15098856163

                                                                                          鈉離子電池簡介(下)2022-04-18 16:16

                                                                                          上一篇文章介紹了鈉離子電池的起源及其特點,那么鈉離子電池是否有朝一日可以取代鋰離子電池呢?
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          鈉離子電池對當前鋰離子電池產業結構的影響:
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          鋰離子電池的推廣和應用已經極其成熟了,相關產業鏈也高度完善。那么跟鈉既然和鋰屬同族元素,理論上來說在一定程度上應該能對鋰離子進行直接替換。事實是否如此,可從鈉離子電池不同的結構組成部分入手分析:
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          電解液:鈉離子電池電解質鹽一般為NaPF6,電解液合成方法與LiPF6基本相同,但電解液鹽濃度會更低;溶劑一般為EC、DMC、EMC、QEC和PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體系。由于原材料的原因,鈉離子電池電解液規?;笈c鋰離子電池相比成本會更低。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          正極材料:由目前的三元體系鋰鹽或者磷酸鐵鋰改為層狀過渡金屬氧化物(比容量高,穩定性差)、聚陰離子化合物(穩定性高,比容量低)或普魯士藍及其衍生物以及有機化合物(比容量較高,穩定性差)等。目前學術界對于鈉離子電池的研究主要也集中在正極材料上。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          負極材料:不同于鋰離子電池的石墨系負極材料,鈉離子電池負極材料一般為硬碳、軟碳、復合碳等無定形碳材料。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          隔膜:目前常用的隔膜主要為PP、PE、PP/PE以及PP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、涂膠隔膜等。目前規?;a的隔膜孔徑均遠大于鈉離子的溶化劑半徑,滿足鈉離子電池的使用需求。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          集流體:鋰離子電池負極只能使用銅箔,而鈉離子電池負極可以使用鋁箔作為集流體。
                                                                                           
                                                                                          從鈉離子電池結構組件成分不難發現,鈉離子跟鋰離子差異還是比較明顯的,不管是正極材料、負極材料還是集流體等部分。這些變化,隨之而來的也是電池上游產業鏈的重新規劃、布局和整合。不過對于負極材料、隔膜和電解液的影響較小。
                                                                                           
                                                                                          此外,隨著便攜電子設備和新能源電動汽車的飛速發展,鋰離子電池的生產制造達到了空前規模,并且各大鋰電池生產商都在不斷擴大其產能,這必然導致鋰資源大量消耗和價格上漲。事實上鋰并不是一種豐富的資源,在地殼中的含量只有0.0065%,而且鋰資源分布不均勻,70%的鋰分布在南美洲地區。如果按照鋰電池現在的發展速度,暫不考慮回收,鋰電池的有應用將在幾十年后受到鋰資源的嚴重限制,如果再將鋰電池應用到儲能市場,必將加速這一過程,另外不斷上漲的鋰價格也不利于其在大規模儲能中的實際應用。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          鈉離子電池技術應用現狀及未來趨勢
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          目前,世界各國紛紛設定燃油汽車全面停售時限,大力推行電動汽車以減少溫室氣體排放。由于具有無可比擬的優勢,如能量密度高、循環壽命長及工作溫度范圍寬等,鋰離子電池LIBs受到了電動車領域的青睞,其發展得到了進一步推動。同時,鋰離子電池也開始應用于大規模儲能領域,但該行業一般需要大面積的儲存設備來維持正常的運行,有限的鋰儲量便成為了阻礙儲能行業革新的關鍵問題。
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          相較于鋰離子電池,由于使用地殼豐度更高的鈉元素,鈉離子電池SIBs的成本能降低10%-20%,且由于電池材料及結構的相似性,鈉離子電池能夠很好地融入現有的電池工業化生產中。因此,在一些應用領域中利用鈉離子電池替代鋰離子電池,可以很好緩解鋰儲量低的壓力,實現能源側的可持續發展。鈉離子電池應用上的現狀如下:
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          (1)鈉離子電池技術現狀
                                                                                           
                                                                                          2010年以來,根據鈉離子電池特點設計開發了一系列正負極材料,在容量和循環壽命方面有很大提升,如作為負極的硬碳材料、過渡金屬及其合金類化合物,作為正極的聚陰離子類、普魯士藍類、氧化物類材料,特別是層狀結構的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展現了很好的充放電比容量和循環穩定性。
                                                                                           
                                                                                          由于鈉離子相對更大,需要更大的能量來驅動離子的運動,這方面一度是新電池技術最頭疼的問題,直到科學家們像碳芯電池一樣,采用碳作為驅動介質,使得鈉離子電池的能效可以達到鋰電池的7倍之多,而且可循環充電的次數更多。此外,鈉離子的液態記憶這項難題也被攻克。
                                                                                           
                                                                                          但國內企業很少有自己的可持續發展的戰略,積累不足。加之國內政策導向強、企業商業化宣傳濃厚,整個行業顯得比較浮躁,急需學術界和工業界腳踏實地做事情,加以設備、資金投入的助力,與終端應用緊密結合。
                                                                                           
                                                                                            
                                                                                           
                                                                                          (2) 鈉離子電池在雙碳背景下的機遇與挑戰
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                          2020年全球新能源汽車的銷量為324萬,而2019年同期為226萬,同比增長了43.36%。在以動力電池驅動的新能源車型(BEV)中,動力電池成本占比將近40%。BEV出貨量大幅提升,直接推動動力電池市場規模持續擴大。
                                                                                           
                                                                                          除了新能源汽車市場,雙碳背景下的儲能板塊對電池的需求也異常瘋狂。寧德時代半年報顯示,2021年上半年,儲能業務收入同比增長7倍,在整體收入的占比升至10.6%;特斯拉也有太陽能電池板和儲能業務,2021年第二季度,收入同比增長超過60%。儲能的甜頭,觸動了電池企業異常敏感的神經。
                                                                                           
                                                                                          在這種供不應求的情況下,鋰資源稀缺且昂貴,鈉離子取代也就是必然的結果了。
                                                                                           
                                                                                          (3)鈉離子更適合能量密度不高的儲能領域
                                                                                           
                                                                                          前面有提到,鈉離子電池可預期的成本優勢顯著,相比鋰離子電池安全性和高低溫性能優異,但是能量密度偏低。寧德時代發布的第一代鈉離子電池的能量密度差不多160Wh/kg,比碳酸鐵鋰電池低;就算是下一代產品,預計也只能到200Wh/kg,才差不多跟磷酸鐵鋰電池持平。而當前電動汽車對于動力電池的能量密度要求較高,因此鈉離子電池的使用主要還是傾向于對能量密度要求不高的低速電動車和儲能領域。
                                                                                           
                                                                                          最后,簡單總結一下。
                                                                                           
                                                                                          鈉離子電池從技術角度來說,完全具備作為儲能手段的化學特性。從預期成本來說,比現有鋰離子電池成本優勢顯著,并且在安全性和高低溫性能方面都有優勢。但是,從未來實際應用場景方面,受限于其低能量密度短板,應用場景相對單一。對于鈉離子電池來說,目前最核心的就是國家和企業的大力推廣和發展了,當整個產業鏈體系完善的情況下,前面的所有優勢就能發揮出來。
                                                                                          色欲天天