不管怎么樣,鈉儲(chǔ)量比鋰豐富,鈉電池作為技術(shù)儲(chǔ)備、保障能源安全具有重大戰(zhàn)略意義,但同時(shí),目前也不應(yīng)過分高估其商業(yè)價(jià)值。

今天,CATL透露,將于明天下午公布鈉離子電池,這意味著動(dòng)力鋰電池技術(shù)將迎來又一次重大革新。

那么什么是鈉離子電池呢?為何要研究鈉離子電池呢?鈉離子電池又有什么優(yōu)劣勢(shì)呢?

1、行業(yè)背景

鈉離子電池在20世紀(jì)70年代末、80年代初得到關(guān)注,但因鋰電池優(yōu)異的電化學(xué)性能而沒有得到廣泛研究。但隨著電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)時(shí)代的到來,鋰資源短缺將成為制約其發(fā)展的重要因素。

因此,亟需發(fā)展下一代綜合性能優(yōu)異的儲(chǔ)能電池體系,鈉離子電池就被大家重新記起。

2、什么是鈉離子電池?

鈉離子電池具有和鋰電池類似的工作原理,正負(fù)極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。

充電時(shí),Na+從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,同時(shí)電子的補(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,Na+從負(fù)極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。

在正常的充放電情況下,鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。從充放電可逆性看,鈉離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。

圖2鈉離子電池工作原理

3、為何要研究鈉離子電池?

可以總結(jié)為四個(gè)字,成本控制。

眾所周知,鋰電池材料中常用的鈷和鎳等重金屬元素,不僅資源稀有、價(jià)格昂貴,而且對(duì)環(huán)境也有不利影響。

特別要指出的是,合成正極材料都要相當(dāng)比例的含鋰前驅(qū)體,而鋰的資源十分有限,隨著鋰電池應(yīng)用范圍的快速擴(kuò)展,必然會(huì)出現(xiàn)鋰鹽供不應(yīng)求的局面。

其實(shí),近年來由于我國電動(dòng)汽車產(chǎn)量快速上升,導(dǎo)致鋰電池產(chǎn)量的提升,從而出現(xiàn)碳酸鋰價(jià)格飛漲的局面。

可以預(yù)期,鋰電池原材料成本難以大幅降低,將使其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用受到限制。

4、鋰資源有限

關(guān)于鋰電池材料,含鋰前驅(qū)體重要形式為碳酸鋰。碳酸鋰有兩種來源:礦石和鹽湖。鋰礦石重要以鋰輝石、鋰云母及磷鋁石礦的形式存在。從鹽湖鹵水提取生產(chǎn)的鋰化學(xué)產(chǎn)品重要是碳酸鋰或氯化鋰。

美國地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示,目前全球已探明的鋰資源量(金屬鋰當(dāng)量)為3950萬噸,其中幾乎73%集中分布在南美洲少數(shù)國家。全球可開采鋰資源儲(chǔ)量約為1350萬噸(以碳酸鋰當(dāng)量計(jì)算約為7100萬噸),近兩年鋰資源的年平均開采量為3．5萬噸,即便如此預(yù)計(jì)也僅可供開采385年,更何況目前每年的鋰資源開采量正逐漸新增。

表1和圖3展示了全球重要鋰資源國家分布、產(chǎn)量及儲(chǔ)量情況。

表1全球鋰資源產(chǎn)量、分布及儲(chǔ)量情況

圖3世界重要鋰資源國家產(chǎn)量和儲(chǔ)量

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,目前全球一年鋰資源的消耗量大約是3萬噸(以金屬鋰計(jì)算),其中約有1萬噸是用于電池領(lǐng)域,也就是說在鋰的下游用途中,用于電池領(lǐng)域的鋰資源約占總量的30%。

在電動(dòng)汽車中,鋰電池成本約占總成本的一半(現(xiàn)在比例有些下降),而在鋰電池成本中,占比最大的是正極材料,一般占30%～40%。

截至2020年底,全國新能源汽車保有量達(dá)492萬輛,占汽車總量的1．75%,比2019年新增111萬輛,上升29．18%。其中,純電動(dòng)汽車保有量400萬輛,占新能源汽車總量的81．32%。新能源汽車增量持續(xù)三年超過100萬輛,呈持續(xù)高速上升趨勢(shì)。

可以預(yù)見,未來關(guān)于鋰資源的消費(fèi)增量無疑是巨大的。

雖然目前鋰資源的消耗還遠(yuǎn)未枯竭,但是我們應(yīng)該居安思危,將寶貴的鋰資源留給比較能量要求更高和高附加值的便攜式電子器件和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè),盡早研發(fā)下一代在資源和成本上都更加有優(yōu)勢(shì)的新型儲(chǔ)能電池—鈉離子電池。

5、鈉電池的優(yōu)勢(shì)

眾所周知,金屬鈉元素在地殼中儲(chǔ)量相對(duì)豐富(地殼中鈉含量約為2．75%,而鋰含量約為0．065‰,圖2),且分布區(qū)域廣泛(鈉分布于全球各地,而約70%的鋰卻集中分布在南美洲地區(qū))。

同時(shí),鈉和鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似且脫/嵌機(jī)制類似,因此鈉離子電池的研究和開發(fā)有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問題。

除了資源豐富易得、成本低廉、分布廣泛的優(yōu)勢(shì)外,和鋰電池相比,鈉電池更具有安全優(yōu)勢(shì),鈉電池?zé)崾Э販囟雀哂阡囯姵?且更容易鈍化、氧化,不易出現(xiàn)易燃現(xiàn)象,而這正是鋰電池的重要弊端。

在電池體系中,鈉不會(huì)和鋁發(fā)生電化學(xué)合金化反應(yīng),因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體(替代鋰電池體系中銅箔集流體),這樣可以有效防止過放電引起的集流體氧化問題,既有利于電池的安全,又達(dá)到了進(jìn)一步降低電池成本的目的。

另一方面,鈉電池充電速度比鋰電池要快許多,在高溫、低溫等條件下都能穩(wěn)定充放電,優(yōu)于鋰電池。

而且鈉電池的制造成本更低廉,這也是它被當(dāng)成鋰代替品的重要原因。

6、鈉電池的劣勢(shì)

當(dāng)然鈉離子電池也存在著不可忽視的缺陷,如鈉元素的相對(duì)原子質(zhì)量比鋰元素大很多,而且鈉離子半徑比鋰離子半徑大,這使得鈉離子電池的能量密度和功率密度比鋰電池要低。

不過,在規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中對(duì)電池能量密度的要求并不是太高,其成本和壽命則是關(guān)心的重點(diǎn)。可以斷言,鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域擁有比鋰電池更大的市場競爭優(yōu)勢(shì)。

鈉離子電池和鋰電池具有相似的工作機(jī)理,而鋰電池發(fā)展相對(duì)成熟,目前,借鑒鋰電池電極材料制備相應(yīng)的鈉離子電池電極材料成為一種重要研究方法并在一定程度上展現(xiàn)了較好的電池性能。

但是,鈉離子電池在發(fā)展的過程中也存在幾個(gè)關(guān)鍵問題亟待解決:

第一,鈉離子電池是一種有別于鋰電池的電池體系,將鋰電池電極材料直接應(yīng)用到鈉離子電池的研究上是一種捷徑,但尋找新的具有高能量密度和功率密度的正極材料,同時(shí)尋找在循環(huán)過程中體積變化小的負(fù)極材料,提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性,才是提高鈉離子電池性能的重要途徑,也是使鈉離子電池早日應(yīng)用到大規(guī)模儲(chǔ)能的關(guān)鍵。

第二,目前關(guān)于鈉離子電池電極材料的合成方法比較單一,傳統(tǒng)的固相法和凝膠溶膠法是重要的制備方法,且對(duì)電極材料的改性研究較少．尋找更簡單高效的合成方法,同時(shí)對(duì)性能較好的材料進(jìn)行改性研究也是提高鈉離子電池性能的一條途徑。

第三,安全問題是制約鋰電池發(fā)展的重要因素,而鈉離子電池同樣面對(duì)安全問題,因此,大力開發(fā)新的電解液體系,研究更為安全的凝膠態(tài)及全固態(tài)電解質(zhì)是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

7、電動(dòng)勢(shì)有話說

為使鈉離子電池盡早大規(guī)模應(yīng)用,理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐需得到更深層次的挖掘．隨著鈉離子電池研究的深入,將會(huì)開發(fā)出新的材料,電池的容量和電壓將會(huì)進(jìn)一步得到提升,鈉離子較低的成本,使得鈉離子電池有望應(yīng)用在智能電網(wǎng)或可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)能中。

關(guān)于CATL這次對(duì)外公布鈉離子電池,我覺得并不代表它的電池技術(shù)已經(jīng)可以和鋰電池相比,應(yīng)該說是面對(duì)現(xiàn)階段鋰電池資源缺陷和價(jià)格上漲的一種新型策略。

目前鈉離子電池發(fā)展相當(dāng)于七八年前的鋰電池的水平,在學(xué)術(shù)界鈉離子電池目前還沒有很大的突破。鈉離子電池幾年內(nèi)還很難大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟有一個(gè)過程,目前其價(jià)格會(huì)比鋰電池貴。當(dāng)前研發(fā)的鈉離子電池應(yīng)用大概率是面向儲(chǔ)能、基站、低速車、低端乘用車等市場。

不管怎么樣,鈉儲(chǔ)量比鋰豐富,鈉電池作為技術(shù)儲(chǔ)備、保障能源安全具有重大戰(zhàn)略意義,但同時(shí),目前也不應(yīng)過分高估其商業(yè)價(jià)值。

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