宁德时代押宝钠电池背后:中美欧争相布局 曾毓群导师也在搞

摘要:

宁德时代又放大招了!?5 月 21 日,宁德时代董事长曾毓群表示,将于 2021 年下半年发布钠电池。作为全球锂电池行业的老大,宁德时代的这一消息引发了广泛关注,也将人们的视线吸引到了较为陌生的“钠电池”身上。

一直以来,锂电池凭借着能量密度高、充放电速度快、使用循环次数多等优势,在很多产业都得到了广泛应用。尤其是车载动力电池方面,目前市场上的主流纯电汽车几乎都搭载三元锂或磷酸铁锂电池。

然而,随着搭载锂电池的纯电汽车产量持续增加,锂电池产业诸如核心原材料储量低、开采难度大、三元锂电池有一定的安全隐患等局限性逐渐显露了出来,人们已经开始寻找锂电池的替代品了。

钠电池就是锂电池的替代品之一,相比之下,钠电池的核心原材料储量更高、开采难度更低,原材料成本自然也就更低。此外,钠电池在面对挤压、穿刺等情景时的安全性也更好。

那么“钠电池”到底是怎样一种产品?与目前主流的三元锂电池相比具备怎样的优缺点?国内外又有哪些企业在研发这种电池呢?

钠电池更便宜更安全,可惜能量密度低

钠电池是一种以钠离子为电荷载体的电池,通过钠离子在正负极间插入和分离来实现电池的充放电。钠电池的工作原理本质上和锂电池一样,只是电荷载体不同。

钠电池的正极材料主要包括钠过渡金属氧化物、钠过渡金属磷酸盐、钠过渡金属硫酸盐、钠过渡金属普鲁士蓝类化合物等几大类;负极材料主要包括软碳、硬碳、过渡金属氧化物等;电解液成分跟锂电池的电解液成分差别不大,只是把锂离子改为钠离子。

其他诸如中间隔膜成分、封装工艺等方面,钠电池与锂电池并无本质区别。

相比锂电池,钠电池的一大优势就是成本低。钠电池需要的钠元素不仅储量丰富、价格低廉,而且获取渠道更多、开采难度更低。就像曾毓群所说:“氯化钠(价格)炒不起来,盐很多。”

而且,钠电池在架构、封装工艺上与锂电池高度相似,原先生产锂电池的工厂不必经过大的改动就能直接进行钠电池的生产,也就是说钠电池取代锂电池这一改变的成本也不会太高。

钠电池的另一大优势是安全性高。在国外一科研团队对由 Tiamat Energy 制造的 18650 圆筒型钠离子电芯进行的针刺测试中,钠电池在外壳被刺穿 10 分钟后,内部温度的最高值也只在 130℃左右。团队也对由 Novasis Energies 制造的软包型钠离子电芯进行了针刺测试,整个过程中没有肉眼可见的明火出现。

▲ 钠电池安全性测试过程

钠电池没能取代锂电池的主要原因是能量密度还不够高。目前,市场上钠电池的电芯能量密度普遍在 100~150Wh/kg。而主流的车规级动力电池中,三元锂电池的电芯能量密度已经能达到 250Wh/kg 左右。磷酸铁锂电池的电芯能量密度稍低,但也有 180Wh/kg 左右。

不过,在纯电汽车产量不断增加的当今,不少企业都意识到储量低、开采难的锂恐怕不能支撑企业长远发展,纷纷选择投身钠电池的研发。

欧美企业起步较早,已有多家拿出成品

目前钠电池产业中,来自欧美的企业数量较多,实力也相对较强。

比如来自英国的 Faradion 公司,这家公司成立于 2011 年,致力于开发钠离子技术并将其推向市场。2015 年,Faradion 与 Williams Advanced Engineering 和牛津大学合作,展示了世界上第一种由钠电池供电的电动自行车。此外,在 2020 年 1 月,该公司还参与了由英国创新基金会资助的可再生能源低成本存储项目,以展示钠离子技术在太阳能存储中的应用。

▲ Faradion 推出的车规级钠电池供电模块

来自法国的 Tiamat Energy 公司是法国 CNRS 研究实验室的衍生产品,也是钠电池领域的先行者。其技术在过去八年中得到了发展,并在第一轮融资中筹集了 500 万欧元(约合 3890 万元人民币)。该公司还是法国政府成立的汽车研究与移动性指导委员会(CORAM)的一部分,以支持汽车领域作为一项关键技术。

Tiamat Energy 已经与塑胶产品公司 Plastic Omnium 展开了合作,前者的 18650 圆筒钠电池将被后者改造成于车辆的 48V 钠电池组,并提供给所有汽车制造商。

▲ Tiamat Energy 推出的 18650 圆筒钠离子电芯

来自美国的 Natron Energy 也在钠电池领域有较强的实力,他们开发了一种新的工艺,用常见于染料中的普鲁士蓝来制造阴极和阳极。这种材料的成本虽低,但它的化学结构非常擅长吸收和释放钠离子,有利于提高钠电池的充放电效率。而且,普鲁士蓝电极的使用寿命也比碳基和金属基电极长,使用寿命最高可达 5 万次。

▲ Natron Energy 推出的钠电池

中国企业不甘落后 曾毓群导师也在研发

中国在钠电池领域的发展也并不落后,目前也有多家企业开发出了可应用于多个领域的钠电池产品。

除了宁德时代外,浙江安力能源也已经在钠电池领域取得了一些成果。这家公司是超威集团和美国通用电气公司共同成立的一家合资公司,致力于钠 - 氯化镍(简称钠盐电池)的研发、生产和销售,目前公司的主力产品之一:T126 型钠镍电池包的能量密度已做到 102Wh/kg(电芯能量密度未提供)。

▲ 浙江安力能源 T126 型钠镍电池包

中科海钠是国内钠电池领域的又一先头企业,它的技术团队由中国工程院院士陈立泉、中国科学院物理研究所研究员胡勇胜等人领导。值得指出的是,中国工程院院士陈立泉正是曾毓群的博士生导师。

通过多年努力,中科海钠已成长为国际少有的、拥有钠离子电池核心专利与技术的电池企业之一。

比如,为了降低钠电池成本,科研团队研发了铜基钠离子层状氧化物正极材料和无烟煤基负极材料。如果用户有需求,中科海钠也能提供电解液、钠盐等产品,且支持定制。

同时,中科海钠也充分考虑到了电池生产线转型的问题,在钠电池设计过程中充分考虑到了产品与原有的锂电池工厂的适配度。胡勇胜表示,中科海钠科技已经通过锂电池生产线制造了数万个钠电池产品,目前他们的钠离子电芯产能最高可达 30 万只 / 月,产品包括圆筒形电芯和软包型电芯。

▲ 中科海钠推出的低速电动车用钠电池组

结语:高能量密度钠电池或可替代锂电池

随着便携式电子设备和电动汽车的迅速发展,锂离子电池的生产已达到空前的规模。所有主要的锂电池制造商都在不断扩大生产能力,以满足日益旺盛的市场需求。

然而,锂并不是一种丰富的元素,其在地壳中的含量仅为 0.0065%。它还分布不均,其中约 70%分布在南美。如果人类放任锂电池产业“野蛮生长”,该产业可能在几十年内便因为锂元素枯竭而不得不衰落。

钠元素的化学性质与锂元素有较高的相似性,也很适合作为电池材料使用,而且它的储量更高、开采难度更低、价格也更便宜。

多家欧美企业早早意识到了锂电池的局限与钠电池的发展前景,已经给出了钠电池领域的产品和技术。一些中国企业也不甘落后,尤其是中科海钠科技,通过多年的自主研发,在钠电池正负极材料方面都拥有了自己的核心科技。

不仅如此,中科海钠科技还在钠电池设计过程中充分考虑到了产品与原有的锂电池工厂的适配度,并亲自使用锂电池生产线制造了钠电池且获得了成功。

当下,钠电池尚未取代锂电池并成为电动车辆动力电池的首选,主要原因是钠电池的能量密度还不够高。

钠电池的电芯能量密度往往在 100~150Wh/kg 之间,而磷酸铁锂电池的电芯能量密度在 180Wh/kg 左右,三元锂电池的电芯能量密度更是达到了 250Wh/kg 左右。也就是说,当前水平的钠电池恐怕很难满足高动力、长续航车辆的需求。

但是,钠电池优势和锂电池即将面临的困境都是不争的事实。假以时日,人们通过努力,显著提升了钠电池的能量密度,补齐了钠电池的短板,钠电池的优势将会大放异彩,成为锂电池的最佳替代品。

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