首页/文章/ 详情

调研:替代电池技术路线图2030(3)

3月前浏览3392

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)


来源:小明来电
化学汽车电子理论材料
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-07-26
最近编辑:3月前
小明来电
硕士 新能源干货,尽在小明来电~
获赞 4粉丝 3文章 97课程 0
点赞
收藏
作者推荐

政府工作报告指出,新能源汽车产销量占全球比重超 60 %,如何看待这一数据?

我们的电动汽车具有领先的产品力从CleanTechnica对于“2023年度全球最畅销的电动汽车”的官方统计数据可以看到,中国的电动汽车占据了9个席位中的6席,表明在消费者心中获得了广泛的认可。因为我国早在十多年前便开始布局电动汽车的三大核心领域:电池,电机和电控。时至今日,终于将技术优势和规模优势发挥出来,开发出具有性价比的产品。不仅在国内,2023年我国新能源汽车出口达120.3万辆,同比增长77.6%,也说明了世界范围内的市场认可。居安思危,提质增效尽管销量亮眼,但如果我们从利润角度出发,会发现我们与世界顶尖的电动汽车厂商的差距。如下图对比了特斯拉、比亚迪和世界前十的汽车制造厂从2015年到2023年的利润率,比亚迪(绿线)与特斯拉(蓝线)依然存在接近5%的差距,且落后于世界前十的汽车制造厂(红线)。所以下一阶段仍需要持续迭代创新,提质增效,进一步提高品牌力。警惕产能过剩自从2015年开始,所谓的“造车新势力”在国内层出不穷,热钱不断涌入,一时间电动汽车相关就业岗位的薪资也跟着水涨船高。8年过去了,我们见证了一些“新势力”的“起高楼”和“楼塌了”,也看到过传统车企的“后来居上”,现在的市场已经变成战场,进入了淘汰赛。今年年初的“降价潮”已经敲响了产能过剩的警钟,所以需要车企做出客观和冷静的判断,找到产品定位,提高效率,避免在大浪淘沙的过程中被卷走和淹没。来源:小明来电

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈