拆合“钠离子电池”一文带你轻松了解

拆合“钠离子电池”一文带你轻松了解

几天前,宁德时代发布了旗下第一代钠离子电池,在所有能与其沾边的行业中都引起了轰动,股价毫不意外地再创新高。“巩固霸主地位”、“颠覆电池行业”,似乎用任何话语来形容宁德时代此举都不为过。

而对于多数像我这样一手股票都买不起的人来说,感兴趣的似乎也只能是“钠离子电池”五个字本身了。今天我们就把它拆开再合上,让大家轻轻松松地了解钠离子电池到底有什么好。

拆合“钠离子电池”一文带你轻松了解

“钠离子电池”有很多种拆法,个人选择将它拆为了三部分,“钠”、“离子”和“电池”……怎么样是不是特别意外呢?

好我们先来看“钠”。只要不是九年制义务教育的漏网之鱼,对钠应该并不陌生,银白色立方体结构金属,质软而轻可用小刀切割,密度比水小。“钠镁铝硅磷”,“钾钙钠镁铝”,不管怎么背都能背到它。而如果高中选了理科,还会竖着背“氢锂钠钾铷铯钫”,这句就很重要了,因为其中提到了今天钠的最大对手,锂。

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抛开课本,从我们生活中来看,钠的出场率绝对比锂的出场率高得多。浏览器搜索“锂的来源”,一堆专有名词,但要搜“钠的来源”,搜到的都是如上图这样的美食合集……没毛病,毕竟加了食盐就是加了氯化钠。说到盐,我国光察尔汗盐湖里的氯化钠就足够全球70亿人吃2000年,而整个柴达木盆地已探明钠盐储量是3216.17亿吨,注意是亿。

再来看看楼上“老锂”,全球的锂资源已探明储量也不到1亿吨。如果说全世界有一麻袋钠的话,锂可能就只有一小抔。物以稀为贵,工业级纯碱(碳酸钠)的价格在2300元/吨附近,而工业级碳酸锂价格已接近了9万元/吨,相差巨大。

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如果觉得谈钱太俗,我们还可以上升到国家储能领域的供应链安全层面。我国的已探明锂资源储量只占全世界的7%,80%以上都要靠进口,虽说目前还没有被“掐脖子”,但我们也不能干授人以柄的事儿。发展钠离子电池,多少能够缓解锂资源依赖进口的窘境。

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“钠”聊差不多了,我们来简单聊一下“离子”。离子是指原子或原子基团失去或得到一个或几个电子而形成的带电荷的粒子。钠离子和锂离子都属于金属阳离子,是由原子失去最外层的一个电子得到的。

丢掉枯燥的概念,我们说个好理解的。从上表可以发现,钠离子的半径要比锂离子大,所以锂离子能钻进去的地方钠离子钻不进去,而且更“胖”的钠离子移动起来也会更不方便。知道这一点就够了,随后我们还要用到。

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“电池”就更简单了,是能将化学能转化成电能的装置,可分为一次电池和二次电池两大类。一次电池又称原电池,是一次性的,比如空调遥控上的南孚;二次电池又称蓄电池,从手机中到汽车上,只要能反复充、放电的电池都算。

接下来我们把以上三者拼合起来,正式开始聊“钠离子电池”。

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钠离子电池和锂离子电池仅一字之差,两种电池体系的根本差异便在于传导离子的不同,而其工作原理是高度相似的。这两种电池都采用的是“摇椅式”工作原理,正负极都有储存离子的能力,离子可在两极上脱嵌,并在电解液中穿梭,从而实现充电、放电的过程。

既然工作原理高度相似,为何钠离子电池直到现在才被搬上台面?事实上,钠离子电池和锂离子电池均起源于上世纪70年代,正极材料被研发出以后却迟迟没有发现合适的负极材料。80年代石墨镶嵌锂离子的原理被发现,随即以石墨作为负极的锂离子电池原型被开发了出来。然而正如刚才提到的,钠离子体积过大,所以无法嵌入石墨中,钠离子电池的研发也因没有合适的负极而停滞不前。

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2000年以后,适用于钠离子电池的硬碳负极被研发出来,此时早已是锂离子电池的天下,而钠离子电池的性能也饱受诟病,同样未得到推广。直到近几年,储能需求大幅增加,锂价也一同飙升,钠离子电池才因其成本优势而看到了希望。

宁德时代第一代钠离子电池,采用了具有独特孔隙结构的硬碳材料作为负极,克容量可达350mAh/g以上,并具备优异的循环性能,整体性能指标追上了现有的石墨负极。

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正极方面技术难点更多,目前被宁德时代认定具有潜在商业化价值的有两类材料,普鲁士白和层状氧化物。其中普鲁士白(普鲁士蓝的一种)成本优势明确,通过表面改性处理之后,增加了循环寿命、活性材料的利用率,电池的热稳定性和可逆比容量也一同提高;层状氧化物是一类嵌入或插层型化合物,理论上具有较高的放电比容量,但循环性能较差。根据所给出的160Wh/kg的参数来看,第一代钠离子电池所用正极材料为普鲁士白,规避了对钴、镍等贵金属的使用,材料成本大幅降低。

电解液方面,既然是钠离子电池,主盐也从六氟磷酸锂变成了六氟磷酸钠。

负极集流体将铜箔更换为了铝箔,因为钠离子不会与铝箔发生反应,这里也可以进一步降低成本。

制造工艺方面,宁德时代表示,可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备相兼容,这也意味着成本优势会更加明显。

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基于以上对正、负极的研发与优化,宁德时代的第一代钠离子电池拥有了以下性能指标:

1.电芯单体能量密度已经达到了160Wh/kg,目前全球最高水平;

       2.常温下充电15分钟,电量就可以达到80%,具备了快充能力;

       3.零下20°C低温的环境下,仍然有90%以上的放电保持率;

       4.系统集成效率方面,可以达到80%以上;

       5.热稳定性优异,超越了国家动力电池强标的安全要求。

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在电池系统集成方面,宁德时代开发了AB电池解决方案,实现钠离子电池与锂离子电池的集成混合共用,这将大概率成为前期钠离子电池正式装车的形式:将钠离子电池与锂离子电池同时集成到同一个电池系统里,将两种电池按一定的比例和排列进行串、并联集成,通过BMS的精准算法进行不同电池体系的均衡控制,从而既能接近锂离子电池的能量密度,又能发挥出钠离子电池低温性能的优势。

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总而言之,宁德时代的第一代钠离子电池是应运而生的,不但能降低车用动力电池的平均成本,还能与锂离子电池取长补短,更对国家储能领域的供应链安全有重要意义。借用曾毓群在发布会上的一句话,未知远远大于已知,我们期待钠离子电池量产后的表现,也期待其他全新电池种类的出现。

(责编:施晨浩)

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      热门评论

      柏加尼-ZONDA 柏加尼-ZONDA广东江门

      这电池味道是咸的吗?

      08-05 11:55

      金司南豆 金司南豆天津

      真能量产的话,在成本上和安全性上都比锂电池好很多。

      08-05 13:55

      太湖里的小鱼 太湖里的小鱼江苏无锡

      不管是锂还是钠,最关键的是安全,不能起火,现有技术需要有原理性的突破。

      08-06 16:03

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