不管怎么样,钠储量比锂丰富,钠电池作为技术储备、保障能源安全具有重大战略意义,但同时,目前也不应过分高估其商业价值。
今天,CATL透露,将于明天下午公布钠离子电池,这意味着动力锂电池技术将迎来又一次重大革新。
那么什么是钠离子电池呢?为何要研究钠离子电池呢?钠离子电池又有什么优劣势呢?
1、行业背景
钠离子电池在20世纪70年代末、80年代初得到关注,但因锂电池优异的电化学性能而没有得到广泛研究。但随着电动汽车、智能电网时代的到来,锂资源短缺将成为制约其发展的重要因素。
因此,亟需发展下一代综合性能优异的储能电池体系,钠离子电池就被大家重新记起。
2、什么是钠离子电池?
钠离子电池具有和锂电池类似的工作原理,正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。
充电时,Na+从正极脱出经过电解质嵌入负极,同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极,保证正负极电荷平衡。放电时则相反,Na+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极。
在正常的充放电情况下,钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。从充放电可逆性看,钠离子电池反应是一种理想的可逆反应。
图2钠离子电池工作原理
3、为何要研究钠离子电池?
可以总结为四个字,成本控制。
众所周知,锂电池材料中常用的钴和镍等重金属元素,不仅资源稀有、价格昂贵,而且对环境也有不利影响。
特别要指出的是,合成正极材料都要相当比例的含锂前驱体,而锂的资源十分有限,随着锂电池应用范围的快速扩展,必然会出现锂盐供不应求的局面。
其实,近年来由于我国电动汽车产量快速上升,导致锂电池产量的提升,从而出现碳酸锂价格飞涨的局面。
可以预期,锂电池原材料成本难以大幅降低,将使其在大规模储能中的应用受到限制。
4、锂资源有限
关于锂电池材料,含锂前驱体重要形式为碳酸锂。碳酸锂有两种来源:矿石和盐湖。锂矿石重要以锂辉石、锂云母及磷铝石矿的形式存在。从盐湖卤水提取生产的锂化学产品重要是碳酸锂或氯化锂。
美国地质调查局的数据显示,目前全球已探明的锂资源量(金属锂当量)为3950万吨,其中几乎73%集中分布在南美洲少数国家。全球可开采锂资源储量约为1350万吨(以碳酸锂当量计算约为7100万吨),近两年锂资源的年平均开采量为3．5万吨,即便如此预计也仅可供开采385年,更何况目前每年的锂资源开采量正逐渐新增。
表1和图3展示了全球重要锂资源国家分布、产量及储量情况。
表1全球锂资源产量、分布及储量情况
图3世界重要锂资源国家产量和储量
统计数据显示,目前全球一年锂资源的消耗量大约是3万吨(以金属锂计算),其中约有1万吨是用于电池领域,也就是说在锂的下游用途中,用于电池领域的锂资源约占总量的30%。
在电动汽车中,锂电池成本约占总成本的一半(现在比例有些下降),而在锂电池成本中,占比最大的是正极材料,一般占30%～40%。
截至2020年底,全国新能源汽车保有量达492万辆,占汽车总量的1．75%,比2019年新增111万辆,上升29．18%。其中,纯电动汽车保有量400万辆,占新能源汽车总量的81．32%。新能源汽车增量持续三年超过100万辆,呈持续高速上升趋势。
可以预见,未来关于锂资源的消费增量无疑是巨大的。
虽然目前锂资源的消耗还远未枯竭,但是我们应该居安思危,将宝贵的锂资源留给比较能量要求更高和高附加值的便携式电子器件和电动汽车产业,尽早研发下一代在资源和成本上都更加有优势的新型储能电池—钠离子电池。
5、钠电池的优势
众所周知,金属钠元素在地壳中储量相对丰富(地壳中钠含量约为2．75%,而锂含量约为0．065‰,图2),且分布区域广泛(钠分布于全球各地,而约70%的锂却集中分布在南美洲地区)。
同时,钠和锂的物理化学性质相似且脱/嵌机制类似,因此钠离子电池的研究和开发有望在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题。
除了资源丰富易得、成本低廉、分布广泛的优势外,和锂电池相比,钠电池更具有安全优势,钠电池热失控温度高于锂电池,且更容易钝化、氧化,不易出现易燃现象,而这正是锂电池的重要弊端。
在电池体系中,钠不会和铝发生电化学合金化反应,因此钠离子电池可以采用铝箔作为负极集流体(替代锂电池体系中铜箔集流体),这样可以有效防止过放电引起的集流体氧化问题,既有利于电池的安全,又达到了进一步降低电池成本的目的。
另一方面,钠电池充电速度比锂电池要快许多,在高温、低温等条件下都能稳定充放电,优于锂电池。
而且钠电池的制造成本更低廉,这也是它被当成锂代替品的重要原因。
6、钠电池的劣势
当然钠离子电池也存在着不可忽视的缺陷,如钠元素的相对原子质量比锂元素大很多,而且钠离子半径比锂离子半径大,这使得钠离子电池的能量密度和功率密度比锂电池要低。
不过,在规模储能应用中对电池能量密度的要求并不是太高,其成本和寿命则是关心的重点。可以断言,钠离子电池在大规模储能应用领域拥有比锂电池更大的市场竞争优势。
钠离子电池和锂电池具有相似的工作机理,而锂电池发展相对成熟,目前,借鉴锂电池电极材料制备相应的钠离子电池电极材料成为一种重要研究方法并在一定程度上展现了较好的电池性能。
但是,钠离子电池在发展的过程中也存在几个关键问题亟待解决:
第一,钠离子电池是一种有别于锂电池的电池体系,将锂电池电极材料直接应用到钠离子电池的研究上是一种捷径,但寻找新的具有高能量密度和功率密度的正极材料,同时寻找在循环过程中体积变化小的负极材料,提高电池的循环稳定性,才是提高钠离子电池性能的重要途径,也是使钠离子电池早日应用到大规模储能的关键。
第二,目前关于钠离子电池电极材料的合成方法比较单一,传统的固相法和凝胶溶胶法是重要的制备方法,且对电极材料的改性研究较少．寻找更简单高效的合成方法,同时对性能较好的材料进行改性研究也是提高钠离子电池性能的一条途径。
第三,安全问题是制约锂电池发展的重要因素,而钠离子电池同样面对安全问题,因此,大力开发新的电解液体系,研究更为安全的凝胶态及全固态电解质是缓解钠离子电池安全问题的重要方向。
7、电动势有话说
为使钠离子电池尽早大规模应用,理论和实验实践需得到更深层次的挖掘．随着钠离子电池研究的深入,将会开发出新的材料,电池的容量和电压将会进一步得到提升,钠离子较低的成本,使得钠离子电池有望应用在智能电网或可再生能源的大规模储能中。
关于CATL这次对外公布钠离子电池,我觉得并不代表它的电池技术已经可以和锂电池相比,应该说是面对现阶段锂电池资源缺陷和价格上涨的一种新型策略。
目前钠离子电池发展相当于七八年前的锂电池的水平,在学术界钠离子电池目前还没有很大的突破。钠离子电池几年内还很难大规模生产。技术成熟有一个过程,目前其价格会比锂电池贵。当前研发的钠离子电池应用大概率是面向储能、基站、低速车、低端乘用车等市场。
不管怎么样,钠储量比锂丰富,钠电池作为技术储备、保障能源安全具有重大战略意义,但同时,目前也不应过分高估其商业价值。
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