鈉離子電池能量密度較低,在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。這也意味著,目前來看,較之鋰離子電池,鈉離子電池并沒有太大的價格優(yōu)勢。鈉電池想要更具成本競爭優(yōu)勢,就必須發(fā)展高能量密度和低價格輔材的鈉離子電池體系,進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。
前段時間,寧德時代召開股東大會,董事長曾毓群透露,寧德時代將于今年7月份發(fā)布鈉電池。此消息一出,鈉電池便被推上了市場的風(fēng)口浪尖。短短幾天時間,鈉離子電池概念股異軍突起,多股漲停。
隨即,鈉離子電池能否替代鋰離子電池的問題也引發(fā)大量討論。鈉離子電池并非全新的電池技術(shù),二十世紀(jì)七十年代末,鈉離子電池與鋰離子電池幾乎同時展開研究,然而命運卻大相徑庭。鋰離子電池發(fā)展迅速,在市場中取得一席之地,而鈉離子電池的發(fā)展卻始終停滯不前,直到現(xiàn)在仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,鋰在地殼中的豐度僅有17ppm(百萬分之一),且分布極不均勻。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)顯示,2019年全球已查明的鋰資源量約為8000萬噸,儲量約為1700萬噸,主要集中在智利、阿根廷和玻利維亞等地。
南開大學(xué)陳軍院士也曾表示:“鋰豐度低,資源分布不均勻,約70%集中在南美洲,我國80%的鋰資源依賴進(jìn)口,引發(fā)了人們對鋰儲量的普遍擔(dān)憂。另外,鋰離子電池的安全隱患也難以滿足大規(guī)模儲能的應(yīng)用需求?!?/span>
圖:全球鋰資源分布
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展,鋰電池的需求量不斷增大,鋰資源面臨著前所未有的緊張局面。因此,尋找替代鋰電池的儲能技術(shù)已經(jīng)勢在必行。同為堿金屬的鈉,在地殼中儲量高達(dá)2.36%,資源豐富,且成本低廉,具備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?。鈉離子電池“重出江湖”,受到多方關(guān)注和重視,成為儲能市場新的風(fēng)口。
圖:地殼中部分化學(xué)元素豐度 [3]
圖:用于電池的元素資源
如前所述,鈉離子電池最大的優(yōu)勢,就是鈉資源儲量豐富,這也讓鈉離子電池相較于鋰離子電池在成本上更具優(yōu)勢。然而,在化學(xué)元素周期表中,鋰在第二周期,鈉在第三周期。從物理化學(xué)性質(zhì)來看,鈉離子質(zhì)量和半徑更大,較之鋰離子更活潑。
因此,鈉離子電池能量密度較低,在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。據(jù)研究估算顯示,鈉離子電池所需輔材和制造成本占總成本75%。寧德時代董事長曾毓群也表示,該公司新推出的鈉電池可能比鋰電池更貴。這也意味著,目前來看,較之鋰離子電池,鈉離子電池并沒有太大的價格優(yōu)勢。鈉電池想要更具成本競爭優(yōu)勢,就必須發(fā)展高能量密度和低價格輔材的鈉離子電池體系,進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。
圖:鋰離子電池(LIB)與鈉離子電池(SIB)成本對比 [2]
在工作原理上,鈉離子電池與鋰離子電池極具相似性。鈉離子電池充電過程中,正極材料發(fā)生氧化反應(yīng),失去電子,同時鈉離子從正極脫嵌。電子補(bǔ)償電荷通過外電路到達(dá)負(fù)極,鈉離子也通過電解液遷移至負(fù)極。放電時則相反。
圖:鈉離子電池工作原理 [3]
鈉離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成,正負(fù)極材料是電池的核心。正負(fù)極材料的比容量和電位差決定了電池的比能量,電極材料結(jié)構(gòu)和電解液電化學(xué)性能的穩(wěn)定性也影響著電池的循環(huán)壽命。電池正負(fù)極材料的選擇和研究對提升鈉離子電池比能量、循環(huán)壽命和倍率性能至關(guān)重要。
圖:鈉離子電池正、負(fù)極材料的比容量和電壓
正極材料
金屬氧化物成本低、合成工藝簡單,包括P2層狀氧化物、O3層狀氧化物和三維隧道型氧化物;
聚陰離子類材料結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定、比容量適中、工作電壓高;
普魯士藍(lán)材料的隧道結(jié)構(gòu)較大,有利于鈉離子充放電脫嵌。
負(fù)極材料
肽基層狀氧化物具有良好的循環(huán)性能和倍率性能;
碳材料成本低、合成簡單、性能穩(wěn)定,且原料豐富;
圖:鈉離子電池系統(tǒng)
鈉離子電池的性能跟其電極材料的電化學(xué)性能息息相關(guān),然而早期被設(shè)計開發(fā)出來的電極材料性能不理想,這也是鈉離子電池發(fā)展緩慢遲滯的原因之一。
鈉離子電池儲量豐富,一旦工藝成熟,必然意味著成本的降低。其次,鈉離子電池安全性高,過充、過放、短路、針刺、擠壓等安全測試均能順利通過,不易起火和爆炸。雖然鈉電池兼具上述優(yōu)勢,但其能量密度也明顯低于磷酸鐵鋰電池與三元電池,無法適用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大,動力電池的需求量日益增加,鋰電池仍然會是市場的首選。
從長遠(yuǎn)來看,我們現(xiàn)在談?wù)撯c電池替代鋰電池還為時尚早,兩者因為性能不同必然會走向不同的市場定位。在新能源汽車、智能手機(jī)等對電池重量和能量密度要求較高的領(lǐng)域,在未來很長一段時間,鋰離子電池仍會是市場的主流。而在對這些參數(shù)要求不高的領(lǐng)域,鈉離子電池將會發(fā)揮自身優(yōu)勢,逐漸取得市場認(rèn)可。