钠电池车要来了,几乎克服了纯电动车的所有传统缺陷

电动车发展势头正佳,而关于三元锂和磷酸铁锂的路线之争也从未消停,刀片电池、弹匣电池等名头,无不向世人传递出一个信号:我才是动力电池的未来。但结果真的会如此吗?答案是未必。

最近,宁德时代董事长曾毓群对外透露,将于今年7月前后发布钠电池。

按照专家的说法,钠电池是一种“不依赖资源”的新型电池,不会像锂电池那样受上游原材料的供应以及价格变化影响,未来不存在发展瓶颈。

于是,吃瓜群众们不仅好奇:钠电池究竟是个啥?跟锂电池相比,钠电池的优点和不足又是什么?到底谁才是动力电池的未来?

钠电池车要来了,几乎克服了纯电动车的所有传统缺陷

钠电池是什么?

跟锂电池的命名方式一样,钠电池的全称叫做“钠离子电池”,其工作原理,就是通过钠离子在电极之间的移动来实现充放电过程。

两者工作原理略有不同的是,锂电池是通过锂离子在正负极之间移动、转换实现充放电,而钠电池是由钠离子在正负极之间的嵌入、脱出实现电荷转移。

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 ▲钠离子电池基本工作原理

简单来说,这不就是将锂离子换成了钠离子么?是的。而且,跟锂电池类似的是,钠电池在正负极材料的选用上也比较多元化,不同的电极材料能在电池能量密度方面带来不同的表现。

关于钠电池最早的研究,始于上世纪70年代的第一次石油危机期间,只是没有像锂电池那样进展迅速,此后相关研究越来越少,直到2010年之后,钠离子电池才与太阳能等可再生能源一起同步发展,以丰富储能体系。在这方面,欧美起步稍早,大概在2011年和2012年分别有公司涉足相关领域,美国能源部对此也有一定支持。

2012年,日本丰田曾发布一种钠离子电池正极材料,在当时就已经能将电动车续航里程提升到500-1000公里。

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 ▲各类高倍率性能钠离子电池正极材料的设计策略

在我国,包括中科院在内很多科研机构也在开展钠电池的研究,科技部2016年为此专门立项,今年4月,国家发改委和国家能源局发文,提出要支持储能多元化发展,以及加快钠离子电池开展规模化。

从产业化推进速度和专利布局来看,目前我国在钠电池领域处于领先地位。

钠电池各项性能如何?

既然大家都重视,那钠电池理应比锂电池更有优势才对。

可是,至少在目前看起来,跟如今应用最广泛的两种动力电池(磷酸铁锂、三元锂)相比,钠电池的主要性能指标其实并不具备明显优势,甚至在消费者十分看重的能量密度方面还处于劣势。

具体来看,如今三元锂量产装车已经做到180-200Wh/kg的水平,中短期目标是做到300Wh/kg;磷酸铁锂目前量产装车最高的为140Wh/kg,中短期目标是实现180-200Wh/kg;而国内钠离子电池目前能量密度最高为145Wh/kg,中短期目标是160-200Wh/kg,比三元锂差了不少,跟磷酸铁锂在相近水平(中科院物理所研发的钠电池,理论能量密度已经达到180 Wh/kg)。

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虽然能量密度指标并不占优,但钠电池在充电速度方面却有不小的优势。众所周知,即便采用大功率直流快充,三元锂电池一般是半个小时能从20%充到80%,磷酸铁锂充电费时更久,而钠电池只要10分钟就能干到90%,也就相当于我们给车加个油的时间。

另外,在充放电循环寿命方面,钠电池可以做到4500次,三元锂只有两三千次,这方面磷酸铁锂优势明显,已经做到6000次,据称锂电池循环寿命最高可以超过上万次。

低温性能方面,钠电池在零下40摄氏度都可以正常工作,跟三元锂差不多,比磷酸铁锂更能适应冬季以及高寒地区。

而在电动车用户普遍关注的安全性方面,钠电池也比三元锂更令人放心。这一方面是因为其电解液稳定性高,另一方面就是因为能量密度低,使得钠电池在高温性能方面比三元锂电池更好。

最后,钠电池还有一个所有锂电池都不具备的优势,就是它不像锂电池一样担心会过放电,所以钠电池允许彻底放电到0伏——这对于一般电动车用户好像没什么实质性意义,但对于储能场景应用就更值得推广了。

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为什么要发展钠电池?

综上,就实际应用而言,由于能量密度偏低,钠电池目前还难言优势,但鉴于其能量密度基本跟磷酸铁锂看齐,以及在其他性能方面还有自己的特色,其量产价值其实已经不小。

但这就是世界上主要国家发展钠电池的根本原因吗?其实不然。钠电池之所以能得到重视,最重要的原因,正是我们在本文开头提出的——不依赖资源,这需要从两个方面来理解。

首先,论在地球上的储量,钠远比锂要丰富得多。

资料显示,锂在地壳中的含量仅为0.0065%,即便是把地球上所有的锂元素都用来生产电动车,大概只够生产15亿辆特斯拉。而且,大部分已探明锂资源都在南美洲(主要是玻利维亚、智利、阿根廷等),集中于当地的盐湖中,但该区域政局不稳,所以引起碳酸锂价格经常大幅波动。此外,国内锂提取技术目前也没有规模化,我们80%的锂从澳大利亚进口,但当前的中澳关系并不利于维持这种贸易需求。

反观钠,分布就明显广泛的多,钠资源约占地壳元素储量的2.64%——也就是说,钠的储量是锂的406倍。其中,光是我国已探明的钠盐储量,早在六七年前就已经超过1.4万亿吨,而且,如今全球的金属钠产能,也正在向中国转移。

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 ▲盐湖中丰富的钠盐

其次,钠电池成本更低。

宁德时代之所以要发布钠电池,核心原因是锂电池的原材料涨价太凶猛(从去年下半年至今已经涨了多次),而钠电池则丝毫不存在这方面的压力,原因有三:

一、钠盐因为储量巨大,原材料价格低廉,采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料,原料成本能降低一半;

二,钠盐的特性允许使用低浓度电解液(同样浓度的电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右),这样就能进一步降低成本;

三,钠离子不会跟铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,此举可以进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右。

几大主料都能大幅节省生产成本,也就不难理解为啥电池企业愿意开辟这条新的道路了。有数据显示,目前国内钠电池的材料成本加上制造成本,大概在0.36元/Wh左右,这已经比锂电池低了,只不过,钠电池目前还处于推广初期,其整体商业成本短期内会比锂电池高,这一点宁德时代也有简单提及。

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最后说说

不仅仅是宁德时代,包括深圳华创电新、辽宁星空钠电等多家企业都对钠电池提前进行了布局。可见,虽然钠电池的能量密度是个较为明显的短板,但业内对其赶超磷酸铁锂依然充满信心,有企业称“钠电池能量密度超越150Wh/kg的进度将比磷酸铁锂快”,更重要的是,钠电池虽然还处于第一代产品阶段,但已经能看到第三代产品的雏形了。

更重要的是,钠电池在充电速度、循环寿命、低温性能、安全性能方面都有可圈可点之处,所以其市场前景值得期待。

而钠电池的出现,首先就将挑战磷酸铁锂的江湖地位,因为它们都是走的性价比路线。当然,磷酸铁锂和钠电池究竟谁能更胜一筹,从科学的角度来说还无法给出预判,毕竟,这两种电池,在不同电极材料和辅料的作用下,其能量密度天花板各不相同。

由此可见,未来,不仅仅是储能行业会有钠电池的一席之地,电动车势必也会形成锂电池和钠电池并行的局面,而且那一天已经可以预见了。

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