編者按:鋰資源在地球上十分稀少,在未來(lái),鋰資源也面臨著像石油資源一樣的枯竭危險(xiǎn)。從能量密度的角度來(lái)說(shuō),現(xiàn)在的鈉離子電池只能達(dá)到鋰電池的一半以下,因此鈉離子電池目前只能用在低速電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)船、家庭儲(chǔ)能等對(duì)能量密度要求較低的領(lǐng)域,目前還不能用鈉電池做出高速電動(dòng)汽車(chē)。
時(shí)代永遠(yuǎn)在變,浪奔浪流,大浪淘沙。
當(dāng)數(shù)碼相機(jī)成熟的時(shí)候,做相機(jī)膠卷的柯達(dá)被淘汰了。
當(dāng)智能手機(jī)成熟的時(shí)候,做傳統(tǒng)手機(jī)的諾基亞也被時(shí)代淘汰了。
那么,問(wèn)題來(lái)了,鋰電池也會(huì)被時(shí)代淘汰嗎?要回答這個(gè)問(wèn)題,還需要看看鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手鈉電池到底行不行。
鋰電池的現(xiàn)狀
自從40年前,約翰. 古迪納夫(John B Goodenough)發(fā)明鋰電池以來(lái),鋰電池變得越來(lái)越重要,它已經(jīng)成為智能手機(jī)與電動(dòng)汽車(chē)的標(biāo)配。在國(guó)內(nèi)也涌現(xiàn)了很多與鋰相關(guān)的明星企業(yè),比如做鋰電池的寧德時(shí)代,比如提供鋰礦資源的贛鋒鋰業(yè)。
但是鋰資源在地球上十分稀少,在未來(lái),鋰資源也面臨著像石油資源一樣的枯竭危險(xiǎn)。
而且提取鋰的工藝也比較復(fù)雜,從鹽湖里提取鋰,需要用到萃取或者電滲析膜分離等技術(shù),工藝繁瑣而且成本較高。
從1980年出現(xiàn)鈷酸鋰電池技術(shù),到1982年出現(xiàn)錳酸鋰技術(shù),到1991年索尼推出第一款商用鋰電池,再到 1997年提出磷酸鐵鋰技術(shù),此后的20年再?zèng)]有新的鋰電技術(shù)出現(xiàn),鋰電池本身也開(kāi)始面臨著增長(zhǎng)的極限,尤其是使用壽命與能量密度的提高越來(lái)越困難,所以尋找新的替代技術(shù)有了天然的需求。
有沒(méi)有鋰電池替代產(chǎn)品呢?
也許是有的,那就是鈉離子電池。
鈉離子電池為什么有可能取代鋰電池?
鈉是地球上僅次于鋰的第二輕的金屬元素,從元素周期表中來(lái)看,鈉與鋰屬于同一族元素,它們的化學(xué)性質(zhì)相似,因此理論上鈉也可以像鋰一樣用來(lái)做電池。當(dāng)然了,鈉的原子半徑比鋰要大很多,因?yàn)殁c原子比鋰原子要多8個(gè)電子,所以自然長(zhǎng)得很胖。一旦長(zhǎng)胖,就會(huì)有很多麻煩,比如它不能像鋰那樣嵌入到石墨中,而且它比鋰要重很多,使得單位質(zhì)量的電池儲(chǔ)能就要比鋰少。
但是,鈉有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——鈉元素在地球上的含量非常高,它在地球上的含量是鋰的幾千倍。我們吃的食鹽里就有大量的鈉,海水中也有非常多的鈉。正因?yàn)楹渴重S富,所以鈉比鋰要便宜很多。在市場(chǎng)上,作為鋰原料的碳酸鋰價(jià)格每噸需要幾萬(wàn)元;而作為鈉原料的氯化鈉的價(jià)格每噸只要幾千元。所以,作為電池來(lái)說(shuō),鈉電池與鋰電池相比的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是便宜,這對(duì)于產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常核心的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的是成本。
當(dāng)然,成本優(yōu)勢(shì)不等于技術(shù)優(yōu)勢(shì),關(guān)鍵還要看鈉是不是真的可以做電池。電池的正極材料、負(fù)極材料、電解液是三個(gè)基本的組成部分,這些對(duì)鈉電池來(lái)說(shuō)都沒(méi)有原則性的困難。所以鈉電池是可以存在的。以鈉離子電池的負(fù)極材料為例,可以做負(fù)極的材料有很多種,研究的比較多的主要是硬碳材料。雖然硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)理目前還沒(méi)有定論,而且不同的人做出的電池負(fù)極性能差異比較大,但這只是工藝問(wèn)題,總有一天能做到標(biāo)準(zhǔn)化的。
實(shí)際上,鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池沒(méi)有太大的差別,利用的是鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過(guò)程實(shí)現(xiàn)充放電。充電時(shí),鈉離子從正極脫出經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極,同時(shí)電子補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極,保證正負(fù)極電荷平衡。放電時(shí)則相反,鈉離子從負(fù)極脫嵌,經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下,鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出不應(yīng)該破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)(當(dāng)然在實(shí)際情況下可能會(huì)產(chǎn)生一定的記憶效應(yīng),也可能導(dǎo)致電極材料的老化)。
那么,鈉離子電池有技術(shù)優(yōu)勢(shì)嗎?有的人宣稱(chēng)在原理上,鈉離子電池的充電時(shí)間可以縮短到鋰離子電池的1/5——雖然目前這方面的公開(kāi)數(shù)據(jù)并不是很充分,于是只能說(shuō)這是潛在的優(yōu)點(diǎn)。也有相關(guān)資料宣稱(chēng),鈉離子電池壽命超過(guò)10年,而通常鋰離子電池使用壽命只有3-4年,不過(guò)對(duì)于這一點(diǎn)是存疑的,根據(jù)相關(guān)調(diào)研,鈉離子電池的主要問(wèn)題正是循環(huán)壽命不高,所以這是一個(gè)爭(zhēng)議點(diǎn)。
中國(guó)首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車(chē)已經(jīng)問(wèn)世
目前有定論的是,鈉離子電池有成本低的優(yōu)點(diǎn),其他的技術(shù)優(yōu)勢(shì)則不太明顯。那么這一領(lǐng)域目前的研發(fā)情況又是怎么樣的呢?
作為一個(gè)有示范性意義的項(xiàng)目,2018年6月,中國(guó)首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車(chē)在中國(guó)科學(xué)院物理研究所園區(qū)內(nèi)示范演示——請(qǐng)注意,這里的關(guān)鍵詞是“低速”。該輛低速電動(dòng)汽車(chē)是由依托物理所鈉離子電池專(zhuān)利技術(shù)成立的中科海鈉科技公司推出的。在2017年,中國(guó)科學(xué)院物理研究所就以鈉離子電池技術(shù)相關(guān)專(zhuān)利出資成立了中科海鈉科技有限責(zé)任公司,中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士,胡勇勝研究員為技術(shù)帶頭人。隨后,中科海鈉公司在江蘇溧陽(yáng)準(zhǔn)備建立產(chǎn)業(yè)化基地,加速推進(jìn)鈉離子電池商業(yè)化進(jìn)程。
但是據(jù)了解,目前鈉離子電池的能量密度只能達(dá)到120瓦時(shí)/公斤。所以,在能量密度這一技術(shù)指標(biāo)上,鈉離子電池還不能與鋰離子電池相提并論,因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏?00瓦時(shí)/公斤以上。
從能量密度的角度來(lái)說(shuō),現(xiàn)在的鈉離子電池只能達(dá)到鋰電池的一半以下,因此鈉離子電池目前只能用在低速電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)船、家庭儲(chǔ)能等對(duì)能量密度要求較低的領(lǐng)域,目前還不能用鈉電池做出高速電動(dòng)汽車(chē)。用鈉電池做電動(dòng)自行車(chē)是比較合適的,比如中國(guó)長(zhǎng)城旗下公司研發(fā)的鈉離子電池組實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車(chē)上的示范應(yīng)用。
中國(guó)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
中國(guó)科學(xué)院物理所參與的鈉離子電動(dòng)車(chē)只是一個(gè)演示性的項(xiàng)目。
但鈉電池是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè),它可能還需要更多的研發(fā)才能綻放出時(shí)間的玫瑰。在目前的中國(guó),鈉電池的產(chǎn)業(yè)化的步伐正在加速。2019年1月,位于鞍山的遼寧星空鈉電電池有限公司自主研發(fā)的鈉離子電池近日進(jìn)入量產(chǎn)階段,世界上首條鈉離子電池生產(chǎn)線(xiàn)投入運(yùn)行,預(yù)計(jì)規(guī)模化生產(chǎn)后年產(chǎn)值超過(guò)100億元。
除了企業(yè)界的努力,在學(xué)術(shù)界也還有很多研究團(tuán)隊(duì)在致力于鈉電池的研發(fā)。比如南京理工大學(xué)夏暉教授在鈉電池的錳基正極材料研究方面上取得了進(jìn)展,相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上。夏暉教授的研究團(tuán)隊(duì)找到的這種正極材料制成的鈉電池電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克,而目前市面上的鋰電池正極材料比容量大約為140毫安時(shí)每克。不過(guò),學(xué)院派對(duì)鈉離子電池的研究主要是對(duì)各種水系電解質(zhì)、有機(jī)系電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)以及相應(yīng)的不同的正負(fù)極材料做排列組合,這些排列組合總可以做出比較高的比容量,但對(duì)產(chǎn)業(yè)界來(lái)說(shuō),核心問(wèn)題還不是比容量的問(wèn)題,核心問(wèn)題是電池的循環(huán)壽命——也就是說(shuō)這個(gè)電池能用多長(zhǎng)的時(shí)間,能充電放電多少次,這個(gè)才是產(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的。
所以,從產(chǎn)業(yè)情況來(lái)看,目前鈉電池的產(chǎn)業(yè)化還停留在初級(jí)階段,很多研究成果只是在高校與研究所流傳,離真正落地還需要一定的時(shí)間——甚至有研究人員表示,在地球上的鋰儲(chǔ)量用完之前,鈉離子電池根本沒(méi)有機(jī)會(huì)。鈉電池也可能像人工智能技術(shù)一樣,一開(kāi)始可能并不被人看好,只能在學(xué)院派里流傳,但也許有一天會(huì)發(fā)生突變,迅速落地在產(chǎn)業(yè)界。這是很有可能的,所以鈉電池實(shí)際上值得有前瞻思維的企業(yè)家與投資者高度關(guān)注。
鈉離子電池是未來(lái)儲(chǔ)能電池的重要發(fā)展方向之一。隨著鈉離子研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步,鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程會(huì)不斷加快,也許提前布局這一領(lǐng)域有望在新能源電池領(lǐng)域搶得先機(jī)。當(dāng)然現(xiàn)在說(shuō)鈉離子電池取代鋰電池似乎為時(shí)尚早。
原標(biāo)題:鈉電池會(huì)取代鋰電池嗎?