電動(dòng)車發(fā)展勢(shì)頭正佳,而關(guān)于三元鋰和磷酸鐵鋰的路線之爭也從未消停,刀片電池、彈匣電池等名頭,無不向世人傳遞出一個(gè)信號(hào):我才是動(dòng)力電池的未來。但結(jié)果真的會(huì)如此嗎?答案是未必。
最近,寧德時(shí)代董事長曾毓群對(duì)外透露,將于今年7月前后發(fā)布鈉電池。
按照專家的說法,鈉電池是一種“不依賴資源”的新型電池,不會(huì)像鋰電池那樣受上游原材料的供應(yīng)以及價(jià)格變化影響,未來不存在發(fā)展瓶頸。
于是,吃瓜群眾們不僅好奇:鈉電池究竟是個(gè)啥?跟鋰電池相比,鈉電池的優(yōu)點(diǎn)和不足又是什么?到底誰才是動(dòng)力電池的未來?
鈉電池是什么?
跟鋰電池的命名方式一樣,鈉電池的全稱叫做“鈉離子電池”,其工作原理,就是通過鈉離子在電極之間的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)充放電過程。
兩者工作原理略有不同的是,鋰電池是通過鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)、轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)充放電,而鈉電池是由鈉離子在正負(fù)極之間的嵌入、脫出實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。
▲鈉離子電池基本工作原理
簡單來說,這不就是將鋰離子換成了鈉離子么?是的。而且,跟鋰電池類似的是,鈉電池在正負(fù)極材料的選用上也比較多元化,不同的電極材料能在電池能量密度方面帶來不同的表現(xiàn)。
關(guān)于鈉電池最早的研究,始于上世紀(jì)70年代的第一次石油危機(jī)期間,只是沒有像鋰電池那樣進(jìn)展迅速,此后相關(guān)研究越來越少,直到2010年之后,鈉離子電池才與太陽能等可再生能源一起同步發(fā)展,以豐富儲(chǔ)能體系。在這方面,歐美起步稍早,大概在2011年和2012年分別有公司涉足相關(guān)領(lǐng)域,美國能源部對(duì)此也有一定支持。
2012年,日本豐田曾發(fā)布一種鈉離子電池正極材料,在當(dāng)時(shí)就已經(jīng)能將電動(dòng)車?yán)m(xù)航里程提升到500-1000公里。
▲各類高倍率性能鈉離子電池正極材料的設(shè)計(jì)策略
在我國,包括中科院在內(nèi)很多科研機(jī)構(gòu)也在開展鈉電池的研究,科技部2016年為此專門立項(xiàng),今年4月,國家發(fā)改委和國家能源局發(fā)文,提出要支持儲(chǔ)能多元化發(fā)展,以及加快鈉離子電池開展規(guī)模化。
從產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度和專利布局來看,目前我國在鈉電池領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
鈉電池各項(xiàng)性能如何?
既然大家都重視,那鈉電池理應(yīng)比鋰電池更有優(yōu)勢(shì)才對(duì)。
可是,至少在目前看起來,跟如今應(yīng)用最廣泛的兩種動(dòng)力電池(磷酸鐵鋰、三元鋰)相比,鈉電池的主要性能指標(biāo)其實(shí)并不具備明顯優(yōu)勢(shì),甚至在消費(fèi)者十分看重的能量密度方面還處于劣勢(shì)。
具體來看,如今三元鋰量產(chǎn)裝車已經(jīng)做到180-200Wh/kg的水平,中短期目標(biāo)是做到300Wh/kg;磷酸鐵鋰目前量產(chǎn)裝車最高的為140Wh/kg,中短期目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)180-200Wh/kg;而國內(nèi)鈉離子電池目前能量密度最高為145Wh/kg,中短期目標(biāo)是160-200Wh/kg,比三元鋰差了不少,跟磷酸鐵鋰在相近水平(中科院物理所研發(fā)的鈉電池,理論能量密度已經(jīng)達(dá)到180 Wh/kg)。
雖然能量密度指標(biāo)并不占優(yōu),但鈉電池在充電速度方面卻有不小的優(yōu)勢(shì)。眾所周知,即便采用大功率直流快充,三元鋰電池一般是半個(gè)小時(shí)能從20%充到80%,磷酸鐵鋰充電費(fèi)時(shí)更久,而鈉電池只要10分鐘就能干到90%,也就相當(dāng)于我們給車加個(gè)油的時(shí)間。
另外,在充放電循環(huán)壽命方面,鈉電池可以做到4500次,三元鋰只有兩三千次,這方面磷酸鐵鋰優(yōu)勢(shì)明顯,已經(jīng)做到6000次,據(jù)稱鋰電池循環(huán)壽命最高可以超過上萬次。
低溫性能方面,鈉電池在零下40攝氏度都可以正常工作,跟三元鋰差不多,比磷酸鐵鋰更能適應(yīng)冬季以及高寒地區(qū)。
而在電動(dòng)車用戶普遍關(guān)注的安全性方面,鈉電池也比三元鋰更令人放心。這一方面是因?yàn)槠潆娊庖悍€(wěn)定性高,另一方面就是因?yàn)槟芰棵芏鹊停沟免c電池在高溫性能方面比三元鋰電池更好。
最后,鈉電池還有一個(gè)所有鋰電池都不具備的優(yōu)勢(shì),就是它不像鋰電池一樣擔(dān)心會(huì)過放電,所以鈉電池允許徹底放電到0伏——這對(duì)于一般電動(dòng)車用戶好像沒什么實(shí)質(zhì)性意義,但對(duì)于儲(chǔ)能場(chǎng)景應(yīng)用就更值得推廣了。
為什么要發(fā)展鈉電池?
綜上,就實(shí)際應(yīng)用而言,由于能量密度偏低,鈉電池目前還難言優(yōu)勢(shì),但鑒于其能量密度基本跟磷酸鐵鋰看齊,以及在其他性能方面還有自己的特色,其量產(chǎn)價(jià)值其實(shí)已經(jīng)不小。
但這就是世界上主要國家發(fā)展鈉電池的根本原因嗎?其實(shí)不然。鈉電池之所以能得到重視,最重要的原因,正是我們?cè)诒疚拈_頭提出的——不依賴資源,這需要從兩個(gè)方面來理解。
首先,論在地球上的儲(chǔ)量,鈉遠(yuǎn)比鋰要豐富得多。
資料顯示,鋰在地殼中的含量僅為0.0065%,即便是把地球上所有的鋰元素都用來生產(chǎn)電動(dòng)車,大概只夠生產(chǎn)15億輛特斯拉。而且,大部分已探明鋰資源都在南美洲(主要是玻利維亞、智利、阿根廷等),集中于當(dāng)?shù)氐柠}湖中,但該區(qū)域政局不穩(wěn),所以引起碳酸鋰價(jià)格經(jīng)常大幅波動(dòng)。此外,國內(nèi)鋰提取技術(shù)目前也沒有規(guī)模化,我們80%的鋰從澳大利亞進(jìn)口,但當(dāng)前的中澳關(guān)系并不利于維持這種貿(mào)易需求。
反觀鈉,分布就明顯廣泛的多,鈉資源約占地殼元素儲(chǔ)量的2.64%——也就是說,鈉的儲(chǔ)量是鋰的406倍。其中,光是我國已探明的鈉鹽儲(chǔ)量,早在六七年前就已經(jīng)超過1.4萬億噸,而且,如今全球的金屬鈉產(chǎn)能,也正在向中國轉(zhuǎn)移。
▲鹽湖中豐富的鈉鹽
其次,鈉電池成本更低。
寧德時(shí)代之所以要發(fā)布鈉電池,核心原因是鋰電池的原材料漲價(jià)太兇猛(從去年下半年至今已經(jīng)漲了多次),而鈉電池則絲毫不存在這方面的壓力,原因有三:
一、鈉鹽因?yàn)閮?chǔ)量巨大,原材料價(jià)格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,原料成本能降低一半;
二,鈉鹽的特性允許使用低濃度電解液(同樣濃度的電解液,鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液20%左右),這樣就能進(jìn)一步降低成本;
三,鈉離子不會(huì)跟鋁形成合金,負(fù)極可采用鋁箔作為集流體,此舉可以進(jìn)一步降低成本8%左右,降低重量10%左右。
幾大主料都能大幅節(jié)省生產(chǎn)成本,也就不難理解為啥電池企業(yè)愿意開辟這條新的道路了。有數(shù)據(jù)顯示,目前國內(nèi)鈉電池的材料成本加上制造成本,大概在0.36元/Wh左右,這已經(jīng)比鋰電池低了,只不過,鈉電池目前還處于推廣初期,其整體商業(yè)成本短期內(nèi)會(huì)比鋰電池高,這一點(diǎn)寧德時(shí)代也有簡單提及。
最后說說
不僅僅是寧德時(shí)代,包括深圳華創(chuàng)電新、遼寧星空鈉電等多家企業(yè)都對(duì)鈉電池提前進(jìn)行了布局。可見,雖然鈉電池的能量密度是個(gè)較為明顯的短板,但業(yè)內(nèi)對(duì)其趕超磷酸鐵鋰依然充滿信心,有企業(yè)稱“鈉電池能量密度超越150Wh/kg的進(jìn)度將比磷酸鐵鋰快”,更重要的是,鈉電池雖然還處于第一代產(chǎn)品階段,但已經(jīng)能看到第三代產(chǎn)品的雛形了。
更重要的是,鈉電池在充電速度、循環(huán)壽命、低溫性能、安全性能方面都有可圈可點(diǎn)之處,所以其市場(chǎng)前景值得期待。
而鈉電池的出現(xiàn),首先就將挑戰(zhàn)磷酸鐵鋰的江湖地位,因?yàn)樗鼈兌际亲叩男詢r(jià)比路線。當(dāng)然,磷酸鐵鋰和鈉電池究竟誰能更勝一籌,從科學(xué)的角度來說還無法給出預(yù)判,畢竟,這兩種電池,在不同電極材料和輔料的作用下,其能量密度天花板各不相同。
由此可見,未來,不僅僅是儲(chǔ)能行業(yè)會(huì)有鈉電池的一席之地,電動(dòng)車勢(shì)必也會(huì)形成鋰電池和鈉電池并行的局面,而且那一天已經(jīng)可以預(yù)見了。
責(zé)任編輯: 李穎