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钠离子电池解读



  ,立即引发行业的热议。2016-2018年期间,曾总曾经对外透露,CATL不会从事钠离子电池,因为能量密度太低。最近两年,公开信息看到CATL有很大的转变,主要源于,他们做了很多的产业链布局。2020年6月,CATL的21C实验室成立,中短期主要三个研究方向金属锂电池、固态锂电池和

  常见的电池分为一次电池和二次电池,一次电池常见的碱性锌锰干电池、锌锰电池、银锌电池。二次电池包括铅酸电池(燃油车启动电池)、镍镉电池(航空)、镍氢电池(普锐斯)、锂离子电池(笔记本电脑、手机、电动汽车)、钠离子电池(刚进入大家视野)。

  钠离子电池最早在1960s出现,分为两大类,高温钠离子电池和室温钠离子电池

  高温钠离子电池分为两大类,钠硫电池(日本东京电力公司大规模用于电网级储能,在中国上海电气做过示范),钠-氯化镍电池(Zebra电池、GE公司曾向商业化,但不是特别成功,相关专利授权给国内的超威);室温钠离子电池分为两大类,水系钠离子电池,溶剂系钠离子电池。

  与锂离子电池的工作原理类似,钠离子电池同样是一种嵌脱式电池,充电时钠离子从正极脱嵌进入负极,放电时钠离子从负极进入正极。外电路电子从负极进入正极钠离子被还原成钠。

  正极材料:正极材料的差异,是钠离子电池有别于锂离子电池最大的地方。目前的正极材料主要分为几大类:钠过渡金属氧化物、钠过渡金属磷酸盐、钠过渡金属硫酸盐、钠过渡金属普鲁士蓝类化合物。

  负极材料:软碳、硬碳、过渡金属氧化物等,考虑负极材料的成本、稳定性、循环性能等指标,最容易实现产业化和商业化的,仍然是碳材料,主要是软硬碳。锂电池主要负极材料是石墨,只有高功率负极材料会用到软硬碳材料和钛酸锂等

  电解质:钠盐+溶剂,除钠盐之外,溶剂与锂离子电池差别不大,可以使用PC。

  除了高能量密度要求的手机、无人机、乘用车以外,有着非常广泛的应用前景。电动二轮车、电动三轮车、低速四轮车、家用储能产品、数据中心、通信基站、新能源发电配套储能、电网级储能产品:调频、调峰。

  1.正极材料、负极材料及电解液的制备与选择。现在处于商业化早期,必须建立一个完整的产业链。

  2.提高钠离子电池的电位(高电压体系)。常规下,钠离子电池比锂离子电池电位要低0.3左右。

  能量密度:锂离子电池能量密度在150-350Wh/kg(种类比较多,磷酸铁锂能量密度低一些,三元高一些),钠离子电池能量密度在70-200Wh/kg,低于锂离子电池。

  成本包括两个层面:目前的成本,未来商业化的成本。中科院物理所陈立泉院士在今年一个公开演讲中指出,中科海钠BOM成本钠电池(采用体系是钠铜铁锰氧化物-煤基负极)0.29元/Wh,磷酸铁锂电池0.34元/Wh。CATL曾总指出,目前钠电池成本还高于锂电池,因为产业链不成熟,制造成本高。

  电极:由于钠位于锂的下一个周期,所以钠拥有比锂更大的半径,大约比锂的半径大70%,这就导致钠离子在阴极与阳极之间进行嵌入以及脱嵌要比锂更难。所以电极需要具备的条件有:(1)良好的扩散通道一遍钠离子能够快速转移;(2)拥有较高的嵌钠量,欧洲杯以获得较高的电容量;(3)电极电位受嵌钠量的影响要小;(4)良好的化学稳定性,以保证循环寿命。

  电解液:应该满足以下条件:热稳定性能好,不易发生分解;溶液中的离子导电率高;有宽的电化学窗口等。

  目前国内外有近三十家企业对钠离子电池进行产业化相关布局,主要包括英国FARADION公司、美国Natron Energy公司、美国Aquion Energy公司、法国Tiamat公司、日本岸田化学、松下、三菱化学以及我国的中科海钠(中科院物理所背景)、钠创新能源(上海交大背景)、星空钠电(国内外合作)等。其他公司:贲安(水系钠电,正极普鲁士蓝,负极钛酸盐,公司在上海);日本岸田化学(电解质);星空钠电(正极普鲁士蓝,负极硬碳)。

  英国Faradion公司:采用层状金属氧化物/硬碳的有机电解液体系;140Wh/kg,80%DOD循环寿命1000次;与现有锂离子电池生产工艺兼容;成本优势不明显,有机体系存在安全隐患

  美国Natron Energy公司:普鲁士蓝水系电解液;能量密度50Wh/L(比较低),循环寿命1万次以上;水系电解液安全性高,高倍率性能优异;能量密度低,生产工艺复杂

  法国Tiamat公司:氟磷酸钒钠/硬碳有机电解液体系,圆柱电池;90Wh/kg,1C循环4000次;循环寿命长,与与现有锂离子电池生产工艺兼容;V和F元素有毒性,体系能量密度较低,成本较高,存在安全隐患

  中国钠创新能源:层状金属氧化物/硬碳有机电解液体系,软包电池;能量密度120Wh/kg,循环超过1000次;与现有锂离子电池生产工艺兼容;成本优势不明显,有机体系存在安全隐患

  中国中科海钠:层状金属氧化物(不含贵金属镍)/无定形碳有机电解液体系,软包电池;能量密度135Wh/kg,大于2000次;与现有锂离子电池生产工艺兼容;成本优势明显

  负极:价格低廉的活性炭,具有很高的电容效应;正极:Na0.44MnO2;电解液:Na2SO4,中性水溶液 ;隔膜:无纺布 ;成本:锂离子电池的1/3;循环5000次电容量保持率为85% ;已经破产,被中国泰坦集团收购,应该是产线搬到国内了。

  负极:无烟煤基负极材料,克容量: 240 mAh/g,颗粒尺度:D50 =5 μm;

  产业化过程:2015年钠离子软包示范;2016年小批量试制钠离子软包/圆柱电池;2017年中科海钠公司成立;2017年钠离子电动自行车示范;2018年首辆钠离子电池电动汽车示范;2019年首座100kWh钠离子电池储能电站示范。中科海钠是世界上所有做钠离子电池的初创公司里面进展最快的。

  大规模产业化之后(GWh水平的产业链和电芯产能),钠离子电池具有较为明显的成本优势。

  钠电和锂电各有特点,在未来相当长时间内,两种电池化学体系互补,各自满足不同细分市场的应用需求在循环寿命、安全性方面与磷酸铁锂相当,在倍率性能、高低温性能方面都不弱于各种类型的锂离子电池,因此比较适合对能量密度要求不高,但是对成本比较敏感,或者对循环寿命要求比较高的应用场景,比如轻型电动车、中低续航的新能源汽车(300公里续航以下)、备用电源、基站电源、电力储能、工程机械、工业车辆等。同时,在产业链的完善、产品系列的丰富、性能的成熟、标准的制定、市场的认可等方面,钠离子电池仍然有很长的路要走,按照常规的节奏需要5-10年时间,很难形成一个庞大的产业。目前,CATL的加入以及双碳目标的制订,可以大大加速这个过程,3年以后产业可能就变得非常成熟。

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