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调研：替代电池技术路线图2030（4）

2. 替代电池技术

2.5 金属硫电池

2.5.2 钠硫室温电池

即使钠硫室温(Na-S RT)电池(TRL 4)的技术成熟度仍然远远落后于Li-S电池，但它们代表了一个非常有趣的替代方案，因为它们用Na取代了资源关键的Li。总的来说，这是一种几乎完全不含有问题原材料的存储解决方案，并且可以非常经济有效地生产。虽然Na-S HT电池已经取得了一些商业突破，但RT技术仍处于研究阶段，目前还没有已知的商业活动。

技术

Na-S的放电电压为2.3 ~ 1.7 V。在短期内，300 Wh/kg的能量密度是可能的。理论上，能量密度可以达到1200 Wh/kg以上，大约是Li-S理论值的一半。到目前为止，实验室概念的结果只显示了低倍率<1C的循环。

应用和市场相关性

Na-S RT电池在固定存储领域的应用与Na-S HT电池类似。Na-S高温电池的加热和安全特性似乎适合于中到大规模部署，例如在兆瓦时存储中。然而，随着RT电池的可用性，Na-S电池可以在未来以更小的规模和更低的复杂性部署。

Na-S电池的理论能量密度对于移动应用来说也很有趣。在体积能量密度方面，Na-S电池还没有达到Li-S或LIB的基准。由于Na-S电池的技术尚未成熟，因此无法确定进入市场的具体时间，但专家们预计在2035年之后可能实现商用化。

成本、资源、生产和供应链

到目前为止，还没有Na-S电池的供应链。金属钠不能作为箔片，只能以棒状购买。对于电池生产，假定Li-S电池具有可转移性。

由于金属锂是Li-S电池电池成本的主要驱动因素，因此用钠代替锂几乎完全消除了原材料价值。同样，当使用Na时，Al也可以用作阳极侧的电流导体，与Cu相比，这将进一步降低成本。

2.5.3 钠硫高温电池

20世纪60年代，福特汽车公司的Weber和Kummer首先描述了Na-S - HT电池，作为固定式储能系统，Na-S - HT电池已经取得了商业上的突破。由于其工作温度高，这种电池系统也被称为热电池或熔融钠电池，不应与在室温下工作的Na-S RT电池混淆。

技术

Na-S HT电池的主要成分是由陶瓷β-氧化铝组成的固体电解质和液态的Na和S电极。电解质仅对钠离子具有渗透性，用作圆柱形管，其中放置液态钠作为阳极。这些电池在电和机械上相互连接，并被安置在一个温度保持在300-350°C范围内的热罩中，以保持电极的液态。单独的热管理系统在运行过程中提供初始加热和消散电池的余热，由于安全问题，最高温度范围不应超过360°C。

应用和市场相关性

Na-S - HT电池已经商业化几十年了。虽然大多数Na-S HT电池已在日本和美国投入使用，但该技术在欧洲的讨论和使用越来越多。集装箱系统具有快速响应时间和6-7小时或1/6℃的典型放电持续时间，可扩展到数十或数百兆瓦时，因此预定用于大型电池存储项目和电网规模服务。阿联酋部署了世界上最大的电池存储系统之一，总容量为648兆瓦时。随着200多个Na-S高温电池项目的投产，全球已部署的储能容量已经>4.2 GWh。

成本、资源、生产和供应链

Na-S - HT系统已经建立了生产流程。钠和硫是丰富的原材料，电池集成到模组或存储系统是完全自动化的。以陶瓷固体电解质的形式生产陶瓷元件已经得到了很好的研究和发展。Na-S HT电池的系统级成本约为300-450欧元/千瓦时。因此，大批量和低成本的生产可能有利于进一步部署，因为生产和供应没有主要障碍。Na-S - HT电池的回收被认为相对容易。

2.6 金属空气电池

虽然初级金属空气(Me-air)电池已经被广泛使用(例如，锌空气电池通常用于助听器)，次级Me-air电池是当前研究努力的主题。在Me-air电池中，能量来自金属和O2之间的化学反应，与其他类型的电池不同，O2不是作为活性材料保存在电池内。这意味着电池容量由阳极容量决定，允许理论上高的放电容量。氧气要么从周围空气中捕获(开放式系统)，要么通过连接的氧气罐输入(封闭式系统)。然而，这两种系统都面临着特定的挑战。虽然从周围空气中捕获氧气意味着必须压缩空气并清除其他成分，如二氧化碳(碱性电解质中的碳酸盐形成)，以防止对电池寿命和其他特性产生负面影响，但连接的O2罐需要足够的空间和额外的聚集体。含水Me-air电池中的水管理也相当复杂，特别是在环境空气湿度波动较大的情况下。

2.6.1 锂空气电池

技术

锂-空气电池由于其较高的理论能量密度而被认为是有前途的。虽然这项技术在过去几十年中得到了越来越多的研究和实质性的改进，但仍然需要基础研究(TRL 2-3)，并且只开发了少数样品。

大多数研发工作都花在非水(有机)系统上，因为它们的理论能量密度高，电池设计相对简单。比能根据形成的LiO2而变化，假设电压为~ 3V, Li2O2的比能为~ 3500 Wh/kg。在样品中，相对较高的能量密度目前只能在低循环下实现(例如，500 Wh/kg进行10次循环，反之亦然)。高活性的锂金属阳极持续形成枝晶，导致安全问题。虽然与非水电池相比，水电池和固体锂空气电池的关键问题更少，但它们的比能量也更低(约2170 Wh/kg)，这使得它们不那么有吸引力。

应用和市场相关性

电化学可充电锂-空气电池最有可能用于固定存储应用。这些应用的潜在市场份额估计在5%左右。进一步的应用可能是电动汽车，甚至无人机或高空伪卫星(HAPS)。然而，所有这些都伴随着进一步的挑战，因此，它们是争论的对象。预计在未来10-15年内不会有商业应用。

成本、资源、生产和供应链

由于材料节省和使用更便宜的材料(通常是用于GDE的碳改性而不是石墨)，锂空气电池的电池成本预计将低于LIB电池。然而，它们仍然需要锂，这是最昂贵的组件之一。由于低TRL，锂-空气电池的成本估算非常不确定；潜在的电池组价格估计在70到200欧元/千瓦时之间。

（未完待续）

来源：小明来电

锂电池化学体系SWOT分析-隔膜/负极篇

隔膜材料概览锂离子电池隔膜将正负极物理分离，同时允许锂离子的传输。最常用的锂离子电池隔膜通常是由涂有陶瓷的聚烯烃材料(通常是PE或PP)制成的。锂离子电池中还有许多其他不同类型的隔膜，它们具有不同的性能特征和权衡，大致分类如下。负极材料概览锂离子电池负极材料的选择是一个关键的决定，它取决于应用的具体要求，并对电池的整体性能、安全性和成本效益产生重大影响。石墨是可靠且具有成本效益的选择，而硅和锂金属提供更高的能量密度，但面临稳定性和安全性方面的挑战。LTO虽然能量密度较低，但在安全性和循环寿命方面表现优异。选择阳极材料时要考虑如下几个因素：能量密度，循环寿命，成本，安全，倍率性能，正极兼容性，可制造性和环境影响。常用负极材料和性能权衡由于其稳定性、成本效益和完善的制造工艺，石墨一直是传统的选择。硅具有比石墨更高的能量密度，但存在与体积膨胀相关的挑战。LTO的能量密度较低，但循环寿命较长。锂金属具有最高的能量密度，但在安全性和循环寿命方面存在挑战，通常是由于枝晶的形成。硅负极硅基材料可以提供能量密度的巨大改进，因为1个硅原子可以容纳4个锂原子(相比之下，现有的石墨需要6个碳原子才能容纳1个锂原子)。硅的理论容量为3600毫安时/克，而石墨的理论容量为372毫安时/克。缺点包括在Li合金化/脱合金中体积膨胀(300-400%)。这可以通过过量的硅暴露导致固体电解质间相(SEI)的发展，并可以分解整个阳极。因此，制造硅主导阳极一直具有挑战性，通常只使用少量(3-8%)。下图展示了2023年度硅负极的相关“大事件”，其中Amprius Technologies是一家总部位于美国弗里蒙特的锂电池公司，该公司不断探索改进电池技术和制造工艺的新方法，开发出的电池比标准锂离子电池的能量密度高100%，在数百次循环中达到了450 Wh/kg的性能突破。更多详细的信息，笔者会在后期的专栏《企示录》中介绍，欢迎持续关注。硅负极还受到了硅谷初创公司们的关注，他们继续与行业参与者建立合作伙伴关系。这些合作关系中也能看到国内CATL和EVE的身影。LTO vs Graphite虽然石墨负极广泛用于锂离子电池，但LTO是一种替代方案，特别是在优先考虑安全性、耐用性、快速充电和功率密度而不是能量密度的应用中。LTO因其高功率密度而广泛应用于轻度混合动力汽车。LTO的主要玩家多来自亚洲和美国，其中A123系统是万向集团的子公司，一直致力于开发各种应用的锂离子电池。他们已经在某些电池产品中使用了LTO技术，特别是在高功率应用中。Lithium metal vs Graphite锂金属负极的最大优势在于能量密度，循环性能和安全仍有改善空间，由于目前的成本仍处于高位，实际应用仅包括航空、国防、无人机等特定场景。目前关于锂金属的技术储备相对比较激烈，除了传统的原材料厂商，中游的电池厂和下游的整车厂也纷纷入局，包括Solid Power、通用、斯特兰蒂斯和大众。目前研发进度比较靠前的公司有QuantumScape、Cuberg等，其中QuantumScape主攻金属氧化物正极-固态电解质-锂金属负极的化学体系，已经积累了300篇以上的专利，融资超过8亿美元，关于该公司的详细信息，请参考企示录：QuantumScape。（未完待续）来源：小明来电