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宁德时代为什么要推钠离子电池?

2021-07-30 浏览次数:1,943 次 第一电动网

钠吗?”

“是的,先生……钠电池应当是最强的,它的电动力比锌电池要强好几倍。”

这是1870年,法国作家儒勒·凡尔纳所著的科幻小说《海底两万里》中的原文。在这部知名小说中,钠电池作为一个概念由凡尔纳首次提出。

但接近100年后,钠电池才被发明出来。然而无论是钠硫电池还是钠离子电池,相对锂电池都没有那么受重视。特别是钠离子电池,直到2011年,全球才有第一家试图将钠离子电池商业化的公司。

截至目前,业内对钠离子电池的定位也主要在储能电站、低速车等领域。

7月29日,宁德时代通过线上发布会发布了第一代钠离子电池,并通过锂钠混搭电池包的结构创新方式,将其应用在新能源汽车上,打破了业内对钠离子电池不适合应用在电动汽车上的认知。

根据宁德时代发布的数据,钠离子电池电芯单体能量密度可达160Wh/kg;常温下充电15分钟,电量可达80%以上;在-20°C低温环境中,也拥有90%以上的放电保持率;系统集成效率可达80%以上;热稳定性远超国家强标的安全要求。

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,再通过锂钠混搭方式,应用场景不限于储能,在电动汽车上也可以广泛应用。

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资料来演:宁德时代钠离子电池发布会

作为全球动力锂电池“一哥”,宁德时代为什么不强化自身在锂电池领域的优势,反而横生枝节,把钠离子电池也弄上车呢?

这次发布会,宁德时代董事长曾毓群难得亮相引介。他讲述了人类社会走向“碳中和”时代,其中核心,是能源转化和存储。而新能源的存储,千钧重担,压于锂电池肩上。

全球的大国强国、车企、能源企业,都向锂离子电池投出重注。风口之下,不乏跟风炒作之举。锂资源以及相关的钴资源、镍资源,原本就有限,在资本操弄下,产出波动更加剧烈。锂电池供应安全和成本安全,系于不断被强力拉伸的一线。

此时,宁德时代将钠离子电池产业化,并即将装载到电动汽车上,成为新的储能和动力电池选择。

关心电动汽车发展、交通电动化发展,以及可再生能源存储的人们,可以略微宽心。

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与锂离子同时起步,商业化落后

要了解钠离子电池,要先从压制其发展多年的锂离子电池开始。

锂元素的原子量是6.94,在金属中最轻;锂元素的标准电极电位是-3.045V,在金属中最低;此外,锂元素的比容量也是金属中最高,同时其电化学当量最小。

以上四大特点,使锂电池体系,在理论上,能获得金属电池中最大的能量密度,这也使其成为电池研发者眼中的首选。

不过,打开化学课本的元素周期表,可以发现与锂离得最近的另一个同族金属元素——钠。作为锂的同族元素,它们最外层电子数相同,化学性质相似。这是钠离子能和锂离子一样能胜任电荷搬运工的重要原因。

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资料来源:网络

与锂电池发展路径一样,钠电池最早也是从固态电解质发展起来。

对钠电池早期探索,要追溯到1967年。那年,美国的Yao、Kummer发现Na可以在β-Al2O3中快速穿梭;1968年,美国福特公司研发出以β-Al2O3陶瓷管为电解质的钠硫电池。但是这种电池只能在300-350℃的环境中才能工作。

能在室温工作的钠离子电池,还要等1979年法国Armand教授提出“摇椅电池”概念后,才会出现。

也就是说钠离子电池和锂离子电池几乎同时起步,因为任何金属离子电池(锂离子电池,钠离子电池,镁离子电池)都属于摇椅式电池,即金属离子通过电解液、隔膜在正负极之间运动,获得电能。

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钠离子原理  发言者:宁德时代研究院副院长黄起森

钠离子半径比锂离子大70%,在材料结构稳定性和动力学性能方面要求更严苛,这也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。

锂离子在摇椅式电池中有着得天独厚的优势,因为锂离子小,最容易在各种框架物质中嵌入脱出,而不使得其发生形变。

因此,锂离子电池在寻找合适的正负极材料方面,进展要快于钠离子电池,率先进入商用化阶段。

此后,锂离子电池和钠离子电池走上了截然不同的道路。

锂离子电池迅速商业化,而钠离子电池的发展随之进入了停滞状态。

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30年后的转折点

在二次电池中,锂离子电池的性能虽是最好,但锂资源的储量有限。目前70%的锂资源分布在南美洲,而现阶段我国80%锂资源依赖进口,锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。

这一矛盾在电动汽车和储能电池快速增长后,愈发明显。

由于与锂离子电池具有相似的工作机理和机构,锂离子电池技术的发展,对钠离子电池技术也起到了促进作用。

2000年,加拿大达尔豪斯大学的物理学教授Jeff Dahn等发现钠离子电池高容量硬碳负极材料;2007年加拿大滑铁卢大学的教授Linda F.Nazar等提出Na2FePO4F正极材料。

随着正负极材料的突破,钠离子电池迎来了发展的转折点。

2011年全球首家钠离子电池公司——Faradion建立,钠离子电池进入商业化阶段。

在中国方面,中国工程院院士陈立泉带领的中科院物理所电池团队,从2010年就开始进行钠离子电池的研究,从原材料开始研究,正极材料发现了四五种,负极材料也发现了四五种。中科院物理所还孵化了中科海钠——一家专注做钠离子电池研发生产的企业。

宁德时代的董事长曾毓群,在物理所学习期间就师从陈立泉,研究方向为锂离子电池,2006年获得博士学位。

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宁德时代董事长曾毓群在钠离子电池线上发布会上演讲

宁德时代率先发力钠离子电池,与陈立泉领导下的中科院物理所的持续努力,不无关系。

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钠离子电池的优势多

和锂离子电池相比,钠离子电池也有缺点,首先是能量密度略低。宁德时代第一代钠离子电池单体能量密度160Wh/kg,比现在商业化应用的磷酸铁锂动力电池低一些,比三元锂电池就要低不少。

其次,钠离子电池一般循环寿命3000次,而磷酸铁锂电池可达5000次。

不过,宁德时代还在持续不断的创新中。黄起森表示,宁德时代下一代钠离子电池能量密度将突破200Wh/kg。

钠离子电池的优势也非常多。

首先,钠的储量丰富,钠地壳中的丰度位于第6位,更重要的是钠分布于全球各地,完全不受资源和地域的限制,所以钠离子电池相比锂离子电池有非常大的资源优势。

钠离子电池贵金属含量低,不含钴和锂。而且,锂离子电池正极集流体为铝箔,负极为铜箔。但钠离子电池负极集流体也可以采用的成本较低的铝。

根据中科海钠给出的数据,NaCuFeMn/软碳体系和磷酸铁锂/石墨体系相比,材料成本可以下降30—40%

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资料来源:中科海钠官网

其次,安全性高。钠离子电池在测试环节,能在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火不爆炸;而在运输环节,钠离子电池可以彻底放电,0V运输,降低电池运输的安全风险。

第三,钠离子电池高低温性能优异。宁德时代给出的数据,在零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率

此外,快充能力方面,在常温下充电15分钟,电量就可以达到80%

同时在系统集成效率方面,宁德时代的钠离子电池也可以达到80%以上。

据宁德时代研究院副院长黄起森介绍,在正极材料方面,宁德时代目前选择具有潜在商业化价值的有普鲁士白和层状氧化物两类材料。它们的克容量已经达到了160mAh/g,与现有的锂离子电池正极材料相当。

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普鲁士白

而且,宁德时代对这一材料的体相结构进行电荷重排,对材料表面进行重新的设计,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,使创新的材料具备了产业化的条件。

在负极材料方面,由于钠离子无法像锂离子一样在石墨层间自由的穿梭,宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,这种硬碳材料克容量可达350mAh/g以上,还具备优异的循环性能。使整体性能指标与现有的石墨相当。

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硬碳

在电解液方面,宁德时代方面开发了适配这样的正极负极材料的新型独特电解液体系。

在电池系统集成方面也在创新。宁德时代开发了AB电池解决方案。可以实现钠离子电池与锂离子电池的集成混合共用。宁德时代将钠离子电池与锂离子电池同时集成到同一个电池系统里将两种电池按一定的比例和排列进行混搭,串联、并联集成。

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AB电池

在黄起森看来,通过BMS的精准算法进行不同电池体系的均衡控制,可以实现取长补短,既弥补了钠离子电池在现阶段的能量密度短板,也发挥出了它高功率、低温性能的优势,这样的锂-钠电池系统,就能适配更多应用场景。

在制造工艺方面,钠离子电池可与目前的锂离子电池制造工艺和设备相兼容。

到这里,钠离子电池终于将在宁德时代的手上,突破了大规模商业化应用的瓶颈。

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钠离子电池上车的意义

后人如果书写人类储能史,7月29日这一天,会有一笔吗?

钠离子电池的发布,以及用作动力电池的突破,或许有着深远的战略意义。

宏观上,配合“双碳目标”,社会生产力必然面临深刻变革,化石能源向清洁能源转型,已经是全球共识,并且正在加速到来。而清洁能源的存储,需要高效率、有保障的解决方案。

宁德时代已经不满足于仅定位为一个电池供应商,其将打造世界一流创新公司,为人类新能源事业做出卓越贡献作为发展使命。

再更高的战略使命指引下,宁德时代不会困守于某一技术、某一材料,在技术上布局更加广泛和包容。

所以,尽管宁德时代已经在锂离子电池的应用上,引领全球,仍然研发推出钠离子电池,以确保可再生能源的存储,以及新能源产业,有更强的保障。用曾毓群的话说,“钠离子电池……与锂离子电池相互兼容互补,所以多元化的技术路线也是我们这个产业长期稳定发展的重要保障。”

从微观上来看,锂矿、锂盐价格一直波动较大。从去年至今,锂电池上游供应价格上涨过快。宁德时代推出钠离子电池,和锂离子电池形成互补,在某种意义上,可以给上游材料供应商发出信号,未来锂电池原材料的需求增长或许会放缓。

当然,钠离子电池的产业化刚刚开始,上游的正极和负极以及电解液添加剂的供应链培育都需要时间。

对此,宁德时代也有自己的时间表,其已经着手钠离子电池的产业化布局,计划于2023年形成基本产业链。

黄起森也表示,欢迎相关的研究机构、上游的材料供应商和下游的电池应用端一起参与。这个表述更像是一个邀请,邀请上游供应链配合实现产业化。

不仅是上下游,其他电池厂商也要参与,一起做大市场,才能尽快实现产业化。目前来看,鹏辉能源、猛狮、欣旺达等宁德时代的友商已经有所布局,上游方面容百科技、翔丰华等都已行动起来。

可以预见,随着钠离子电池的产业链建立,更多企业投入钠离子电池的研发生产,钠离子电池规模化之后。钠的储量丰富性、低价格的优势就会发挥出来,形成对锂离子电池的成本优势。

相对于其他友商,宁德时代很大概率会是把钠离子电池作为动力电池,并实现商用化的首家企业。因为根据财联社的消息,宁德时代方面表示,他们第一代钠离子电池已经开始了与车企和储能客户进行商业化合作。

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