代或者優(yōu)化,例如磷酸釩鈉或者磷酸錳鈉之內(nèi)的,但是也是磷酸鹽體系。另外就是普魯斯蘭類的體系,普魯斯藍(lán)類的光電循環(huán)比較穩(wěn)定,但是缺點(diǎn)是能量密度比較低,容量也比磷酸鹽和輪狀材料低。所以現(xiàn)在還沒(méi)有確定三大材料體系,哪個(gè)組好。負(fù)極在鋰電里面最成熟的是石墨。但是用石墨作為負(fù)極材料,性能非常差,不能做強(qiáng)大的用途。另外的硬碳材料做負(fù)極很不錯(cuò),硬碳材料是一種稍微雜亂排列無(wú)定形的結(jié)構(gòu)材料。這種硬碳材料的儲(chǔ)鈉性能,目前的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果是可以和目前石墨處理的性能相媲美。所以現(xiàn)在負(fù)極方面最好的電池負(fù)極材料就是硬碳,但是硬碳還沒(méi)有大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)商,但是有些生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)在布局硬碳的量產(chǎn),但是準(zhǔn)確時(shí)間還不確定。

鋰電池的電解液用的是六氟磷酸鋰溶液,鈉電池用的是六氟磷酸鈉溶在碳酸鋰,運(yùn)行起來(lái)的效果很好。如果要用于高壓電的話,要用到高氯酸鈉,就是把溶解的鹽稍微換一下。但無(wú)論如何,和鋰電的電解液非常相近,溶劑不變。隔膜完全可以用和鋰電池一樣的隔膜。負(fù)極可以用鋁箔作為節(jié)流機(jī),因?yàn)殇X箔比銅箔的成本要低很多,用鋁箔做負(fù)極可以降低集流體。集流體的制造工藝和鋰電的制造工藝也是非常的類似。

所以鋰電的生產(chǎn)線稍微調(diào)整一下就可以進(jìn)行鈉離子電池的生產(chǎn),所以如果電池廠想要轉(zhuǎn)型,它的重置成本不會(huì)太大?,F(xiàn)在量產(chǎn)最大的問(wèn)題還是這是興起的技術(shù),要從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化去推廣,他的技術(shù)穩(wěn)定性以及材料的成熟度不會(huì)很高。

Q&A

1. 低溫情況下鈉離子表現(xiàn)更好,現(xiàn)在是不是真的可以達(dá)到160wh/kg?

理論上可以達(dá)到。但是沒(méi)有給循環(huán)壽命的參數(shù)。目前的循環(huán)穩(wěn)定性不好。市面上電動(dòng)車要求2000次,但是現(xiàn)在研究只能是1000次。160wh/kg??斐?5分鐘80%的電量,理論上沒(méi)問(wèn)題。低溫情況更好由于沒(méi)有材料的組份和參數(shù),所以保持懷疑。鈉電池體積比鋰電池大,動(dòng)力學(xué)性能會(huì)相對(duì)差一些,鈉離子的移動(dòng)會(huì)慢。鈉離子同時(shí)也存在受低溫的影響。一般來(lái)說(shuō)鈉離子的低溫性能比鋰差,但是不知道寧德時(shí)代是否采用了新技術(shù)。

2. 循環(huán)壽命的主要影響因素是什么?循環(huán)壽命的指標(biāo)之后的提升空間有多大,然后大概預(yù)計(jì)可能在什么時(shí)候能滿足作為儲(chǔ)能電池的循環(huán)?

正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鈉離子可逆的拖嵌,正極材料是經(jīng)濟(jì)材料,這個(gè)材料可以發(fā)生變化。有些材料的相對(duì)穩(wěn)定性好,所以可以保持循環(huán)壽命。鈉離子的循環(huán)沒(méi)有其他的好,主要是體積過(guò)大,對(duì)材料結(jié)構(gòu)的破壞更大,從長(zhǎng)壽命來(lái)看可以達(dá)到1000次。但是這個(gè)問(wèn)題在將來(lái)通過(guò)技術(shù)可以得到解決??梢允共牧细臃€(wěn)定。未來(lái)3-5年,加起來(lái)可以循環(huán)3000-4000次沒(méi)有問(wèn)題。

3. 如果都替換掉正負(fù)極材料,鈉離子替換鋰的話,成本比現(xiàn)在有多少下降?

現(xiàn)在鈉離子還沒(méi)有量產(chǎn),現(xiàn)在主要還在實(shí)驗(yàn)室,材料花費(fèi)比現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的鋰要高。

但進(jìn)行量產(chǎn)后,加入整個(gè)生產(chǎn)工藝和鋰電池持平,整個(gè)成本可以降低50%左右。但是現(xiàn)在還沒(méi)有確定正負(fù)極材料,所以無(wú)法估算。負(fù)極稍微比鋰稍微有點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。大的優(yōu)勢(shì)還是在正極,因?yàn)樵谡龢O里先對(duì)金屬離子方面,錳的相對(duì)性能更加穩(wěn)定,基于鈉錳氧的體系,里面再參入一些鎳或者鈷鐵之類的元素,并不會(huì)太貴。但是鋰電都在做高鎳,里面的鈷和鎳不能少,成本比錳高很多,但是用鋰錳氧,錳多的話性能就會(huì)很差。但是錳在鈉里面可以用做大量的穩(wěn)定元素,不用用鎳和鈷。用錳作為主要的金屬元素結(jié)合碳酸鈉,在量產(chǎn)以后,成產(chǎn)成本比現(xiàn)在的鋰電池會(huì)大幅度的降低。

4. 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的鋰離子電池的公司,從技術(shù)上比較一下,有沒(méi)有什么公司是比較領(lǐng)先的?

主流的企業(yè)里,寧德時(shí)代的企業(yè)有團(tuán)隊(duì)做鈉離子電池,他們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)比較大,在布局的考慮會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)一些,他們現(xiàn)有鈉離子電池,也有新聞發(fā)布。所以他們的技術(shù)比較領(lǐng)先,另外很多高?,F(xiàn)在都在做研發(fā),例如中科院孵化了中科海納,專門做鈉離子電池。上海交大在紹興孵化了鈉創(chuàng)新能源,主要做儲(chǔ)能電池,也是初創(chuàng)的鈉離子電池公司。這兩個(gè)是專門做鈉離子電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)話的,不做鋰電池。寧德時(shí)代主業(yè)還是其他,只是做了點(diǎn)鈉方面的研發(fā)。

但是現(xiàn)在的鈉離子電池都并不成熟,盡管寧德時(shí)代說(shuō)明后年會(huì)進(jìn)行量產(chǎn),但是他們的產(chǎn)品應(yīng)該也只還處于實(shí)驗(yàn)室階段。

5. 中科海納開發(fā)出了一款鈉電池,能量密度大概145wh/kg,循環(huán)壽命可以達(dá)到4500次以上,你如何看?

循環(huán)壽命要看在什么條件下,一般來(lái)說(shuō)循環(huán)2000次就很不錯(cuò)了,但是如果充電在80%的范圍內(nèi)充放電的話可以達(dá)到3000-4000次。循環(huán)的壽命高取決于充電的截止電壓,因?yàn)榻刂闺妷禾岣?.1伏,它的循環(huán)壽命會(huì)下降很多。中科海納的正極材料也是基于層狀材料,基于鈉錳氧的體系,里面做了些銅鐵鈷之類的元素?fù)诫s,負(fù)極用的也是硬碳。電解液用的也應(yīng)該是六氟磷酸鈉。

6. 國(guó)家在產(chǎn)業(yè)政策有什么具體措施?

國(guó)家層面很支持,但是還沒(méi)有具體措施。國(guó)家電網(wǎng)和科技部,布局了很多鈉電池項(xiàng)目和投入了資金鼓勵(lì)科研單位和企業(yè)申請(qǐng)。國(guó)家電網(wǎng)針對(duì)儲(chǔ)能難的應(yīng)用,包括風(fēng)電太陽(yáng)能的儲(chǔ)能站,鈉離子的需求都投入了經(jīng)費(fèi)研發(fā)。其他的暫時(shí)沒(méi)有,不過(guò)會(huì)陸續(xù)推出政策。

7. 鈉電池的制造設(shè)備和鋰電池有什么區(qū)別?

材料的制造設(shè)備幾乎一樣。只是把原材料換一下。鋰電的三元材料或者鈷酸鋰都是用工程電和固相法支配,正極材料生產(chǎn)線投入的原材料主要是碳酸鋰,氧化鎳,酸苯或者金屬鹽加上碳酸鋰或者氫氧化鋰。鈉電池里面就是金屬鹽不變,就是把碳酸鋰或者氫氧化鋰換成碳酸鈉和氫氧化鈉,但整個(gè)合成工藝是一樣的。對(duì)于正極的生產(chǎn)商來(lái)說(shuō),可以基本沿用目前的鋰電正極生產(chǎn)設(shè)備,但是具體的生產(chǎn)參數(shù)和條件上要做些調(diào)整。但是設(shè)備是基本相同的。石墨方面的差別也不會(huì)太大。電解液方面也基本類似,就是把溶解的六氟磷酸鋰換成六氟磷酸鈉,但和整個(gè)鋰電池的生產(chǎn)線差別不大。

8. 如果鈉離子能做固態(tài)電池的話,能量密度能提升多少?是不是性價(jià)比會(huì)更高一些?

鈉離子的固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)不太大。一方面它的技術(shù)成熟度目前來(lái)看還比較低,主要問(wèn)題是鈉電池的固態(tài)電解質(zhì)沒(méi)有特別好的固態(tài)。而且現(xiàn)在固態(tài)電池也不是很成熟,這也是現(xiàn)在固態(tài)電池需要突破的壁壘?;蛘甙央娊庖簱Q成固態(tài)電解質(zhì)。但是固態(tài)電解質(zhì)至今沒(méi)有特別好的。正負(fù)極材料現(xiàn)在比較常用的就是層狀材料或者硬盤材料,但鈉離子的體積比例較大,在固體里面遷移更不容易,它的離子導(dǎo)電率在電解質(zhì)里面比較差。所以如果要做固態(tài)的鈉電池,就得先找離子遷移率比較高的。要研發(fā)出性能比較好的得5-10年。

9. 如果鈉電池找到好的電解質(zhì),那能量密度能提高多少?

如果夠不到200wh/kg的話,那他對(duì)液態(tài)鈉離子電池的提升非常有限。做得好的話,可能達(dá)到150-180wh/kg。

電解液在電池里面的重量占到20%多,如果全部做成固態(tài),做得好的話,可以做的很薄,整個(gè)能量密度也可以被優(yōu)化。但是固態(tài)電解質(zhì)不能被做的很薄,會(huì)有短路的風(fēng)險(xiǎn),做厚的話,能量密度就會(huì)被降低?,F(xiàn)在的鈉電池不太成熟,所以固態(tài)電池的性能現(xiàn)在看還是遠(yuǎn)低于液態(tài)鈉離子電池。正負(fù)極的容量,液態(tài)里面,可以發(fā)揮90%-100%的能量,但是固態(tài)里可能只能用到60%-70%。因?yàn)樯婕暗诫x子在固體里的遷移,電解液可以滲透到正負(fù)極里,所有正負(fù)極材料的顆粒都可以和電解液接觸。但是在固體里,就得要有一個(gè)離子的傳輸通道,但這樣在正負(fù)極里,可能會(huì)導(dǎo)致顆粒觸摸不到電解液正負(fù)極,正負(fù)極的利用率會(huì)打折,能量密度的提升也會(huì)有限。

10. 國(guó)外是否也有發(fā)展鈉離子電池的計(jì)劃,他們的進(jìn)展如何?

美國(guó)和歐洲現(xiàn)在都有一些研究項(xiàng)目,包括美國(guó)現(xiàn)在也專設(shè)了一些鈉離子電池的項(xiàng)目研發(fā),但是美國(guó)的鈉離子電池的研發(fā)進(jìn)展總體上還是落后我國(guó)和韓國(guó),現(xiàn)在中國(guó)和韓國(guó)是領(lǐng)先美國(guó)和歐洲的。

美國(guó)有幾家初創(chuàng)公司也想做鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化,但是他們的規(guī)模和技術(shù)都不如國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)。韓國(guó)的LG,三星和SKI也在布局,他們的進(jìn)度和中國(guó)差不多。

11. 當(dāng)鈉離子的技術(shù)成熟后,能夠占到的電池總裝機(jī)量比例是多少?

鈉離子的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在量產(chǎn)商體現(xiàn)出來(lái),缺點(diǎn)是能量密度比鋰離子電池弱。它的應(yīng)用主要集中在儲(chǔ)能還有對(duì)能量密度要求不高的電動(dòng)工具例如低速電動(dòng)車,電動(dòng)大巴之類的。所以如果技術(shù)發(fā)揮在鈉成熟的話,它在儲(chǔ)能領(lǐng)域市占率能超過(guò)50%。但是在動(dòng)力電池方面,鈉離子電池很難占到比較高的市場(chǎng)份額,最多到20%。

12. 鈉離子電池和燃料電池誰(shuí)可以更快更成熟的發(fā)展?

從技術(shù)成熟度上看,更看好鈉離子電池,因?yàn)楣に嚿吓c鋰離子電池非常類似,而鋰離子電池已經(jīng)非常成熟了,所以鈉離子電池推進(jìn)量產(chǎn)的過(guò)程會(huì)很快,2-3年之內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈可以建立起來(lái)。

但燃料電池要大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用還是相對(duì)比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的。燃料電池是解決能源問(wèn)題的終極目標(biāo),最后就是氫氧的反應(yīng),非常的清潔,能量密度也很高。但是現(xiàn)在的瓶頸就是氫的儲(chǔ)存和釋放,以及燃料電池里面催化劑貴金屬的問(wèn)題,貴金屬成本很難下降,也很難找到替代的薄催化劑技術(shù)。所以這兩個(gè)技術(shù)瓶頸很難在短期內(nèi)攻克。燃料電池真的成熟可能要到3/50年以后,制氫的成本可以下來(lái)。

13. 如果鈉離子原材料中國(guó)是可以完全自主提供,是不是不需要像鋰材料這樣大規(guī)模進(jìn)口?

鈉離子的原材料,中國(guó)的礦產(chǎn)足夠。

14. 鈉離子電池和鋰離子電池燃料燃料電池是否會(huì)并存?

可能性很大。因?yàn)槊總€(gè)技術(shù)都有它的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。鋰電池,燃料電池,鈉電池的技術(shù)和針對(duì)性場(chǎng)景都不一樣,所以并存的可能性非常大。包括鉛酸電池也不會(huì)退出市場(chǎng)。目前的鉛酸電池每年的量產(chǎn)和應(yīng)用都在增長(zhǎng),只是增長(zhǎng)的沒(méi)有鋰電池快。

15. 鉛酸現(xiàn)在大規(guī)模用的還是什么地方?

儲(chǔ)能電站和燃油車的起停電池,這兩方面。因?yàn)樗募夹g(shù)成熟,產(chǎn)業(yè)循環(huán)也做得很好,電池回收等。雖然鉛有毒,有污染,但是收回循環(huán)做的好,也可以把污染規(guī)避掉。這個(gè)回收技術(shù)是現(xiàn)在的鋰電池還不具備的優(yōu)勢(shì)。但是大量的動(dòng)力鋰電池退役后,電池的回收利用也是存在的大問(wèn)題。

原標(biāo)題:15個(gè)問(wèn)題讀懂鈉離子電池的現(xiàn)狀和未來(lái)
 
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