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【原創(chuàng)】鈉離子電池:新興儲能電池的機遇與挑戰(zhàn)


來源:中國粉體網(wǎng)   波德

[導(dǎo)讀]  現(xiàn)今,,隨著電動汽車和智能電網(wǎng)時代的到來,鋰資源的短缺將成為制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素,,迫切需要開發(fā)綜合性能優(yōu)異的下一代儲能電池系統(tǒng),。鈉和鋰屬同一主族,,理化性質(zhì)相似,而鈉資源豐富,,成本低廉,因此鈉離子電池是非常有前途的電池系統(tǒng),,近年來引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注,。

中國粉體網(wǎng)訊  鋰離子電池因其能量密度高,、循環(huán)壽命長等特點,占據(jù)了二次電池的主要市場。目前,,最先進的儲能系統(tǒng)大都采用鋰離子電池技術(shù)。盡管如此,,由于鋰離子電池價格的波動,,尤其是鋰資源的消耗和未來可見的短缺,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界希望尋求一種新的可持續(xù)替代產(chǎn)品或技術(shù)來滿足不斷增長的全球儲能系統(tǒng)需求量,。2010年左右,室溫鈉離子電池重新受到關(guān)注,,被認為是一種很有前景的下一代二次電池系統(tǒng),,可以替代鋰離子電池進行大規(guī)模儲能,。鈉的天然儲量十分豐富,地殼中的豐度在所有元素中居第六位,,海洋和鹽湖中蘊藏著巨大的儲量,。同時,,鈉和鋰是元素周期表中同一個主族的元素,,其化學(xué)性質(zhì)非常相似,。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池基本相同。在充電過程中,,鈉離子從正極材料中析出,通過電解液進入負極材料,,同時電子通過外電路從正極流向負極,,放電過程則相反,。


表1 金屬鈉與金屬鋰基本性質(zhì)對比


然而,時至今日,,在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù),、規(guī)模化和市場壓力的推動與革新下,,磷酸鐵鋰離子電池每瓦時電芯價格已經(jīng)降到了0.5元以下,,此時鈉離子電池是否還具備成本優(yōu)勢,或是否有其他突出優(yōu)點,,從而值得研究用于大規(guī)模應(yīng)用上呢?


一.鈉離子電池尚未大規(guī)模運用的原因


在研究初期,,研究人員經(jīng)常借鑒鋰離子電池發(fā)展的技術(shù)路線,用鈉代替鋰離子電池電極材料中的鋰來研究鈉離子電池的電極材料,,但其綜合性能較差,,不如鋰離子電池,。原因是鈉離子比鋰離子重,電負性沒有鋰低,,因此相同的電極材料通常比相應(yīng)的鋰離子具有較低的電壓和較低的比容量,,從而導(dǎo)致電池的能量密度較低。正是由于這種固有性質(zhì)的限制,,鈉離子電池目前在應(yīng)用中無法與鋰離子電池相比。另一方面,,由于鈉離子半徑(0.102nm)比鋰離子半徑(0.076nm)大30%以上,,鈉離子在剛性結(jié)構(gòu)中相對穩(wěn)定,,難以可逆脫嵌。即使能發(fā)生脫嵌,,鈉離子的嵌入和脫嵌動力學(xué)非常緩慢,,容易引起電極材料結(jié)構(gòu)不可逆的相變,,降低電池的循環(huán)性能。這樣電池的循環(huán)壽命也會成為制約鈉離子電池實際應(yīng)用的瓶頸,。鈉離子電池這兩個方面的短板亟待科研人員的研究來克服。


二.資源限制因素


從資源上看,,全球已探明的鋰儲量約7100萬噸(以碳酸鋰當(dāng)量計)。僅考慮電動汽車應(yīng)用方面,,如果注意對鋰離子電池加以回收,,鋰資源似乎能夠滿足全球電動汽車市場的需求,。但對于大規(guī)模儲能,,仍將面臨鋰資源短缺的問題,,而這勢必將引起鋰資源價格的波動,。作為全球第四大鋰儲量國,,中國理應(yīng)較長一段時期內(nèi)不受鋰資源短缺的困擾,但我國的鋰資源以鹵水型為主要來源,,提取提純難度大,成本相對高,;而少部分礦石型鋰資源主要分布在四川西部地區(qū),基礎(chǔ)設(shè)施,、交通運輸和企業(yè)管理等條件均較差,,開采所需人力,、物力以及尾礦處理成本很高,,目前僅進行了少量開采,大規(guī)模開發(fā)基本處于停滯狀態(tài),。如此一來,我國鋰礦的進口需求度超過80%,,勢必為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展埋下諸多不確定因素,。因此,,鋰資源的限制所帶來的壓力在可預(yù)見的未來將會越來越大,而這為沒有資源限制的鈉離子電池提供了更廣闊的發(fā)展空間,,發(fā)展鈉離子電池也具有了重要的戰(zhàn)略意義。


三.鈉離子電池與鋰離子電池成本對比


地殼中鈉元素較高的豐度(為鋰元素的幾百倍)是鈉離子電池價格優(yōu)勢的主要原因,。此外,,鈉離子電池可以采用相對價格低廉的鋁來替代銅作為集流體材料,。另外,鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小,,更低濃度電解液可以達到同樣離子電導(dǎo)率,,也可以降低部分成本。由此看來,,鈉離子電池的成本必定會低于鋰離子電池。然而,,由于鈉離子電池相對較低的能量密度,,在以能量來計算價格的方式上,低能量密度意味著將需要更多的輔材和制造成本,,這些輔材和制造成本將拉高電池每瓦時的價格。


根據(jù)2019年上半年的數(shù)據(jù),,以現(xiàn)在110A·h磷酸鐵鋰電芯成本計算,其電芯能量密度為165 W·h/kg,,而成本為0.54元/(W·h)。以現(xiàn)有鈉離子電池正負極材料的比容量,、輔件價格和實現(xiàn)效率為基礎(chǔ),,并將以后規(guī)�,;摌O材料和電解液的價格預(yù)估為2和2.4萬元/噸,我們可以計算出以硬碳為負極的鈉離子電池(以120 W·h/kg為基礎(chǔ))的成本為0.55 元/((W·h),。同時,預(yù)估出不同能量密度下的鈉離子電池成本,,結(jié)果如下圖,。



圖1 不同能量密度的鈉離子電池預(yù)估成本圖


從上述成本分析看,似乎鈉離子電池預(yù)估成本與現(xiàn)有的鋰離子電池沒有太大的優(yōu)勢,,這主要是在于實際上鋰在鋰離子電池成本中所占的比重并不大(約7%),,而鈉離子電池由于較低的能量密度,,使得其輔材和制造成本在總成本中占比過大從而拉高了總成本,。因此,開發(fā)具有高能量密度和低成本輔助材料的鈉離子電池系統(tǒng)是進一步降低其成本的必要途徑,。同時我們也需要看到,,如果正負極材料采用更豐富且更便宜的原材料,,成本可能低于2萬/噸。此時,,較低能量密度鈉離子電池系統(tǒng)也將具有一定的價格優(yōu)勢。


盡管目前鈉電成本優(yōu)勢不明顯,,但通過材料和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化,,鈉電池的成本在未來可以大大降低,,將對鋰電池具有明顯的價格優(yōu)勢。


四.其他可能的應(yīng)用優(yōu)勢


首先,,上文提過鈉離子電池具有資源無限制的優(yōu)勢,這可抵御未來可能出現(xiàn)的區(qū)域資源風(fēng)險,,保障國家能源戰(zhàn)略安全和國家政策的順利實施,;其次,鈉離子電池與鋰離子電池的工作原理相似,,與鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備大多可兼容,,方便將來設(shè)備的更新?lián)Q代;另外,,由于鋁和鈉在低電位不會發(fā)生合金化反應(yīng),,鈉離子電池正極和負極的集流體都可使用廉價的鋁箔,,且不用擔(dān)心過放,方便長距離交通運輸,;根據(jù)目前初步的高低溫測試結(jié)果,,鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異,;鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低,,即具有更好的界面離子擴散能力,,界面反應(yīng)動力學(xué)性能更好;鈉離子電池可以引入雙極性電池技術(shù),,進一步提高能量密度(如圖2);最后,,從不同正極材料的一些實體鈉離子電池的安全測試來看,,似乎鈉離子電池普遍具有高的安全性能。在進行的所有安全項目測試中,,均未發(fā)現(xiàn)起火現(xiàn)象,,安全性能更好,。這可能是由于鈉離子電池的內(nèi)阻相比鋰離子電池要稍微高一點,致使在短路等安全性試驗中瞬間發(fā)熱量少,、溫升較低。


更多鈉離子電池特有的優(yōu)勢還會隨著研究的深入逐漸顯示出來,,挖掘這些特有優(yōu)勢將提高鈉離子電池產(chǎn)品差異化,,使其在未來市場競爭中占據(jù)多方位多層次的有利地位,。


圖2 分別使用單體電池串聯(lián)和雙極性電池方式成組的固態(tài)鈉電池(相同電壓和容量)

體積對比示意圖


總之,,鈉離子電池是一種重要的儲能技術(shù),成本低,、資源豐富且綜合性能較好,,具有巨大的發(fā)展?jié)摿�,。未來鈉離子電池可以應(yīng)用在生活、生產(chǎn)中多個領(lǐng)域,,將促進能源互聯(lián)網(wǎng)的建成。為了提高鈉離子電池的市場競爭力,,需要開發(fā)具有更高性價比的產(chǎn)品,,而提高鈉離子電池能量密度是降低單位成本的關(guān)鍵因素,。同時,還需進一步開發(fā)具有高比容量的正負極材料,,進而有效減少非活性物質(zhì)(導(dǎo)電劑,、黏結(jié)劑,、隔膜等)在總成本中的占比,;同時開發(fā)新工藝,以降低生產(chǎn)制造成本,這些將是鈉離子電池下一步在基礎(chǔ)研究和工程化探索方面的重要突破方向,。


參考來源:

1.陸雅翔, 趙成龍, 容曉暉等. 室溫鈉離子電池材料及器件研究進展

2.LU Y, RONG X, HU Y S, et al. Research and development of advanced battery materials in China

3.曹余良.鈉離子電池機遇與挑戰(zhàn)

4.容曉輝,,陸雅翔等. 鈉離子電池:從基礎(chǔ)研究到工程化探索

5.侴術(shù)雷. 高比能鈉離子電池用低成本電極材料的研究與實踐

6.方錚, 曹余良, 胡勇勝等. 室溫鈉離子電池技術(shù)經(jīng)濟性分析


(中國粉體網(wǎng)編輯整理/波德)

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