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15 分钟充 80%,宁德时代发布钠离子电池,磷酸铁锂要完?

拾碎心 2021-07-30 18:09:06

目前市场上主流的磷酸铁锂、三元锂甚至四元锂电池,本质上都是锂离子体系的产物。


也正因如此,钠离子,也就是摇椅式电池(金属离子在正负极之间脱落、嵌入的过程保持稳定离子形式,因此命名为摇椅)另一分支,在今天宁德时代发布会之前,就已经获得了巨量关注。

15 分钟充 80%,宁德时代发布钠离子电池,磷酸铁锂要完?

钠离子电池和锂离子电池有什么区别?钠离子会取代锂离子电池吗?宁德时代的钠离子电池什么时候商用,会应用于什么领域?


和下午的发布会一样,今天文章不长,但信息密度会很高。


一、钠离子电池前世今生


人类最早对钠离子电池的探索,始于 19 世纪。


根据上面的元素周期表我们可以发现,钠是距离锂最近的同族金属元素。同组意味着最外层电子数相同,化学性质也十分相似。因此,钠和锂这两种元素都非常适用于摇椅式电池。


但一直到 20 世纪 70 年代,钠离子电池的研究才开始深入。而最早期设计用于钠离子电池的电极材料,如 MoS2 二硫化钼、TiS2 二硫化钛等,性能表现都远不如锂离子电池使用的电极。


另外,钠元素本身,在摇椅式电池工作过程中的性能也不如锂。


因为钠离子要比锂离子更大更重(分子量 22.9898vs6.941、原子半径 186vs152pm),因此在脱离、嵌入正负极材料的时候,对材料结构稳定性的要求,也远高于锂离子。


综上所述,钠离子电池的商用进程远慢于锂离子电池,直到 2010 年代前后才取得明显进展。


其中我国的钠离子电池研究处于世界前列,中科海钠在 2018 年已经研发成功 150Wh/kg 单体能量密度,并且可商用的钠离子电池,同时循环寿命号称超过 4000 次。


而在实验领域,2015 年中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室已经研制成功单体能量密度 210Wh/kg 的室温钠离子电池。


二、宁德时代的钠离子电池


根据宁德时代研究院副院长黄起森的表述,目前 CATL 第一代钠离子电池,可以实现 160Wh/kg 的单体能量密度,同时电池系统集成效率可以达到 80% 以上。


由于钠离子和锂离子电池本质上属于「同宗」,因此前者同样拥有较高的快充性能,黄起森表示钠离子电池充电 15 分钟可补充至 80% 电量。


另外,宁德时代的钠离子电池还拥有 3000 次以上的循环寿命,以及零下 20 ℃ 依然拥有 90% 以上放电保持率的低温性能。


上文提到,钠离子和锂离子在摇椅反应过程中,对正负极材料稳定性要求不同。因此钠离子电池适配的正负极材料,也不再是锂离子电池的多元锂 / 磷酸铁锂 + 石墨。


宁德时代的用词非常谨慎,对钠离子电池正极材料的形容是「具有潜在商业化价值」——包括普鲁士白和层状氧化物两种,宁德时代的选择是普鲁士白。


普鲁士白又称 Williamson 白 , 简称 PW,化学名称叫亚铁氰化亚铁,是普鲁士蓝(Prussian Blue,亚铁氰化铁)的还原产物,在电催化和传感器方面均有很高的应用价值。


根据发布会的信息,宁德时代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的难题。


至于负极,宁德时代的选择是硬碳,硬碳是指难以被石墨化的碳,是高分子聚合物的热分解。发布会上宁德时代表示其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性。


黄起森表示,由于钠离子无法像锂离子一样在石墨层间自由穿梭,具有独特孔隙结构的硬碳材料就成为了优选。宁德时代选用的硬碳材料,每克能量密度达到了 350mAh,已经非常接近石墨。


P.S. 目前日本东京理工大学已经研发出了高达 478mAh 克容量的硬碳材料,但暂时还未有商用消息。


总结一下,宁德时代表示他们的第一代钠离子电池,具有高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。


另外,宁德时代还发布了钠离子电池 + 锂离子电池混搭的 AB 电池方案。按照特定的比例,将钠离子模组和锂离子模组封装在同一电池包。


有意思的是,发布会上给出的 AB 电池示意图,钠离子模组远多于锂离子模组。看来宁德时代对 AB 电池的定义,是希望用锂离子做补充,保证成本优势的前提下提升能量密度?


至于时间表,宁德时代表示钠离子电池的基本产业链,预计会在 2023 年建成。


三、钠离子电池应该用在哪?


文章写到这里,一个事实应该很清楚了:钠离子电池能量密度不高。


第一代钠离子电池单体能量密度为 160Wh/kg,这个成绩仅和目前量产的磷酸铁锂电池相当。


即使宁德时代表示,第二代钠离子电池单体能量密度可以达到 200Wh/kg,它和已经冲上 300Wh 的三元 / 四元锂电池相比,依然有非常大的距离。


但和磷酸铁锂能量密度相当的前提下,钠离子电池的低温性能、充电速度远要更好,同时热稳定性不比 LFP 差。


因此,目前汽车业界对钠离子电池的希望,更多是取代磷酸铁锂电池,成为未来入门和主流价位车型的电池选择。需要超高能量密度的中高端车型,则依然属于高镍路线,甚至固态电池。


但宁德时代的算盘,并不想只在汽车领域敲。


一个月之前的 6 月 23 日,搭载宁德时代磷酸铁锂电池的全球首台 120 吨级纯电动交流传动矿用自卸车,在湘电集团成功下线,并拟于 7 月在矿山场景试运营。


20 天前,也就是 7 月 9 日,宁德时代与河南跃薪的新合资公司跃薪时代正式成立,专攻电动无人矿山领域。宁德时代持股比例超过 30%,是公司的第二大股东。


更早一段时间,4 月 28 号,由中船集团 708 研究所设计 + 深圳海事局建设的海上危险品应急指挥船「深海 01」,在广州黄埔文冲船舶有限公司下水——这也是中国首艘使用锂电池作为混合推进动力的海上公务船。


「深海 01」的电池供应商就是宁德时代。


矿车、船舶等大型乃至超大型载具的电动化,目前仍处于蓝海。


根据宁德时代公布的信息,120 吨级的自卸车从燃油驱动转向电动,每年可以减排二氧化碳 1500 吨,补能费用降低 50%,维护保养成本降低 20%。


而根据中国经济周刊的报道,一台电动矿卡每年能节约能源费用 30 万元,基于电动化的无人矿山解决方案,可以提升全国矿山生产效率 30%,节约采矿成本 46%。


碳中和时代,巨型交通运输工具的电动化已经箭在弦上。


对于满载重量最高可以超过 800 吨的自卸车,乃至更大的船舶来说,电动化需要的电池容量也许不再是 kWh,而是 GWh 级别。


想要劝说这个行业使用如此庞大的电池,成本和充电速度都非常重要,反而能量密度,或许不是关键要求。


钠是地壳丰度第六的元素(锂仅为二十七位),钠离子电池的成本优势极为明显。目前业界对钠离子电池的 BOM 成本估计在 0.2-0.3 元 /Wh,不到磷酸铁锂的 70%,甚至只有三元锂的一半。


估算一下,一块 1GWh(1000kWh)的电池,钠离子可以比磷酸铁锂节约起码 20 万元,甚至接近 30 万元成本,同时充电速度远要更高。


重型运输行业会选择钠离子电池吗?钠离子电池会成为碳中和时代的利器?磷酸铁锂电池是否就此谢幕,宁德时代又能否抢到钠离子路线的杆位?


今天的发布会很短,但留给我们讨论的空间却太多了。


来源:公路新势力

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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