15个问题读懂钠离子电池的现状和未来_技术交流_机械工业北京电工技术经济研究所

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15个问题读懂钠离子电池的现状和未来

作者:   来源:洛奇马的能源转型日记 时间:2021-11-18

2021年11月8日,在钠离子电池专家会议上,来自复旦大学的专家介绍了目前钠电池技术背景和生产的进展情况。

钠离子电池的技术背景:

钠离子电子的储能机理和锂离子电池是一样的。都是利用离子在正负极之间的迁移来实现电能的储存和释放。钠离子本身也带正电荷,但是钠离子半径比锂大1/3,所以移动比锂慢,能量密度比离子锂电池低。但是钠资源非常丰富。锂能源材料国内非常少,主要靠进口,未来的成本越来越高。钠资源是锂资源的1000倍,从成本看,比锂矿多。但是钠离子电池的技术还不成熟,目前主要工作还是在实验室。按资源优势,是最有可能成为替代锂的资源。能量密度低,所以多能量密度要求高的就不适合,例如手机、笔记本电脑的应用替代就不行,但是对储能,电动车,体积比较大的,能量密度要求比较低的还是有较大的市场需求。钠离子电池未来不会一开始应用在乘用车,因为他们对能量密度要求高,但是电动大巴可以。分布式储能,电网的储能,场景很大,有很大的应用前景。

技术进展方面:

从研发的角度,目前钠电池的正负极材料借鉴了锂离子电池的材料体系。经过测试,正极还是用层状电极材料类似锂电里面的锂钴氧后者三元,这是将来有希望大规模生产的。另外的还有磷酸盐体系,但如果要把磷酸铁锂变成磷酸铁钠,磷酸铁钠的储钠性能很差,所以可能要用其他的元素替代或者优化,例如磷酸钒钠或者磷酸锰钠之内的,但是也是磷酸盐体系。另外就是普鲁斯兰类的体系,普鲁斯蓝类的光电循环比较稳定,但是缺点是能量密度比较低,容量也比磷酸盐和轮状材料低。所以现在还没有确定三大材料体系,哪个组好。负极在锂电里面最成熟的是石墨。但是用石墨作为负极材料,性能非常差,不能做强大的用途。另外的硬碳材料做负极很不错,硬碳材料是一种稍微杂乱排列无定形的结构材料。这种硬碳材料的储钠性能,目前的实验室结果是可以和目前石墨处理的性能相媲美。所以现在负极方面最好的电池负极材料就是硬碳,但是硬碳还没有大规模量产的生产商,但是有些生产企业已经在布局硬碳的量产,但是准确时间还不确定。

锂电池的电解液用的是六氟磷酸锂溶液,钠电池用的是六氟磷酸钠溶在碳酸锂,运行起来的效果很好。如果要用于高压电的话,要用到高氯酸钠,就是把溶解的盐稍微换一下。但无论如何,和锂电的电解液非常相近,溶剂不变。隔膜完全可以用和锂电池一样的隔膜。负极可以用铝箔作为节流机,因为铝箔比铜箔的成本要低很多,用铝箔做负极可以降低集流体。集流体的制造工艺和锂电的制造工艺也是非常的类似。

所以锂电的生产线稍微调整一下就可以进行钠离子电池的生产,所以如果电池厂想要转型,它的重置成本不会太大。现在量产最大的问题还是这是兴起的技术,要从实验室到产业化去推广,他的技术稳定性以及材料的成熟度不会很高。

Q&A

1. 低温情况下钠离子表现更好,现在是不是真的可以达到160wh/kg?

理论上可以达到。但是没有给循环寿命的参数。目前的循环稳定性不好。市面上电动车要求2000次,但是现在研究只能是1000次。160wh/kg。快充15分钟80%的电量,理论上没问题。低温情况更好由于没有材料的组份和参数,所以保持怀疑。钠电池体积比锂电池大,动力学性能会相对差一些,钠离子的移动会慢。钠离子同时也存在受低温的影响。一般来说钠离子的低温性能比锂差,但是不知道宁德时代是否采用了新技术。

2. 循环寿命的主要影响因素是什么?循环寿命的指标之后的提升空间有多大,然后大概预计可能在什么时候能满足作为储能电池的循环?

正负极材料的结构稳定性。钠离子可逆的拖嵌,正极材料是经济材料,这个材料可以发生变化。有些材料的相对稳定性好,所以可以保持循环寿命。钠离子的循环没有其他的好,主要是体积过大,对材料结构的破坏更大,从长寿命来看可以达到1000次。但是这个问题在将来通过技术可以得到解决。可以使材料更加稳定。未来3-5年,加起来可以循环3000-4000次没有问题。

3. 如果都替换掉正负极材料,钠离子替换锂的话,成本比现在有多少下降?

现在钠离子还没有量产,现在主要还在实验室,材料花费比现在产业化的锂要高。

但进行量产后,加入整个生产工艺和锂电池持平,整个成本可以降低50%左右。但是现在还没有确定正负极材料,所以无法估算。负极稍微比锂稍微有点优势。大的优势还是在正极,因为在正极里先对金属离子方面,锰的相对性能更加稳定,基于钠锰氧的体系,里面再参入一些镍或者钴铁之类的元素,并不会太贵。但是锂电都在做高镍,里面的钴和镍不能少,成本比锰高很多,但是用锂锰氧,锰多的话性能就会很差。但是锰在钠里面可以用做大量的稳定元素,不用用镍和钴。用锰作为主要的金属元素结合碳酸钠,在量产以后,成产成本比现在的锂电池会大幅度的降低。

4. 现在国内的锂离子电池的公司,从技术上比较一下,有没有什么公司是比较领先的?

主流的企业里,宁德时代的企业有团队做钠离子电池,他们的研发团队比较大,在布局的考虑会长远一些,他们现有钠离子电池,也有新闻发布。所以他们的技术比较领先,另外很多高校现在都在做研发,例如中科院孵化了中科海纳,专门做钠离子电池。上海交大在绍兴孵化了钠创新能源,主要做储能电池,也是初创的钠离子电池公司。这两个是专门做钠离子电池的研发和产业话的,不做锂电池。宁德时代主业还是其他,只是做了点钠方面的研发。

但是现在的钠离子电池都并不成熟,尽管宁德时代说明后年会进行量产,但是他们的产品应该也只还处于实验室阶段。

5. 中科海纳开发出了一款钠电池,能量密度大概145wh/kg,循环寿命可以达到4500次以上,你如何看?

循环寿命要看在什么条件下,一般来说循环2000次就很不错了,但是如果充电在80%的范围内充放电的话可以达到3000-4000次。循环的寿命高取决于充电的截止电压,因为截止电压提高0.1伏,它的循环寿命会下降很多。中科海纳的正极材料也是基于层状材料,基于钠锰氧的体系,里面做了些铜铁钴之类的元素掺杂,负极用的也是硬碳。电解液用的也应该是六氟磷酸钠。

6. 国家在产业政策有什么具体措施?

国家层面很支持,但是还没有具体措施。国家电网和科技部,布局了很多钠电池项目和投入了资金鼓励科研单位和企业申请。国家电网针对储能难的应用,包括风电太阳能的储能站,钠离子的需求都投入了经费研发。其他的暂时没有,不过会陆续推出政策。

7. 钠电池的制造设备和锂电池有什么区别?

材料的制造设备几乎一样。只是把原材料换一下。锂电的三元材料或者钴酸锂都是用工程电和固相法支配,正极材料生产线投入的原材料主要是碳酸锂,氧化镍,酸苯或者金属盐加上碳酸锂或者氢氧化锂。钠电池里面就是金属盐不变,就是把碳酸锂或者氢氧化锂换成碳酸钠和氢氧化钠,但整个合成工艺是一样的。对于正极的生产商来说,可以基本沿用目前的锂电正极生产设备,但是具体的生产参数和条件上要做些调整。但是设备是基本相同的。石墨方面的差别也不会太大。电解液方面也基本类似,就是把溶解的六氟磷酸锂换成六氟磷酸钠,但和整个锂电池的生产线差别不大。

8. 如果钠离子能做固态电池的话,能量密度能提升多少?是不是性价比会更高一些?

钠离子的固态电池优势不太大。一方面它的技术成熟度目前来看还比较低,主要问题是钠电池的固态电解质没有特别好的固态。而且现在固态电池也不是很成熟,这也是现在固态电池需要突破的壁垒。或者把电解液换成固态电解质。但是固态电解质至今没有特别好的。正负极材料现在比较常用的就是层状材料或者硬盘材料,但钠离子的体积比例较大,在固体里面迁移更不容易,它的离子导电率在电解质里面比较差。所以如果要做固态的钠电池,就得先找离子迁移率比较高的。要研发出性能比较好的得5-10年。

9. 如果钠电池找到好的电解质,那能量密度能提高多少?

如果够不到200wh/kg的话,那他对液态钠离子电池的提升非常有限。做得好的话,可能达到150-180wh/kg。

电解液在电池里面的重量占到20%多,如果全部做成固态,做得好的话,可以做的很薄,整个能量密度也可以被优化。但是固态电解质不能被做的很薄,会有短路的风险,做厚的话,能量密度就会被降低。现在的钠电池不太成熟,所以固态电池的性能现在看还是远低于液态钠离子电池。正负极的容量,液态里面,可以发挥90%-100%的能量,但是固态里可能只能用到60%-70%。因为涉及到离子在固体里的迁移,电解液可以渗透到正负极里,所有正负极材料的颗粒都可以和电解液接触。但是在固体里,就得要有一个离子的传输通道,但这样在正负极里,可能会导致颗粒触摸不到电解液正负极,正负极的利用率会打折,能量密度的提升也会有限。

10. 国外是否也有发展钠离子电池的计划,他们的进展如何?

美国和欧洲现在都有一些研究项目,包括美国现在也专设了一些钠离子电池的项目研发,但是美国的钠离子电池的研发进展总体上还是落后我国和韩国,现在中国和韩国是领先美国和欧洲的。

美国有几家初创公司也想做钠离子电池的产业化,但是他们的规模和技术都不如国内的相关企业。韩国的LG,三星和SKI也在布局,他们的进度和中国差不多。

11. 当钠离子的技术成熟后,能够占到的电池总装机量比例是多少?

钠离子的技术优点在量产商体现出来,缺点是能量密度比锂离子电池弱。它的应用主要集中在储能还有对能量密度要求不高的电动工具例如低速电动车,电动大巴之类的。所以如果技术发挥在钠成熟的话,它在储能领域市占率能超过50%。但是在动力电池方面,钠离子电池很难占到比较高的市场份额,最多到20%。

12. 钠离子电池和燃料电池谁可以更快更成熟的发展?

从技术成熟度上看,更看好钠离子电池,因为工艺上与锂离子电池非常类似,而锂离子电池已经非常成熟了,所以钠离子电池推进量产的过程会很快,2-3年之内相关的产业链可以建立起来。

但燃料电池要大规模生产和应用还是相对比较长远的。燃料电池是解决能源问题的终极目标,最后就是氢氧的反应,非常的清洁,能量密度也很高。但是现在的瓶颈就是氢的储存和释放,以及燃料电池里面催化剂贵金属的问题,贵金属成本很难下降,也很难找到替代的薄催化剂技术。所以这两个技术瓶颈很难在短期内攻克。燃料电池真的成熟可能要到3/50年以后,制氢的成本可以下来。

13. 如果钠离子原材料中国是可以完全自主提供,是不是不需要像锂材料这样大规模进口?

钠离子的原材料,中国的矿产足够。

14. 钠离子电池和锂离子电池燃料燃料电池是否会并存?

可能性很大。因为每个技术都有它的特点和应用场景。锂电池,燃料电池,钠电池的技术和针对性场景都不一样,所以并存的可能性非常大。包括铅酸电池也不会退出市场。目前的铅酸电池每年的量产和应用都在增长,只是增长的没有锂电池快。

15. 铅酸现在大规模用的还是什么地方?

储能电站和燃油车的起停电池,这两方面。因为它的技术成熟,产业循环也做得很好,电池回收等。虽然铅有毒,有污染,但是收回循环做的好,也可以把污染规避掉。这个回收技术是现在的锂电池还不具备的优势。但是大量的动力锂电池退役后,电池的回收利用也是存在的大问题。




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