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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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        15個問題讀懂鈉離子電池的現狀和未來

        作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:洛奇馬的能源轉型日記

        2021年11月8日,在鈉離子電池專家會議上,來自復旦大學的專家介紹了目前鈉電池技術背景和生產的進展情況。

        鈉離子電池的技術背景:

        鈉離子電子的儲能機理和鋰離子電池是一樣的。都是利用離子在正負極之間的遷移來實現電能的儲存和釋放。鈉離子本身也帶正電荷,但是鈉離子半徑比鋰大1/3,所以移動比鋰慢,能量密度比離子鋰電池低。但是鈉資源非常豐富。鋰能源材料國內非常少,主要靠進口,未來的成本越來越高。鈉資源是鋰資源的1000倍,從成本看,比鋰礦多。但是鈉離子電池的技術還不成熟,目前主要工作還是在實驗室。按資源優勢,是最有可能成為替代鋰的資源。能量密度低,所以多能量密度要求高的就不適合,例如手機、筆記本電腦的應用替代就不行,但是對儲能,電動車,體積比較大的,能量密度要求比較低的還是有較大的市場需求。鈉離子電池未來不會一開始應用在乘用車,因為他們對能量密度要求高,但是電動大巴可以。分布式儲能,電網的儲能,場景很大,有很大的應用前景。

        技術進展方面:

        從研發的角度,目前鈉電池的正負極材料借鑒了鋰離子電池的材料體系。經過測試,正極還是用層狀電極材料類似鋰電里面的鋰鈷氧后者三元,這是將來有希望大規模生產的。另外的還有磷酸鹽體系,但如果要把磷酸鐵鋰變成磷酸鐵鈉,磷酸鐵鈉的儲鈉性能很差,所以可能要用其他的元素替代或者優化,例如磷酸釩鈉或者磷酸錳鈉之內的,但是也是磷酸鹽體系。另外就是普魯斯蘭類的體系,普魯斯藍類的光電循環比較穩定,但是缺點是能量密度比較低,容量也比磷酸鹽和輪狀材料低。所以現在還沒有確定三大材料體系,哪個組好。負極在鋰電里面最成熟的是石墨。但是用石墨作為負極材料,性能非常差,不能做強大的用途。另外的硬碳材料做負極很不錯,硬碳材料是一種稍微雜亂排列無定形的結構材料。這種硬碳材料的儲鈉性能,目前的實驗室結果是可以和目前石墨處理的性能相媲美。所以現在負極方面最好的電池負極材料就是硬碳,但是硬碳還沒有大規模量產的生產商,但是有些生產企業已經在布局硬碳的量產,但是準確時間還不確定。

        鋰電池的電解液用的是六氟磷酸鋰溶液,鈉電池用的是六氟磷酸鈉溶在碳酸鋰,運行起來的效果很好。如果要用于高壓電的話,要用到高氯酸鈉,就是把溶解的鹽稍微換一下。但無論如何,和鋰電的電解液非常相近,溶劑不變。隔膜完全可以用和鋰電池一樣的隔膜。負極可以用鋁箔作為節流機,因為鋁箔比銅箔的成本要低很多,用鋁箔做負極可以降低集流體。集流體的制造工藝和鋰電的制造工藝也是非常的類似。

        所以鋰電的生產線稍微調整一下就可以進行鈉離子電池的生產,所以如果電池廠想要轉型,它的重置成本不會太大?,F在量產最大的問題還是這是興起的技術,要從實驗室到產業化去推廣,他的技術穩定性以及材料的成熟度不會很高。

        Q&A

        1. 低溫情況下鈉離子表現更好,現在是不是真的可以達到160wh/kg?

        理論上可以達到。但是沒有給循環壽命的參數。目前的循環穩定性不好。市面上電動車要求2000次,但是現在研究只能是1000次。160wh/kg??斐?5分鐘80%的電量,理論上沒問題。低溫情況更好由于沒有材料的組份和參數,所以保持懷疑。鈉電池體積比鋰電池大,動力學性能會相對差一些,鈉離子的移動會慢。鈉離子同時也存在受低溫的影響。一般來說鈉離子的低溫性能比鋰差,但是不知道寧德時代是否采用了新技術。

        2. 循環壽命的主要影響因素是什么?循環壽命的指標之后的提升空間有多大,然后大概預計可能在什么時候能滿足作為儲能電池的循環?

        正負極材料的結構穩定性。鈉離子可逆的拖嵌,正極材料是經濟材料,這個材料可以發生變化。有些材料的相對穩定性好,所以可以保持循環壽命。鈉離子的循環沒有其他的好,主要是體積過大,對材料結構的破壞更大,從長壽命來看可以達到1000次。但是這個問題在將來通過技術可以得到解決??梢允共牧细臃€定。未來3-5年,加起來可以循環3000-4000次沒有問題。

        3. 如果都替換掉正負極材料,鈉離子替換鋰的話,成本比現在有多少下降?

        現在鈉離子還沒有量產,現在主要還在實驗室,材料花費比現在產業化的鋰要高。

        但進行量產后,加入整個生產工藝和鋰電池持平,整個成本可以降低50%左右。但是現在還沒有確定正負極材料,所以無法估算。負極稍微比鋰稍微有點優勢。大的優勢還是在正極,因為在正極里先對金屬離子方面,錳的相對性能更加穩定,基于鈉錳氧的體系,里面再參入一些鎳或者鈷鐵之類的元素,并不會太貴。但是鋰電都在做高鎳,里面的鈷和鎳不能少,成本比錳高很多,但是用鋰錳氧,錳多的話性能就會很差。但是錳在鈉里面可以用做大量的穩定元素,不用用鎳和鈷。用錳作為主要的金屬元素結合碳酸鈉,在量產以后,成產成本比現在的鋰電池會大幅度的降低。

        4. 現在國內的鋰離子電池的公司,從技術上比較一下,有沒有什么公司是比較領先的?

        主流的企業里,寧德時代的企業有團隊做鈉離子電池,他們的研發團隊比較大,在布局的考慮會長遠一些,他們現有鈉離子電池,也有新聞發布。所以他們的技術比較領先,另外很多高?,F在都在做研發,例如中科院孵化了中科海納,專門做鈉離子電池。上海交大在紹興孵化了鈉創新能源,主要做儲能電池,也是初創的鈉離子電池公司。這兩個是專門做鈉離子電池的研發和產業話的,不做鋰電池。寧德時代主業還是其他,只是做了點鈉方面的研發。

        但是現在的鈉離子電池都并不成熟,盡管寧德時代說明后年會進行量產,但是他們的產品應該也只還處于實驗室階段。

        5. 中科海納開發出了一款鈉電池,能量密度大概145wh/kg,循環壽命可以達到4500次以上,你如何看?

        循環壽命要看在什么條件下,一般來說循環2000次就很不錯了,但是如果充電在80%的范圍內充放電的話可以達到3000-4000次。循環的壽命高取決于充電的截止電壓,因為截止電壓提高0.1伏,它的循環壽命會下降很多。中科海納的正極材料也是基于層狀材料,基于鈉錳氧的體系,里面做了些銅鐵鈷之類的元素摻雜,負極用的也是硬碳。電解液用的也應該是六氟磷酸鈉。

        6. 國家在產業政策有什么具體措施?

        國家層面很支持,但是還沒有具體措施。國家電網和科技部,布局了很多鈉電池項目和投入了資金鼓勵科研單位和企業申請。國家電網針對儲能難的應用,包括風電太陽能的儲能站,鈉離子的需求都投入了經費研發。其他的暫時沒有,不過會陸續推出政策。

        7. 鈉電池的制造設備和鋰電池有什么區別?

        材料的制造設備幾乎一樣。只是把原材料換一下。鋰電的三元材料或者鈷酸鋰都是用工程電和固相法支配,正極材料生產線投入的原材料主要是碳酸鋰,氧化鎳,酸苯或者金屬鹽加上碳酸鋰或者氫氧化鋰。鈉電池里面就是金屬鹽不變,就是把碳酸鋰或者氫氧化鋰換成碳酸鈉和氫氧化鈉,但整個合成工藝是一樣的。對于正極的生產商來說,可以基本沿用目前的鋰電正極生產設備,但是具體的生產參數和條件上要做些調整。但是設備是基本相同的。石墨方面的差別也不會太大。電解液方面也基本類似,就是把溶解的六氟磷酸鋰換成六氟磷酸鈉,但和整個鋰電池的生產線差別不大。

        8. 如果鈉離子能做固態電池的話,能量密度能提升多少?是不是性價比會更高一些?

        鈉離子的固態電池優勢不太大。一方面它的技術成熟度目前來看還比較低,主要問題是鈉電池的固態電解質沒有特別好的固態。而且現在固態電池也不是很成熟,這也是現在固態電池需要突破的壁壘?;蛘甙央娊庖簱Q成固態電解質。但是固態電解質至今沒有特別好的。正負極材料現在比較常用的就是層狀材料或者硬盤材料,但鈉離子的體積比例較大,在固體里面遷移更不容易,它的離子導電率在電解質里面比較差。所以如果要做固態的鈉電池,就得先找離子遷移率比較高的。要研發出性能比較好的得5-10年。

        9. 如果鈉電池找到好的電解質,那能量密度能提高多少?

        如果夠不到200wh/kg的話,那他對液態鈉離子電池的提升非常有限。做得好的話,可能達到150-180wh/kg。

        電解液在電池里面的重量占到20%多,如果全部做成固態,做得好的話,可以做的很薄,整個能量密度也可以被優化。但是固態電解質不能被做的很薄,會有短路的風險,做厚的話,能量密度就會被降低?,F在的鈉電池不太成熟,所以固態電池的性能現在看還是遠低于液態鈉離子電池。正負極的容量,液態里面,可以發揮90%-100%的能量,但是固態里可能只能用到60%-70%。因為涉及到離子在固體里的遷移,電解液可以滲透到正負極里,所有正負極材料的顆粒都可以和電解液接觸。但是在固體里,就得要有一個離子的傳輸通道,但這樣在正負極里,可能會導致顆粒觸摸不到電解液正負極,正負極的利用率會打折,能量密度的提升也會有限。

        10. 國外是否也有發展鈉離子電池的計劃,他們的進展如何?

        美國和歐洲現在都有一些研究項目,包括美國現在也專設了一些鈉離子電池的項目研發,但是美國的鈉離子電池的研發進展總體上還是落后我國和韓國,現在中國和韓國是領先美國和歐洲的。

        美國有幾家初創公司也想做鈉離子電池的產業化,但是他們的規模和技術都不如國內的相關企業。韓國的LG,三星和SKI也在布局,他們的進度和中國差不多。

        11. 當鈉離子的技術成熟后,能夠占到的電池總裝機量比例是多少?

        鈉離子的技術優點在量產商體現出來,缺點是能量密度比鋰離子電池弱。它的應用主要集中在儲能還有對能量密度要求不高的電動工具例如低速電動車,電動大巴之類的。所以如果技術發揮在鈉成熟的話,它在儲能領域市占率能超過50%。但是在動力電池方面,鈉離子電池很難占到比較高的市場份額,最多到20%。

        12. 鈉離子電池和燃料電池誰可以更快更成熟的發展?

        從技術成熟度上看,更看好鈉離子電池,因為工藝上與鋰離子電池非常類似,而鋰離子電池已經非常成熟了,所以鈉離子電池推進量產的過程會很快,2-3年之內相關的產業鏈可以建立起來。

        但燃料電池要大規模生產和應用還是相對比較長遠的。燃料電池是解決能源問題的終極目標,最后就是氫氧的反應,非常的清潔,能量密度也很高。但是現在的瓶頸就是氫的儲存和釋放,以及燃料電池里面催化劑貴金屬的問題,貴金屬成本很難下降,也很難找到替代的薄催化劑技術。所以這兩個技術瓶頸很難在短期內攻克。燃料電池真的成熟可能要到3/50年以后,制氫的成本可以下來。

        13. 如果鈉離子原材料中國是可以完全自主提供,是不是不需要像鋰材料這樣大規模進口?

        鈉離子的原材料,中國的礦產足夠。

        14. 鈉離子電池和鋰離子電池燃料燃料電池是否會并存?

        可能性很大。因為每個技術都有它的特點和應用場景。鋰電池,燃料電池,鈉電池的技術和針對性場景都不一樣,所以并存的可能性非常大。包括鉛酸電池也不會退出市場。目前的鉛酸電池每年的量產和應用都在增長,只是增長的沒有鋰電池快。

        15. 鉛酸現在大規模用的還是什么地方?

        儲能電站和燃油車的起停電池,這兩方面。因為它的技術成熟,產業循環也做得很好,電池回收等。雖然鉛有毒,有污染,但是收回循環做的好,也可以把污染規避掉。這個回收技術是現在的鋰電池還不具備的優勢。但是大量的動力鋰電池退役后,電池的回收利用也是存在的大問題。


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