钠离子电池
技术特点
钠离子电池是锂离子技术的替代品,其工作原理与锂离子电池相同,采用可逆阳离子插入“摇椅”原理。
尽管能量密度较低,反应动力学较慢,但由于Na的氧化还原电位较高(Na+/Na的氧化还原电位为- 2.71 V,而SHE为- 2.71 V),并且与Li(氧化还原电位为- 3.01 V,离子半径为0.76 Å)相比,尺寸较大(1.02 Å)。
它们对铝是惰性的,使其能够用作阳极集流体,并与各种3d过渡金属表现出平滑的Na嵌入。
潜在适用于成本效益和寿命至关重要的固定存储应用,钠离子电池利用丰富的钠,更快的充电能力和更宽的温度范围。
作为电网电力存储的潜在解决方案,正在进行的研究旨在实现更低的储能平准化成本,目标是< 0.1美元/千瓦时。
材料选择
钠离子电池正极材料可分为三类:层状氧化物,聚阴离子,普鲁士白/蓝。其中普鲁士白/蓝具有较高的比容量,但由于对湿度敏感,生产车间需要布置更多的除湿机,从而拉高了制造成本。另外该类材料的振实密度有待提高,从而提高体积能量密度。
钠离子电池负极材料可分为三类:硬碳,合金,钠金属。目前硬碳的化学体系最有利于电池的循环寿命。2021年CATL发布了首款自研钠离子电池,采用了普鲁士白/硬碳的解决方案,并于2023年在奇瑞iCar车型的发布会上宣布联合开发Ener-Q钠离子电池。
性能对标
相对于锂离子电池,钠因其在地壳中的储量丰富,可以在规模化后实现更低的成本。目前由于研发投入仍处于初期,化学体系的能量密度和快充性能仍有待提高。由于钠离子半径比锂离子大,导致其脱溶剂化能力较低,低温时脱溶剂化速度更快,赋予了钠离子电池更好的低温性能。而且,钠离子电池在放电至0V时集流体金属仍能保持稳定,不会出现过放电风险,从长途运输角度比锂离子电池更具优势。
生产工艺
钠离子电池的生产工艺与锂离子电池几乎相同;
避免需要重新发明用于其他下一代电池(例如Li-S, Li-ASSB,含SSE)的制造步骤/协议;
外形因素灵活,即圆柱形电池,方形电池,软包电池可用于SIB和LIB;
降低生产成本的潜在领域:减少干燥室需求,消除SOC运输需求。
优势和挑战
成本挑战:由于供应链不成熟,较低的BOM尚未体现在较低的电池成本上;依赖Ni, V,其他含稀土材料,或某些SIB阴极的高水分敏感性。
安全挑战:目前尚无针对SIB运输标准的监管指导,SIB仍与LIB归为同一类别;足够的BMS液位保护,防止过放电,可能会消除需求。
应用挑战:低温性能仅限于放电,充电时仍要求-10℃以上;使用高压阴极时,在高温下产生过多气体。
2023钠电“大事件”
可以看到,2023年国内外各大电池厂和整车厂都纷纷开始布局钠电,随着车规级钠离子电池陆续量产,未来应该会看到更多搭载钠离子电池的汽车或电动两轮车。
钠电“玩家”
目前钠离子电池的材料、电芯/模组、电池包和完整系统的玩家多集中在北美和亚太地区。其中亚太地区竞争最激烈的领域在钠离子电池电芯/模组,60%的玩家都有参与;而在北美的公司多集中在材料和系统方面。
主打产品
下表列出了部分公司的钠离子电池产品,其中能量密度较高的有瑞典的ALTRIS,中国的CATL和Farasis,正极材料选用普鲁士或层状材料,搭配硬碳负极。
市场应用
目前钠离子电池在乘用车上的应用多集中在A级小车,未来随着能量密度的提高,有望进入更长轴距的车型,届时LFP的市场份额可能会受到影响。
钠离子电池因其低成本和安全性,在储能领域也备受关注,例如国内的中科海纳已经落地了100kWh的储能柜,并计划在本月实现10MWh的钠离子电池交付。
(未完待续)