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新能源

钠离子电池时代到来?

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在智能物联网时代,大量的智能设备需要电池,从智能手机、智能手表、笔记本电脑到新能源汽车等,电池的续航时间、充电快慢、环境适应性等成为智能设备竞争的重要维度,目前在消费电子市场和新能源汽车市场锂离子电池处于“一统江湖”的主流地位。现在这样的格局有可能要发生改变了。

7月29日,宁德时代创始人曾毓群在网上正式发布钠离子电池,并表示宁德时代钠离子电池具备低温性能、快充性能以及更强的环境适应性,未来将与锂电池共存发展。钠离子电池的时代要来了吗?钠离子电池有哪些特性?又将带给智能设备世界怎样的电力“动力”?

每一种新技术能够得以生存并快速发展,都是因为拥有了比现存市场技术更优的差异化特点,这个定律放之四海。从目前来看,钠离子电池与锂离子电池的差异化在于低温性能和快充方面。

按照宁德时代研究院副院长黄起森介绍,目前宁德时代开发的第一代钠离子电池,电芯单体能量密度为160Wh/kg,在当前处于全球最高水平;在常温环境下下充电15分钟,电量可达80%;即便是在-20°C的低温环境下,放电保持率仍然高达90%以上;同时,在系统集成效率上,可以达到80%以上;具有优异的热稳定性,并且超越了国家动力电池强标的安全要求。“总体来看,第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的磷酸铁锂电池,但是在低温性能和快充方面具有明显的优势。特别是在高寒地区,高功率应用场景。” 黄起森说。

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其实,钠的化学性质,电池工作原理都和锂非常相似,在化学元素周期表中,钠元素与锂元素为同一主族,物理化学性质极为相似。甚至钠离子电池和锂离子电池连“命运改变人”都是同一“群族”,2019年诺贝尔化学奖颁给了美国的迈克尔·斯坦利·惠廷汉姆、约翰·班尼斯特·古迪纳夫以及日本吉野彰三位化学家,奖励他们“在发明锂电池过程中做出的贡献”。事实上,钠离子电池也是惠廷汉姆研发的,只是锂电池各方面优势突出并且发展神速,因此钠离子电池在商业上没有大规模普及。锂在电势、原子量、离子半径等基本性质上,相对而言都是比钠更好的材料。锂的原子量更低、离子半径更小,锂的理论质量比容量是钠的3.3倍,锂的理论体积比容量是钠的1.8倍;且锂的电位更高,比钠高出12%,锂材料的电池更具竞争优势。因此锂离子电池也更早大规模商业化。

最近几年,钠离子电池之所以被高度关注,有几个关键原因,一是从总量上看,因为钠储藏量要比锂丰富,具有更好的发展可持续性。目前地壳中钠储量达2.74%,而锂储量仅为0.0065%,是锂资源的440倍,而且锂离子电池回收经济价值低。钠离子电池活性材料中不含昂贵的钴,使其具有更强的可持续性。二是从地区分布上,各个区域的锂储藏也不均匀。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,锂矿大多位于青藏高原地区,开采难度大,致使我国锂矿对外依存度高。钠离子电池对我国减少锂资源对外依存度具有重要战略意义。三是钠资源提炼相当简单,钠离子电池大规模商用后,具有较大的成本优势。

事实上,钠离子电池应用前景广阔,在电动车市场上,钠离子电池具有低成本、低能量密度、安全性强等特性,是铅酸电池更好的替代品。而且随着可再生能源大批量上网,电网侧与发电侧对储能的需求愈发强烈,为钠离子电池市场化应用提供土壤。

目前来看,钠离子电池产业化商处于初级阶段,面临的主要挑战是成本优势不明显、工艺和产业链不成熟、核心电极材料和电解液规模化供应渠道缺失、缺少电池相关标准化等。

不过,分析机构认为,钠离子电池具备产业化快速提升的潜力。钠离子电池与锂离子电池生产线、制作工序相似,随着锂电和上游材料企业入局,产业化进程会大幅提速。

目前中国大约有20多家企业从事钠离子电池研发及上下游配套包括宁德时代、中科海纳、容百科技、深圳比克电池、欣旺达、华阳股份、沧州明珠、恩捷股份、中材科技、璞泰来等。


相对于其他企业,据宁德时代透露其已解决了材料在循环过程中容量快速衰减这一世界性的难题,而宁德时代之所以能够解决这个难题,得益于模拟计算和设计仿真。据介绍宁德时代构建了高通量材料集成计算平台,在原子级别上对材料进行了模拟计算和设计仿真,对材料表面进行重新设计,解决了材料在循环过程中容量快速衰减的问题,使新材料具备了产业化的条件。

按照黄起森介绍,在正极材料方面,宁德时代采用了克容量较高的普鲁士白材料,创新性地对材料体相结构进行电荷重排,解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减这一核心难题;在负极材料方面,宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性;在电解液方面,宁德时代还开发了适配钠离子电池正极负极材料的新型独特电解液体系;在制造工艺方面,钠离子电池可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备相兼容。

宁德时代在发布会上透露,目前公司已经开始进行钠离子电池产业化布局,计划是到2023年要能形成基本产业链。分析机构的预测是在未来3~5年,钠离子电池产业链会基本形成,钠离子电池相关工艺、相应的电池管理系统、相关技术体系也会趋于成熟。



责任编辑:李佳师


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