调研：替代电池技术路线图2030（3）
2. 替代电池技术
2.4 金属离子电池
金属离子(Me-ion)电池是用于电化学能量转换和存储的系统，在放电和充电过程中，只有一种离子在负极和正极之间来回穿梭。锂离子电池通常由一种特殊的阴极材料和一种阳极材料组成，每一种材料都沉积在金属集流箔上。两个电极由微孔隔膜分离，而离子传输通常由液体电解质实现。锂离子电池在许多应用中被认为是最先进的，锂离子电池是最著名的代表，但不是唯一的。其他替代Me-ion电池遵循与锂离子电池相同的穿梭原理，但使用钠、铝、锌或镁等金属代替锂。
2.4.1 钠离子电池
技术
钠离子电池(SIBs)的研究可以追溯到上个世纪中叶，自那时以来取得了很大进展。近年来，包括Faradion、Tiamat、Natron能源、比亚迪和CATL在内的多家公司和初创企业都声称已接近商业化，或者已经开始大规模生产。因此，SIB的TRL级别可以设置为8或9。
由于Na+比Li+具有更大的离子半径(102比76 pm)和更高的原子量(22.98比6.94 g/mol)，并且SIB的电池电压大多比LIB低，因此预计重量和体积能量密度会略低。目前实际的重力能量密度，例如CATL的情况，在140-160 Wh/kg的范围内，但预计在未来的电池一代将超过200 Wh/kg。循环寿命通常在100-1,000次循环之间。然而，这些值高度依赖于电池的化学性质，在1C下也可以达到4000次以上的循环，达到初始容量的80%，这与目前最先进的LIB相当。此外，SIB具有与LIB相似的库仑效率，其往返效率高于90%，可与磷酸铁锂(LFP)(97%)和锂镍锰钴氧化物(NMC)(95%)电池相媲美。与LIB相比，电池的耐低温性是一个优势：即使在-20°C，容量保持率仍为90%，而LIB的容量保持率为60 - 70%。然而，对于LIB，温度窗口也强烈依赖于化学体系。
应用和市场相关性
根据阴极和剩余电池的设计，SIB可以用于各种应用：层状氧化物实现的相对较高的能量容量使得它们可以用于(轻型)电动汽车，而聚阴离子阴极则可以实现良好的长期存储应用。普鲁士白色阴极显示出良好的功率能力，这就是为什么这种类型也非常适合叉车，电动工具，例如12 V/48 V启动，照明和车辆点火电池。因此，考虑到SIB的潜在应用领域，很明显，它们特别可能与LFP或PbA电池竞争。在相应的比较中，SIB在能量密度、功率密度、低温性能、快速充电能力和总成本方面表现相似甚至更好。
成本、资源、生产和供应链
地壳和水中Na含量分别为28400 mg/kg和11000 mg/L，而Li含量分别为20 mg/kg和0.18 mg/L。因此，这种产出材料的可得性要高得多，特别是因为它不是只集中在少数几个国家。与LIB相比，SIB的材料成本也更低。特别是在阴极方面，通过消除昂贵的原材料(例如，Co或可能的Ni)，可以实现相当大的成本优势。此外，用铝代替钴作为阳极集流器更为经济。然而，使用目前比石墨更昂贵的HC，对价格产生不利影响。此外，由于HC的比密度较低，不可逆容量较高，因此需要更厚的涂层，从而需要更多的活性材料。总的来说，SIB电池的材料成本估计约为LIB电池的40 - 60%。需要注意的是，成本在很大程度上取决于材料配对，实际的成本降低仍然需要在实践中证明。
2.5 金属硫电池
金属硫(Me-S)电池因其可获得性高、价格低、重量轻等优点而受到研究和开发。许多不同的金属与S阴极结合研究，如单价的Li, Na, K和多价的Mg, Ca和Al。在这些系统中，Li-S是最先进的室温(RT)操作系统。然而，上述金属比锂丰富得多，因此对Me-S电池也很感兴趣。
Me-S电池的目标是利用硫的高比容量，理论上在一个完整的双电子反应中有1672毫安时/克。这个值远远高于目前在LIB中应用的任何正极材料。这些电池概念的挑战是硫和金属硫化物的低电子导电性，需要在阴极中使用导电基质或导电剂。这些性质还取决于S的晶体结构，其中存在几个(亚)稳定相。
2.5.1 锂硫电池
技术
Li-S的放电电压在2.4到2.0 V之间。利用高比S和Li容量，在原型电池中已经证明了300至400 Wh/kg的能量密度。目前尚不清楚电池能量如何转化为系统水平，因为与LIB相比，需要更多的电池才能达到所需的系统电压。此外，锂-硫电池可能需要更高的外部压力。循环稳定性也经常落后于最先进的LIB，并且需要大量的电解质剩余。因此，研发目标是设计具有高能量密度和超过100次循环稳定性的大尺寸电池。由于S和金属Li的动力学特性，大多数系统设计用于低于1C的充放电速率。与锂离子电池一样，这种电池系统的危险在于电解质的易燃性和金属锂的反应性。
应用和市场相关性
锂-硫电池可以针对需要特别高的重量能量密度的应用，以及具有高成本敏感性的潜在应用。锂电池的竞争性重量能量密度已经在锂-硫电池上得到了证明。由于潜在的非常高的能量密度，该技术可以在飞行应用领域发挥作用。然而，根据应用的不同，也可能需要高功率密度，这是目前Li-S电池所不能提供的。循环寿命也倾向于限制使用频率低或准备频繁更换电池的应用。由于LIB的成本竞争力尚未在实践中得到证明，因此其相关性(例如固定应用)仍不清楚。
成本、资源、生产和供应链
从原材料成本的角度来看，由于S的成本较低，Li-S电池可以比LIB更便宜。然而，这需要克服几个挑战：开发和扩大薄锂金属阳极的成本效益工艺，减少每Ah的电解质量，以及增加阴极中的S负载与低成本碳基质相结合。专家预计，锂电池和锂电池的成本将在2025年左右持平。从长远来看，根据锂电池价格的发展，如果采用干式涂层等节能处理方法，锂电池的电池成本可能达到50欧元/千瓦时。
（未完待续）
