鈉離子電池中沒有貴重金屬,鈉元素也是含量極其豐富的資源,這注定了其成本比鋰電池低。

中科海納圖

中科海納資料圖片

最近,寧德時代董事長曾毓群在公司股東大會上透露,將于今年7月前后發布主要應用于儲能或低速新能源汽車的鈉離子電池。他稱:“我們的技術在發展,鈉離子電池已成熟了?!?/p>

事實上,在今年年初召開的“第七屆中國電動汽車百人會論壇”上,中國工程院院士陳立泉就曾發表主題演講,重點提到了中國科學院物理研究所研究員胡勇勝團隊所研發的鈉離子電池。

據《中國汽車報》記者了解,胡勇勝在鈉離子電池研發上已堅守10余年。功夫不負有心人,2018年,他的研發終于有了成果,當時記者就曾對其進行獨家專訪。

3年過去了,鈉離子電池應用情況如何?胡勇勝告訴記者,他們已獲得風險投資,并創立中科海鈉科技責任有限公司(以下簡稱“中科海鈉”),借此把鈉離子電池的研發成果推向市場?!敖涍^不懈努力,我們解決了鈉離子電池的生產一致性問題,掃清了商業化應用的障礙?,F在,公司在山西已建立一條年產2000噸正負極材料生產線,準備大規模投入市場應用?!?/p>

鈉離子電池有自身獨特優勢

評價電池的商業前景,產品的能量密度、安全性、經濟性、生產工藝等指標都是必須考量的因素。就能量密度而言,鈉離子電池相比鋰離子電池沒有優勢。在元素周期表中,鈉的原子量為23,鋰的原子量是7,不足鈉元素的1/3,理論上鋰離子電池的能量密度天然勝過鈉離子電池。不過,能量密度不是決定電池商業前景的惟一因素。胡勇勝強調:“鈉離子電池有自己獨特的優勢?!?/p>

胡勇勝向記者展示了鈉離子電池安全檢測視頻:工作人員先用儀器檢測電量,結果顯示這是一顆滿電的產品;再把電池包剪開放入水中,氣泡緩慢冒出來,但沒有出現劇烈的化學反應。這與鋰電池反差很大,我們在試驗中看到鋰電池遇水即發生劇烈化學反應。據介紹,鈉離子電池在針刺時不冒煙、不起火、不爆炸;經受短路、過充、過放、擠壓等試驗,也不起火燃燒。他認為:“相比鋰電池,鈉離子電池的安全性高很多?!?/p>

“鋰電池不能過充、過放,對BMS(電池管理系統)的要求較高;鈉離子電池也不能過充,但可以過放,即把電池中的電量全部放完,這有利于BMS調整電池的一致性?!焙聞僬f。據了解,鋰電池使用一段時間之后,各個電芯充放電情況不同,導致它們的容量不同,需要通過BMS進行調控才能確保一致性。如果鈉離子電池中的電芯出現容量差,可以把整個電池包的電量放完,讓所有電芯歸零后處于同一水平,BMS一致性的調控變得相對簡單。胡勇勝告訴記者:“鈉離子電池可以過放的特性,在電池運輸上特別有用,不帶電運輸能極大地降低發生事故的概率?!?/p>

鈉離子電池中沒有貴重金屬,鈉元素也是含量極其豐富的資源,這注定了其成本比鋰電池低。胡勇勝說:“鋰電池的價格大約為0.6元/Wh,鈉離子電池的價格只要0.4元/Wh。更重要的是,鈉離子電池降低了我國鋰資源的對外依存度,有利于電池產業安全?!庇匈Y料顯示,我國生產電池的鋰材料80%依賴進口,對外依存度比石油還高。

此外,鈉離子電池在功率密度、寬溫和循環壽命等方面也具有獨特優勢。據悉,鈉離子電池的能量密度已達到145Wh/kg,比磷酸鐵鋰的180Wh/kg低一些,但遠高于鉛酸電池的30Wh/kg。鈉離子電池的工作溫度為-30℃~55℃,比磷酸鐵鋰優秀,循環4500次以上,這個成績高于磷酸鐵鋰。

找到關鍵材料突破產業化瓶頸

如今,在資本的助力下,鈉離子電池產業化進程正在加速。記者了解到,中科海鈉在江蘇建立了第一條生產線,開展鈉離子電池年產百噸級正負極材料體系和百萬Ah電芯的中試規模驗證,經過不懈努力終于結出碩果。胡勇勝表示,鋰電池對一致性要求比較高,鈉離子電池也是如此。目前,中科海鈉已解決了產品一致性難題?!拔覀冇衷谏轿鹘⒘艘粭l年產2000噸正負極材料生產線?!彼€告訴記者,鈉離子電池生產線可以利用現有的鋰電池生產線,“不久前,我們使用鋰離子電池生產線生產了8萬支鈉離子電池?!?/p>

全球多個國家開展了鈉離子電池的研發,胡勇勝的團隊率先將這一技術實現產業化的關鍵,在于獨辟蹊徑地找到了具有商業化前景的材料。據介紹,在鈉離子電池研發中,國外一些研究人員沿用了鋰電池三元材料的思路,正極材料使用鎳、鈷、錳。對于這一做法,胡勇勝并不看好:“如果僅把目前鋰離子電池體系的鋰元素替換成鈉元素,鈉離子電池的成本只能比鋰離子電池成本降低5%~10%,而鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低,這就沒有商業化前景了?!?/p>

胡勇勝通過研究發現,銅在鈉離子電池中不但具有活性,而且其成本比鈷和鎳都低,這恰恰是他不斷尋求的替代材料。經過不斷摸索,胡勇勝帶領團隊最終成功研制出銅基鈉離子層狀氧化物正極材料。

解決了正極材料還不算成功,負極材料的難關也要攻克。鋰電池普遍采用石墨作為負極材料,但胡勇勝研發的鈉離子電池使用了成本更低的軟碳材料;此外,還以同樣成為較低的無煙煤作為前驅體,通過簡單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優異儲鈉性能的碳負極材料。

更適于低速電動車和儲能

在新能源汽車領域有一件事一直懸而未決,那就是低速電動汽車該如何管理。最近,關于低速電動車“轉正”的傳言又起?!吨衅屑冸妱映擞密嚰夹g條件標準修訂討論會會議紀要》日前流傳于網絡。這份紀要強調堅持“三個不變”原則:一是國務院“規范一批、淘汰一批、升級一批”的思路不變;二是安全要求不變;三是整體框架不變。

低速電動車主打廉價牌,轉而配套鋰電池后將拉低市場競爭力,而鈉離子電池似乎提供了一種解決辦法。鈉離子電池的能量密度遠高于鉛酸電池,成本比鋰電池低40%,有較強的市場競爭力。在胡勇勝看來,配套鈉離子電池或許能解決低速電動車多年來面臨的發展與監管難題。

此前,北京某儲能電站起火爆炸事故不是個例。據不完全統計,2011~2021年,全球共發生32起儲能電站起火爆炸事故,其中,日本1起、美國2起、比利時1起、中國3起、韓國24起。這些涉事儲能電站全部使用鋰電池。一直以來,政府相關部門都在強化對儲能電站的安全要求。胡勇勝告訴記者:“綜合比較來看,鈉離子電池也非常適合儲能電站,除了能量密度低一點外,安全性、循環周期等指標完勝鋰電池?!?/p>

據悉,胡勇勝對研發的鈉離子電池正負極材料、電解液等關鍵材料體系和電芯制造、裝配工藝等都擁有完全的自主知識產權,產品核心專利已獲得中國、美國、歐盟等多個國家和地區的授權。他告訴記者,鈉離子電池不僅在國內市場需求很大,在印度、東南亞、非洲、南美洲等地也有廣闊的市場空間?!拔覀兪紫攘⒆銍鴥仁袌?,站穩腳跟后再走向海外市場?!焙聞僮詈髲娬{。

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