不占密度优势的钠离子电池,为何会被宁德时代看好?

馥嫣 2021-05-25 13:30:44

5月21日,在宁德时代举行的年度股东大会上,董事长曾毓群透露,宁德时代在今年7月将会推出一款钠离子电池,但由于产业链尚不健全,本是采用更廉价原材料的钠离子电池,价格可能会比锂离子电池还高。可它在锂离子电池体系价格也居高不下的情况下,会是未来的一个新出路吗?


钠离子电池与现在被广泛使用的锂离子电池相似,其工作原理都是通过碱金属离子在正负极之间移动来储存或释放电能。但是与锂离子电池不同的是,由于钠离子中的中子和质子数量更多,钠离子的尺寸比锂离子的尺寸更大,这就导致钠离子在能量密度较和重量方面都没有优势。


那为什么宁德时代还是要推出钠离子电池呢?


首先就是原材料。根据国泰君安证券的数据,国内所使用的70%的锂资源都要依赖进口,而钠离子电池所使用的电极材料主要是钠盐,这一资源在地壳中的储备十分丰富,并且分布很广。目前国内与钠离子电池有关的企业主要有两家,中盐内蒙古化工股份有限公司和山东圣阳电源股份有限公司。据财报显示,中盐化工金属钠产能为6.5万吨,占全球产能的41.8%。而圣阳股份目前与院士工作站的单位联合开发的钠离子电池已经通过试验阶段,环保性和循环性都比较可观。


其次,就是钠盐的理化特性比锂盐更好。由于锂与钠属于同一主族元素,并且钠的质子数多于锂,所以钠元素的活泼性更大;而钠盐也是更强的电解质,钠盐溶液中的离子浓度更高。在相同条件下,离子浓度越大,离子所带的电荷数越多,溶液导电能力就更强。所以同样浓度的电解液,钠盐的电导率会比锂盐高出20%左右,使得在制作电池的时候可以使用较低浓度的电解液,从而降低成本。


第三点,是钠离子电池不会存在过放电现象,它可以放电至零伏。通常来说,蓄电池在使用一段时间之后,电池电压低于某一规定值之后应停止使用,重新充电,如果电压低于这个规定值仍继续使用,就为过放电。过放电可能会导致电极活性物质受损,无法继续进行反应,缩短蓄电池的寿命。而对于钠离子电池则不存在这个问题。


最后一点就是钠离子电池中的阴极可以使用铝作为集流体,可以进一步降低成本减轻重量。而在锂电池中,铝只能作为阳极集流体,因为铝的化学性质十分活泼,与空气中的氧气反应生成的氧化铝薄膜后,可以在电解液中保护内部的铝。而且金属铝的晶格八面体大小与锂原子相近,如果把铝放在阴极,低电位下二者极易发生反应形成金属间隙化合物,破坏电极结构。而在钠离子电池中,由于钠的分子尺寸更大,则不会出现这样的问题。


不占密度优势的钠离子电池,为何会被宁德时代看好?


(法国18650型钠离子电池)


不过,在钠离子电池发展的道路上仍然存在一些阻碍。


最主要的问题是电极的选择,锂离子电池中的负极为石墨,在工作时可以与锂离子结合,在充电时存储锂离子。但是在钠离子电池中,由于钠离子会优先在石墨表面形成镀层,而不是结合形成化合物,导致石墨存储的钠离子十分有限,所以石墨并不能当作钠离子电池的阴极来使用。不过德国德累斯顿的亥姆霍兹克研究中心的一份报告中表示,纳米碳有助于改善石墨无法储存足够的钠这一问题。


去年,华盛顿州立大学及太平洋西北国家实验室的研究人员研发出一款钠离子电池,这种电池拥有可以和某些锂离子电池相媲美的能量密度,并且在超过1000次循环充电之后仍然保持80%以上的电池容量。「我们的研究揭示了阴极结构演变以及表面与电解质相互作用之间的本质关联。这些是有史以来报道的分层阴极钠离子电池的最佳成果,它表明这是一种可以与锂离子电池相媲美的可行技术。」华盛顿州立大学机械与材料工程系的教授林跃和(音译)说道。研究团队研发出了一种分层的金属氧化物阴极,并在电解质中加入了更多的钠离子,得到了碱性更强的电解液,可以更有效地与阴极产生反应。这种设计也可以避免非活性表面的晶体堆积,保持离子移动的顺畅。


虽然现在很多实验室都提出了可增强钠离子电池使用寿命与能量密度的方案,但是何时能够商业化生产还是没有确切的时间。


不占密度优势的钠离子电池,为何会被宁德时代看好?


(图源华盛顿州立大学)


地球上锂和钴资源相对有限,高镍三元技术的产生使得电池制造对钴的需求降低了,而发展钠离子电池是对高镍三元技术很好的补充,降低对锂的需求。中科海钠CEO唐堃曾表示过,地球上的锂资源大概有不到7000万吨,而钠的存量大概比锂大三个数量级,在整个地球的元素丰度中占2.3%,可谓取之不尽用之不竭。


资源储备更充足,理论上的成本更低,虽然目前钠离子电池的体积能量密度较低(钠离子电池约400Wh/L,锂离子电池可达700 Wh/L),在电动汽车市场没有竞争力,更适合储能、两轮电动车等应用。不过,若是钠离子电池的商业化初步应用能得到好的反馈,并有机构持续跟进研发,或许适用于EV的钠离子电池也会迎来问市的一天。

来源:AutoxByte

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