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        沈陽蓄電池研究所主辦

        業務范圍:科研成果轉讓、技術難題的攻關、現場指導、新工藝的采用和推廣,蓄電池產品生產許可證企業生產條件審查的咨詢等。

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        鈉離子電池時代要來了?

        作者: 李佳師 來源:中國電子報

        在智能物聯網時代,大量的智能設備需要電池,從智能手機、智能手表、筆記本電腦到新能源汽車等,電池的續航時間、充電快慢、環境適應性等成為智能設備競爭的重要維度,目前在消費電子市場和新能源汽車市場鋰離子電池處于“一統江湖”的主流地位?,F在這樣的格局有可能要發生改變了。

        7月29日,寧德時代創始人曾毓群在網上正式發布鈉離子電池,并表示寧德時代鈉離子電池具備低溫性能、快充性能以及更強的環境適應性,未來將與鋰電池共存發展。鈉離子電池的時代要來了嗎?鈉離子電池有哪些特性?又將帶給智能設備世界怎樣的電力“動力”?

        每一種新技術能夠得以生存并快速發展,都是因為擁有了比現存市場技術更優的差異化特點,這個定律放之四海。從目前來看,鈉離子電池與鋰離子電池的差異化在于低溫性能和快充方面。

        按照寧德時代研究院副院長黃起森介紹,目前寧德時代開發的第一代鈉離子電池,電芯單體能量密度為160Wh/kg,在當前處于全球最高水平;在常溫環境下下充電15分鐘,電量可達80%;即便是在-20°C的低溫環境下,放電保持率仍然高達90%以上;同時,在系統集成效率上,可以達到80%以上;具有優異的熱穩定性,并且超越了國家動力電池強標的安全要求?!翱傮w來看,第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池,但是在低溫性能和快充方面具有明顯的優勢。特別是在高寒地區,高功率應用場景?!?黃起森說。

        其實,鈉的化學性質,電池工作原理都和鋰非常相似,在化學元素周期表中,鈉元素與鋰元素為同一主族,物理化學性質極為相似。甚至鈉離子電池和鋰離子電池連“命運改變人”都是同一“群族”,2019年諾貝爾化學獎頒給了美國的邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆、約翰·班尼斯特·古迪納夫以及日本吉野彰三位化學家,獎勵他們“在發明鋰電池過程中做出的貢獻”。事實上,鈉離子電池也是惠廷漢姆研發的,只是鋰電池各方面優勢突出并且發展神速,因此鈉離子電池在商業上沒有大規模普及。鋰在電勢、原子量、離子半徑等基本性質上,相對而言都是比鈉更好的材料。鋰的原子量更低、離子半徑更小,鋰的理論質量比容量是鈉的3.3倍,鋰的理論體積比容量是鈉的1.8倍;且鋰的電位更高,比鈉高出12%,鋰材料的電池更具競爭優勢。因此鋰離子電池也更早大規模商業化。

        最近幾年,鈉離子電池之所以被高度關注,有幾個關鍵原因,一是從總量上看,因為鈉儲藏量要比鋰豐富,具有更好的發展可持續性。目前地殼中鈉儲量達2.74%,而鋰儲量僅為0.0065%,是鋰資源的440倍,而且鋰離子電池回收經濟價值低。鈉離子電池活性材料中不含昂貴的鈷,使其具有更強的可持續性。二是從地區分布上,各個區域的鋰儲藏也不均勻。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,鋰礦大多位于青藏高原地區,開采難度大,致使我國鋰礦對外依存度高。鈉離子電池對我國減少鋰資源對外依存度具有重要戰略意義。三是鈉資源提煉相當簡單,鈉離子電池大規模商用后,具有較大的成本優勢。

        事實上,鈉離子電池應用前景廣闊,在電動車市場上,鈉離子電池具有低成本、低能量密度、安全性強等特性,是鉛酸電池更好的替代品。而且隨著可再生能源大批量上網,電網側與發電側對儲能的需求愈發強烈,為鈉離子電池市場化應用提供土壤。

        目前來看,鈉離子電池產業化商處于初級階段,面臨的主要挑戰是成本優勢不明顯、工藝和產業鏈不成熟、核心電極材料和電解液規?;廊笔?、缺少電池相關標準化等。

        不過,分析機構認為,鈉離子電池具備產業化快速提升的潛力。鈉離子電池與鋰離子電池生產線、制作工序相似,隨著鋰電和上游材料企業入局,產業化進程會大幅提速。

        目前中國大約有20多家企業從事鈉離子電池研發及上下游配套包括寧德時代、中科海納、容百科技、深圳比克電池、欣旺達、華陽股份、滄州明珠、恩捷股份、中材科技、璞泰來等。

        相對于其他企業,據寧德時代透露其已解決了材料在循環過程中容量快速衰減這一世界性的難題,而寧德時代之所以能夠解決這個難題,得益于模擬計算和設計仿真。據介紹寧德時代構建了高通量材料集成計算平臺,在原子級別上對材料進行了模擬計算和設計仿真,對材料表面進行重新設計,解決了材料在循環過程中容量快速衰減的問題,使新材料具備了產業化的條件。

        按照黃起森介紹,在正極材料方面,寧德時代采用了克容量較高的普魯士白材料,創新性地對材料體相結構進行電荷重排,解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減這一核心難題;在負極材料方面,寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料,其具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性;在電解液方面,寧德時代還開發了適配鈉離子電池正極負極材料的新型獨特電解液體系;在制造工藝方面,鈉離子電池可以與目前的鋰離子電池制造工藝和設備相兼容。

        寧德時代在發布會上透露,目前公司已經開始進行鈉離子電池產業化布局,計劃是到2023年要能形成基本產業鏈。分析機構的預測是在未來3~5年,鈉離子電池產業鏈會基本形成,鈉離子電池相關工藝、相應的電池管理系統、相關技術體系也會趨于成熟。


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