中國粉體網(wǎng)訊 “許多人對鈉離子電池寄予厚望,,您怎么看待它的前景,?”在2021年騰訊WE大會期間,《中國科學(xué)報》記者將這一問題拋給了動力電池與儲能及燃料電池技術(shù)科學(xué)家王朝陽,。
“鈉離子電池是磷酸鐵鋰電池的‘備胎’,。”他簡單,、直接的回答讓記者頗感意外,。畢竟,鈉離子電池已經(jīng)在國內(nèi)引發(fā)極大關(guān)注,�,!罢f它是‘備胎’,是因為其各方面性能與磷酸鐵鋰非常接近,,除非后者的供應(yīng)鏈遇到困難,,從經(jīng)濟或性能上有必要啟用鈉離子電池�,!蓖醭栒f,。
鈉離子電池(圖片來源:寧德時代)
鈉離子電池工作機理
鈉電池的概念,是法國科幻作家凡爾納于1870年,,在著名科幻小說《海底兩萬里》當(dāng)中最先提出,。小說里,鸚鵡螺號通過取得海水當(dāng)中的電解質(zhì)鈉,,制成鈉電池作為能源來驅(qū)動前進,,因為鈉元素來自于海水,屬于就地取材,。
鈉離子電池,,是指利用鈉離子作為電池內(nèi)部的電荷主要載體的電池,,與鋰離子電池類似,屬于“揺椅電池”,。
鈉離子電池工作原理(圖片來源:徐鵬暉,,《儲能界新星--鈉離子電池》)
在放電時,離子從負極材料中脫出,,向正極移動,;而在充電時則相反,鈉離子從正極材料中脫出,,向負極移動,。若以NaxMO2為正極材料,硬碳為負極材料,,電池反應(yīng)原理可表示為:
鈉離子電池:“天使”與“魔鬼”并行
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相同,、電池構(gòu)件相似,因此工藝兼容度高,、切換成本低;鈉鹽電導(dǎo)率明顯高于鋰鹽,,電解液具有較高的電導(dǎo)率,;鈉離子電池的安全性更好,一般不會出現(xiàn)爆炸,、起火燃燒等情況,;地殼中鈉的儲量規(guī)模極大,在金屬儲量中位列第四,,因此鈉離子電池且價格更加便宜,;鈉離子電池能夠在低溫環(huán)境下實現(xiàn)較好的電量保持,在室外儲能場景也有廣泛的應(yīng)用前景,。
鈉離子電池優(yōu)勢(圖片來源:中科海鈉)
但是,,相比鋰離子,鈉離子半徑更大,,在充放電過程中正極材料更易崩塌,,這要求正極材料必須有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、有較高的氧化還原電位,,才不至于在鈉離子脫嵌過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌,;負極材料方面,常用的石墨雖然便宜好用,,但其與鈉離子不合,,鈉離子嵌入后易失去電化學(xué)活性;鈉離子電池能量密度較低,,目前主要應(yīng)用在中低速電動車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域,。
鈉離子電池研究
正極材料:主要分為層狀氧化物,、聚陰離子化合物和普魯士藍類化合物三大類,這三類材料各有特色,,但也都存在需要解決的關(guān)鍵性問題,。層狀氧化物可以取得較高的能量密度,但需要改進空氣穩(wěn)定性問題,;聚陰離子化合物循環(huán)較為穩(wěn)定,,壽命長,但其成本較高,;普魯士藍化合物價格低廉,,能量密度高,但由于本身結(jié)構(gòu)中結(jié)晶水的影響,,需要提高其循環(huán)穩(wěn)定性,。目前學(xué)術(shù)界對于鈉離子電池的研究主要也集中在正極材料上。
負極材料:不同于鋰離子電池的石墨系負極材料,,鈉離子電池負極材料一般為硬碳,、軟碳、復(fù)合碳等無定形碳材料,。
電解液:鈉離子電池電解質(zhì)鹽一般為NaPF6,,電解液合成方法與LiPF6基本相同,但電解液鹽濃度會更低,;溶劑一般為EC,、DMC、EMC,、DEC和PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體系,。由于原材料的原因,鈉離子電池電解液規(guī)�,;⿷�(yīng)后與鋰離子電池相比成本會更低,。
隔膜:目前常用的隔膜主要為PP、PE,、PP/PE以及PP/PE/PP隔膜,、陶瓷隔膜、涂膠隔膜等,。目前規(guī)�,;a(chǎn)的隔膜孔徑均遠大于鈉離子的溶化劑半徑,滿足鈉離子電池的使用需求,。
集流體:鋰離子電池負極只能使用銅箔,,而鈉離子電池負極可以使用鋁箔作為集流體。
極耳:鈉離子電池正負極均可以使用鋁極耳,,相比較鋰離子電池的銅鍍鎳極耳或鎳極耳成本有所降低,;且鋁極耳焊接工藝更簡單,,也可以降低部分制造成本。
鈉離子電池應(yīng)用
鈉離子電池雖然被王朝陽稱之為“備胎”,,不過,,它覺得自己還能掙扎一下。目前,,鈉離子電池已逐步開始了從實驗室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段,,國內(nèi)外已有30多家企業(yè),包括鈉離子電池“三大家”--英國的Faradion,、法國Tiamat,、我國的中科海鈉,還有美國的Natron,、日本岸田化學(xué)等,,正在進行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局,并取得了重要進展,。
英國Faradion公司是全球第一家專注鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的企業(yè),,于2011年由牛津大學(xué)的Jerry Barker博士、Chris Wright博士和Ashwin Kumaraswamy創(chuàng)立,,旨在開發(fā)鈉離子技術(shù)并將其推向市場,。Faradion研發(fā)的鈉離子電池為層狀金屬氧化物/硬碳的有機電解液體系,優(yōu)先開發(fā)低成本高能量密度的電池,。2020年4月20日,,F(xiàn)aradion宣布已收到澳大利亞ICM公司的第一批高能鈉離子電池訂單,,供澳大利亞市場使用,;2020年6月3日,F(xiàn)aradion宣布與印度基礎(chǔ)設(shè)施物流技術(shù)公司(IPLTech)建立新的合作伙伴關(guān)系,,其高能鈉離子電池用于印度市場商用車,;2021年3月10日,總部位于英國的電池制造商AMTE Power和Faradion宣布合作,,將Faradion的知識產(chǎn)權(quán)與AMTE Power的設(shè)計和制造能力相結(jié)合,,這次合作使鈉離子電池技術(shù)能夠納入一系列可再生能源應(yīng)用,包括住宅能源儲存,、商業(yè)微電網(wǎng),、風(fēng)力渦輪機和潮汐能儲存;2021年7月10日,,AceOn公司已獲得英國創(chuàng)新計劃100萬英鎊的資助,,以加快其移動太陽能存儲單元的開發(fā)工作,AceOn新設(shè)計的產(chǎn)品將使用Faradion的鈉離子電池,,這是Faradion的技術(shù)首次在撒哈拉以南的非洲商業(yè)使用,;2021年年底,,F(xiàn)aradion被印度信實工業(yè)收購。
作為中國首家鈉離子電池企業(yè),,中科海鈉公司依托中國科學(xué)院物理所的優(yōu)勢科研力量,,已率先實現(xiàn)鈉離子電池在電動自行車、低速電動車和儲能電站上的示范應(yīng)用,。2019年在江蘇溧陽建成并示范運行了全球首座100kWh鈉離子電池儲能電站,,2021年與華陽新材料合作的全球首套1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)也在山西太原成功投入運行,標(biāo)志著我國在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化上走在了世界前列,。2021年12月中旬,,中科海鈉與三峽集團及阜陽市人民政府達成合作,共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)�,;慨a(chǎn)線,,該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5GWh,分兩期建設(shè),,一期1GWh計劃于2022年正式投產(chǎn),。
鈉離子電池儲能電站(圖片來源: 中科院物理所 )
除中科海納外,寧德時代,、欣旺達,、鵬輝能源、鈉創(chuàng)新能源等國內(nèi)電池企業(yè)也紛紛入局,,與容百科技,、格林美等多家鋰電池材料企業(yè)同步展開鈉離子電池材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化探索。
鈉離子電池研究與產(chǎn)業(yè)化:任重而道遠
隨著鋰電池被廣泛應(yīng)用和普及,,人們開始擔(dān)憂鋰資源的短缺問題,。而成本低、資源豐富,、綜合性能較好的鈉離子電池作為一種重要儲能技術(shù),,近十年來受到國內(nèi)外學(xué)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注且發(fā)展迅速。目前,,鈉離子電池已逐步從實驗室走向應(yīng)用,,但鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化依然需要著眼于解決關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題和工程技術(shù)問題。
一是鈉電池中的相關(guān)材料,,特別是正極材料性能有待進一步優(yōu)化,,高性能新型電極材料的開發(fā)也勢在必行,用以支撐鈉離子電池的工業(yè)化應(yīng)用和可持續(xù)迭代,;二是要完善鈉離子電池技術(shù),,要有針對性地開發(fā)并優(yōu)化適用技術(shù),以滿足未來更大規(guī)模的生產(chǎn)制造需求;三是電池管理系統(tǒng)的開發(fā),,可以進一步提升電池組整體壽命和安全性,;四是應(yīng)該盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),保證其規(guī)范發(fā)展,。
盡管對鈉離子電池持“備胎論”觀點,,王朝陽也覺得鈉離子電池仍將是動力電池多元化比較重要的元素。為了保證供應(yīng)鏈的安全,,我們必須堅持對鈉離子電池的研發(fā),,特別是科研院所、國企,、大學(xué)等要持續(xù)研發(fā),,因為即便是‘備胎’,有一天也許就會用上,。
參考資料:
中國科學(xué)報,、北京科技報、中國粉體網(wǎng)
1,、丁玉寅等,,《鈉離子電池正、負極材料研究進展》
2,、徐鵬暉,,《儲能界新星--鈉離子電池》
3、馬琳等,,《推動我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化路徑探析》
4,、張平等,《鈉離子電池儲能技術(shù)及經(jīng)濟性分析》
5,、向鵬,,《領(lǐng)跑世界鈉離子電池技術(shù)--訪中科院過程所研究員趙君梅》
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安)
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