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2022-11-29 09:45:41 heminbo888 0

利豪|利豪平台|利豪注册|利豪登录报道,钠离子电池基本原理与锂离子电池类似,被称作“摇椅式电池”。钠离子电池的结 构和工作原理基本与锂离子电池相同,钠离子电池也主要由正极、负极、隔膜、电解 液和集流体组成,正负极之间由隔膜隔开以防止短路,电解液负责充放电的时候离子 在正负极之间的传导,集流体则起到收集和传输电子的作用。钠离子电池的工作原理 为:充电时,Na+从正极脱出,经过电解液传导进入到负极,使正极处于高电势的贫 钠态,负极处于低电势的富钠态。同时,有相同带电量的电子通过外电路从负极流入 到正极以保持电荷的平衡。放电过程则与充电过程完全相反,Na+从负极脱嵌,经由 电解液穿过隔膜重回正极材料中,电子则通过外电路从正极流回到负极。由于钠离子 电池的充放电过程完全对称,均是由钠离子和电子在正负极之间的传导而完成,因此 钠离子电池同锂离子电池一样被称作“摇椅式电池”。

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钠离子电池技术不断成熟,大规模量产在即。钠离子电池起源于 1976 年, Whittingham 报导了 TiS2的可逆嵌锂机制,并制作了 Li||TiS2电池,Na+在 TiS2中的可 逆脱嵌机制也被发现。到 19 世纪 80 年代,Delmas 和 Goodenough 相继发现了层状 氧化物材料 NaMeO2 (Me = Co,Ni,Cr,Mn,or Fe)可作为钠离子电池正极材料,此发现 奠定了钠离子电池的商业化基础。随后,Stevens 和 Dahn 发现硬碳材料具有优秀的 钠离子脱嵌性能,该研究成为钠离子电池领城的重大转折点。至此,钠离子电池两大 关键材料得到确定,也为后续钠离子电池商业化应用打下基础。2015 年,全球首颗 18650 圆柱型钠离子电池诞生,该电芯能量密度达到 90Wh/kg,循环寿命超过 2000 次,再一次推进了钠离子的商业化进程。随后,我国在钠离子电池领域取得了十足的 进步,2021 年,中科海钠推出了全球首套 1MWh 钠离子电池光储充智能微网系统,并成功投入运行;随后,宁德时代推出能量密度达到 160Wh/kg,15 分钟可充满 80% 的电量,-20℃可放出 90%电量的钠离子电池。至此,钠离子电池即将迈入到商业化 阶段,大规模量产在即。

众多企业加码布局钠离子电池,产业化进程再提速。钠离子电池产业链布局目 前处于初级阶段,吸引了众多企业开始布局钠离子电池,国外有英国 FARADION 公司、美国 Natron Energy 公司、法国 NAIADES 公司、日本岸田化学、松下、三 菱,国内布局钠离子电池的企业众多,其中具有代表性的主要有宁德时代、中科海 钠、钠创新能源等公司。根据各公司公布的投产计划,预计 2023 年钠离子电池将 新增产能 17.5GWh,钠离子电池的产业化进程进一步加速。

相比于锂离子电池,钠离子电池具备原材料、成本和部分性能优势。钠离子电 池是由钠离子在正负极之间的嵌入、脱出实现电荷转移,与锂离子电池的工作原理 基本相同,两者的生产设备大多可兼容。锂离子电池已经于 1991 年成功商业化, 目前被广泛应用于动力、储能和消费等领域,而钠离子电池则持续处于研究中,产 业化应用较慢,直到近期产业化的进程才得到加速。目前最新的研究成果发掘出了 钠离子电池相对于锂离子电池的诸多优势,展示出了钠离子电池的巨大开发潜力。 钠离子电池较锂离子电池的优势具体如下: (1)原材料优势:地壳中钠储量为 2.75%,储量丰富,且分布均匀,成本低 廉。而地壳中锂储量仅为 0.0065%,且分布极其不均匀,不同地区资源属性差距较 大。 (2)成本优势:钠离子电池正极材料多选用价格低廉且储备丰富的铁、锰、 铜等元素,负极可选用无烟煤前驱体,成本及材料来源相比锂离子电池具备一定优 势。而且钠离子电池正极和负极的集流体均可使用廉价的铝箔,成本较锂离子电池 所需的铜箔进一步降低。据中科海钠团队研究,产业化的钠离子电池材料成本相较磷酸铁锂电池可降低 30%-40%。

(3)性能优势:倍率性能优异:钠离子的溶剂化能比锂离子更低,即具有 更好的界面离子扩散能力,且钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小,相同浓度的电 解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率,或者更低浓度电解液可以达到同样离子 电导率,使得钠离子电池具备更快的充电速度,如宁德时代的第一代钠离子电池在 常温下充电 15 分钟即可达到 80%的电量,充电速度约为锂离子电池的两倍;低 温性能优异:在低温测试中,钠离子电池(铜基氧化物/煤基碳体系)在-20 ℃的容 量保持率在 88%以上,而锂离子电池(磷酸铁锂/石墨体系)小于 70%;安全性 能优异:在所有安全项目测试中,均未发现起火现象,安全性能更好,这是因为钠 离子电池内阻相比锂离子电池要稍微高一些,致使在短路等安全性实验中瞬间发热 量少、温度较低。

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钠离子电池在能量密度、循环寿命方面有较大的提升空间。相较于锂离子电池, 目前阻碍钠离子电池发展应用的瓶颈主要集中在其能量密度、循环寿命等方面。能 量密度方面,钠离子电池在 100-150Wh/kg 之间,而锂离子电池在 150-250Wh/kg 之间;循环寿命方面,钠离子电池为 2000+次,而锂离子电池为 3000+次。虽然钠 离子电池在能量密度、循环寿命等方面相对锂离子电池存在先天性不足,但是由于 钠离子电池具备成本优势,而且在倍率性能、低温性能和安全性能等领域优于锂离 子电池,因此未来钠离子电池有望应用于储能、低速电动车、电动船等对能量密度 要求较低,但成本敏感性较强的领域。


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