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钠离子电池元年,新能源如虎添翼

导读钠离子电池元年,新能源如虎添翼答钠离子电池元年,新能源如虎添翼对电动车来说,什么样的电池才算是好电池?它安全素质要好,高温不自燃、碰撞不起火、遇水不短路;它能量密...

今天识普刊就给我们广大朋友来聊聊钠离子电池正极材料有哪些,以下关于观点希望能帮助到您找到想要的答案。

钠离子电池元年,新能源如虎添翼

钠离子电池元年,新能源如虎添翼

钠离子电池元年,新能源如虎添翼

对电动车来说,什么样的电池才算是好电池?

它安全素质要好,高温不自燃、碰撞不起火、遇水不短路;它能量密度要高,用有限的空间和质量提供尽可能长的续航;它充电要快,最好充电5分钟,续航满一周;它使用寿命要长,电池衰减最好避免,回收利用也无压力;它成本控制要好,油电同价是基础,物超所值是目标。

上述这些因素,只满足一个还远远不够,要能在方方面面都占据领先,再逢天时地利人和,才可能有大规模应用的机会。

原型车是花仙子  ,一款微型纯电动车。在采用蜂窝技术的钠离子电池后,25kWh的容量可提供252km的续航里程,能量密度为140Wh/kg,快充时间为15-20分钟。

钠离子电池在新能源汽车市场的应用将从A00级电动车开始,待离子电池技术和性能进一步成熟后,则可以顺势应用在中大型电动车上。

不局限于汽车的话,钠离子电池在两轮电动车行业也已落地。

说“曾经不受待见”,是因为钠离子电池的研究几乎与锂离子电池同期启动,它们都被认为适合用于电池正极材料,最终却由于各种原因没能发展起来。

锂和钠,就属于同一主族。相比锂离子,钠离子的半径更大、质量更重,不容易击穿电池隔膜,电池成品的能量密度较低、循环寿命较差。

在新能源高涨的需求面前,锂离子电池日新月异,而钠离子电池实在是难讨人喜欢。

从工作原理来说,钠离子电池与锂离子电池基本一致,由正极、负极、电解液、隔膜等组成,利用钠离子充放电时在正负材料之间反复嵌入、脱出,发生可逆的氧化还原反应。

从技术路线来说,目前钠离子电池正极材料主要有层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝(白)类化合物、聚阴离子化合物三种,负极材料则以硬碳为主,软碳为辅。

相比锂电池,钠电池安全性更高,短路情况下瞬间发热量少、温升较低。针对锂电池的各种试验,如过充、过放、短路、针刺、挤压等,截至目前均没有让钠电池起火或爆炸。

其次,钠电池的温度适应性更好,在-40°C 低温下电池容量保持率达到70%,在80°C高温下也可循环充放使用。

再次,钠电池支持较高的充放电倍率,可以提升充电、也可以提升车辆功率,而且还没有过放电特性。但,充得快,放得也快。

在锂电池之外,钠电池是目前最好的、有可能制衡锂电的选项,其它类型电池都难堪大任。但能量密度低和循环寿命差这两个短板,又无时无刻不在限制钠电池的发展。      相比锂电池,钠电池安全性更高,短路情况下瞬间发热量少、温升较低。针对锂电池的各种试验,如过充、过放、短路、针刺、挤压等,截至目前均没有让钠电池起火或爆炸。

一个比较可行的方案是,将钠离子电池与锂离子电池混搭,既弥补钠电池能量密度的短板,又发挥其高功率、宽泛温度适应性的优点。

优势明显 宁德时代下注的钠离子电池真能取代锂电池吗?

最近几天,宁德时代推出的“锂矿返利计划”引起了广泛关注,这是一个旨在降低动力电池价格的合作计划。

其实这段时间锂电池的降价已经成为一个热门话题,乘联会秘书长崔东树等人表示,电池级碳酸锂的价格有望在未来下跌至目前的一半,并逐渐回归到正常状态。

不过锂电池价格下降是由供需关系决定的,汽车厂商们还在努力从原材料环节上寻找降低电池成本的方法。

在2月23日的第二届全国钠电池研讨会上,思皓新能源与中科海钠联合打造的行业首台钠离子电池试验车---思皓花仙子正式亮相。

这款车最大的亮点在于,它搭载了中科海钠研发的钠离子电池,在成本方面有明显优势。那么,钠离子电池真的会越来越普及吗?

真正的龙头是宁德时代 

需要注意的是,这次亮相的车型只是试验车,只能证明钠离子电池在乘用车上的确可以成功搭载,距离大规模量产甚至普及还有相当长的一段距离。

中科海钠目前已经发布了三款钠离子电池,并且在2022年11月份投资建设了全球首条钠离子电池规模化生产线,选择思皓花仙子这种入门级别车型进行试验,是一种比较明智的选择。 

事实上,中科海钠在钠离子电池方面虽然有着比较强的影响力,但公司本身规模较小,即便取得技术突破,也很难大规模商用。

国内钠离子电池行业真正的龙头是宁德时代,早在2021年宁德时代就率先发布了第一代钠离子电池,当时的电芯单体能量密度达到了160Wh/kg,为全球最高水平。作为对比,比亚迪刀片电池的能量密度在140Wh/kg左右。 

根据宁德时代的说法,公司的钠离子电池将在2023年实现量产,只用15分钟的时间就可以充至80%的电量,并且能够在零下20度的低温环境下保持90%的放电率。如果真的能够做到这一点,无疑将会推动动力电池行业的巨大变革。

为什么选择钠离子电池 

钠离子电池,在工作原理上与我们熟悉的锂离子电池非常接近:钠离子在正负极之间往返嵌入和脱出,完成充放电过程,这与锂离子电池相似。

但与锂离子电池相比,钠离子电池却有着很多独特的优势,这是宁德时代等厂商大力发展钠离子电池的重要原因。

钠离子电池的最大优势在于成本低。钠离子的主要原材料是钠盐,钠盐在国内储量丰富,价格低廉,开采、加工成本都更低。

除此之外,钠离子电池可以采用铁锰镍正极材料,与目前锂电池的三元正极材料相比,成本可以降低50%左右。考虑到国内锂资源储量不多,对国外依赖度较大,因此钠离子电池还具有保证行业安全、维护供应链稳定的重要意义。

其次,在具体使用过程中,钠离子电池也有独特之处。与锂离子不同的是,钠离子没有过放电特性,因此可以将电池放电到零伏,可以提升续航里程。而在能量密度方面,钠离子电池已经可以与磷酸铁锂电池相媲美。

同时,宁德时代等厂商之所以大力发展钠离子电池,还有生产成本方面的考虑。

由于钠离子电池与锂离子电池在工作原理上非常接近,因此研发成本也比较低,只需要对正负极进行更换,在隔膜、电解质等核心组件上,钠离子电池可以与锂离子电池通用。

一条锂离子生产线只需要稍加改造,就能变成钠离子生产线,具有较大的灵活性。

钠离子电池真的会成为主流吗? 

从理论上看,钠离子电池的确有很多优点,但需要注意的是,钠离子电池技术早在上世纪80年代就已经出现了,如果这些理论上的优势真的能够全部在量产车上实现的话,钠离子电池不会到现在才引起各大厂商的重视。

类似锂离子电池,钠离子电池也存在明显的短板,而正是这些短板限制了它的大规模商用。

钠离子电池的循环次数不高,是它的最主要短板。就目前的情况来看,钠离子电池持续的循环次数只有磷酸铁锂电池的三分之一左右。对一款乘用车来说,它的充放电次数需求非常高,在这种情况下,钠离子电池就不能完全胜任了。

到目前为止,人们看到的钠离子电池最适合搭载的车型是A00级电动汽车,因为这种车型的消费者对产品性能的要求并不算高。

钠离子电池的主要优势就是低成本,但要说这种电池能够在短时间内促进动力电池价格下跌,则并不符合现实。

权威机构的数据显示,虽然钠离子电池的理论生产成本较低,但在实际生产过程中可能会在0.7元/Wh,甚至会达到1元/Wh,而经过大规模量产之后的磷酸铁锂电池成本仅为0.51元/Wh。

也就是说,钠离子电池的实际生产成本并没有想象中那么低。未来很长一段时间内,钠离子电池仍然难以大规模在乘用车上应用。

不少专家预计,2023年国内锂离子电池价格将大幅下滑,这是需求减缓、技术进步、规模扩张等各种因素共同作用的结果。从目前的情况来看,钠离子电池还远不足以带来电池价格下跌,它更适合作为备用方案。

【本文来自易车号作者汽车经纬AUTOMATRIX,版权归作者所有,任何形式转载请联系作者。内容仅代表作者观点,与易车无关】

磷酸铁锂电池不香了?来看看钠离子电池

这两年随着比亚迪刀片电池的爆火,磷酸铁锂电池再一次被拉回了公众的视野。相比于传统的三元锂电池,磷酸铁锂电池在满足一定能量密度的同时,可以拥有相对更高的安全性及更低的成本,一时间收获无数厂家的追捧。但如今,随着宁德时代钠离子电池的发布,钠离子电池几乎拥有了磷酸铁锂电池的全部优势,甚至在安全性和充电速率上还有更高的表现,如此一来,磷酸铁锂电池是不是真的不香了?

钠离子电池(Sodium-ion battery)顾名思义,就是用钠离子代替锂离子进行嵌入、脱出,实现电荷转移做出来的电池,与锂离子电池工作原理相似。钠(Natrium)是一种金属元素,和锂是同族的,所以拥有相似的化学性质,可以用来制作电池。与锂离子电池不同的是钠离子电池的正极材料使用的是普鲁士白材料,负极材料使用的是硬碳材料。

钠离子电池中的正极材料普鲁士白听起来非常的陌生,在介绍普鲁士白之前,首先要提起它的“近亲”——普鲁士蓝。普鲁士蓝本质上是一种蓝色的化学涂料,最初是在18世纪时由一位名叫狄斯巴赫的德国工人发明。而普鲁士白则是在普鲁士蓝的基础上通过一系列化学变化生成了更高钠的化合物,呈现出白色,从而得名普鲁士白。

我们不要被名字陌生所困扰,只要明白他是一种粉末状的正极材料就好了。这种材料在微观上具有独特的三维网状结构,且结构稳定,有较高的电化学可逆性,可辅助电荷传导,适合做钠离子电池的正极材料。

至于在钠离子电池中充当负极材料所使用的硬碳材料,主要是指某些在2500℃的高温也难以石墨化的碳材料。我们常见的柚子皮、葡萄糖、纤维素、树脂碳(如酚醛树脂、环氧树、炭黑(乙炔黑)等都属于硬碳材料。同石墨的六边形固定结构相比,它属于无定形的结构,与石墨相比同样质量的材料可以容纳下更多离子,可以让电池拥有更高的能量密度。

实际上钠离子电池很早就有了,这并不是什么新技术,相关研究起步较早且已有实际应用。2019年,江苏常州就启用了世界第一个钠离子电池的储能电站。只是因为能量密度和锂离子电池相比没有竞争力所以一直都没大规模商用。现在,通过技术创新宁德时代研发的第一代钠离子电池达到了160Wh/kg的能量密度,这个能量密度已经可以比肩磷酸铁锂电池了。

1、安全优势

电池的安全性应该是大家最为关心的。由于化学性质上的不同,钠离子电池与锂离子电池相比安全上有绝对的优势:可在过充、过放、针刺、挤压等安全项目测试中不起火不爆炸。不止如此,钠离子电池还可以低电量运输,不需要对电池进行预充电,提高电池的运输安全。

锂离子电池使用铜箔作为负极总线,低电压时,铜箔极易氧化,导致电池性能下降失效。所以锂离子电池在运输前,一般要对电池进行预充电。与低电量电池相比,运输高电量的电池风险更高。

不同于锂离子电池,钠离子电池可以用稳定性更好的铝箔做负极总线,所以无需担心负极氧化导致电池性能衰减甚至失效的问题。

2、充电15分钟可充满80%电量

在相同浓度下,钠离子电池的电解液相比锂离子电池的电解液,流动性更好、电导率更高。所以可以拥有更好的快充性能。据宁德时代的测试,常温下对电池进行充电,15分钟可充到80%的电量。在充电上相比磷酸铁锂电池有明显优势。

3、更强的温度适应性

“在北方别碰新能源车”,“冬天续航减半”。我们经常抱怨新能源车的电池在冬天续航下降严重。甚至有车主不敢开暖风,裹着厚被子开车。图中为磷酸铁锂电池在不同温度下的放电容量。可以看到,在零下20摄氏度时,容量相比常温条件缩水了40%左右。磷酸铁锂电池受温度影响很大。而钠离子电池就不同了,经过测试,在零下20°C时,仍然保持了90%的电量。钠离子电池相比磷酸铁锂电池有着更强的温度适应性,更适合我国北部地区使用。

4.资源优势

众所周知,我国作为锂电池生产大国,三元锂电池所需要的锂、钴、镍材料需大量进口,资源安全难以保障。锂、钴、镍在地球上的储量是有限的,不足以支撑锂电行业迈向TWh时代。

我国的“锂电池之父”陈立泉院士曾经说过:“全世界的电能都用锂离子电池储存,根本不够,钠离子电池是新电池首选。”而钠离子电池所需的钠资源,在地球上储量丰富,丰度达到了2.74%,是锂元素的400多倍。而且分布广泛,毕竟我们天天吃的盐就是氯化钠(NaCl),可以说有海的地方就有钠。由于钠离子电池正极不需要用钴、镍这些稀有贵金属,我国的资源安全将得到极大保障。

5、成本优势

电池成本主要是材料成本。这些年随着新能源汽车、储能等领域的锂电需求快速增加,锂资源越来越紧俏,锂的价格也越来越贵。前几年碳酸锂最便宜时一吨不到四万元,现在一下涨了一倍达到了八、九万一吨。再就是钠离子电池正极不需要用钴、镍这些稀有贵金属,负极使用的硬碳材料也比锂电池使用的石墨便宜。综合材料成本应该会比锂离子电池低30-40%。

另外,钠离子电池与锂离子电池的工作原理和电池结构类似,生产锂电池的生产线只需要做少量修改就能将钠离子电池生产出来。对于宁德时代而言,这种改动比较容易实现,可以利用现有生产线,降低投入成本和时间成本。

我们看到钠离子电池相比磷酸铁锂电池拥有安全、充电速率、温度适应性、成本上面的优势。在电池循环寿命上与磷酸铁锂电池相当,能量密度暂时不如磷酸铁锂。那么钠离子电池会用在哪些方面呢?下面我们看一下它的应用领域。

1、储能电站

由于对能量密度的要求不高,钠离子电池拥有的优势最适合用来制造储能电站。安全、充电速率快、温度适应性好、成本低、循环寿命长,这些都是储能电站最需要的。我相信在未来钠离子电池会在储能领域得到极大的使用。

2、城市代步新能源汽车

同储能电站类似,对能量密度要求不高的各种类似五菱宏光MINI EV的小型城市代步新能源车,也是很好的应用场景。这种电动车对续航和性能要求不高,而且需要极力控制制造成本,所以目前这种类型的车使用的电池大多是低成本的磷酸铁锂电池。随着钠离子电池产业的不断铺开,原材料的成本下降,钠离子电池的成本优势会越来越强。我相信,这种

钠离子电池的正极材料含有哪两个氧化还原中心?

钠离子电池的正极材料通常含有两个主要的氧化还原中心:一个是钠离子的氧化中心,负责从钠离子中接收电子,另一个是含有氧的材料的还原中心,负责释放电子。这些材料能够在充放电过程中进行氧化还原反应,使得钠离子在材料中的嵌入和脱嵌进行。常见的正极材料包括锂钠锰氧化物(NMC),钒酸盐(NaVPO4F)、磷酸铁(NaFePO4)等。这些材料在充电时能够氧化为高价态,同时嵌入钠离子;在放电时则还原回低价态,释放出嵌入的钠离子。这些氧化还原反应是钠离子电池正极材料的核心机制。

虽然生活经常设置难关给我们,但是让人生不都是这样嘛?一级级的打怪升级,你现在所面临的就是你要打的怪兽,等你打赢,你就升级了。所以遇到问题不要气馁。如需了解更多钠离子电池正极材料有哪些的信息,欢迎点击识普刊其他内容。

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作者: 识普刊

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