鈉離子電池

15分鐘充80%，寧德時(shí)代發(fā)布鈉離子電池，磷酸鐵鋰要完？

第一電動(dòng)大牛作者電動(dòng)星球News蟹老板 2021-07-29 19:55

預(yù)熱了許久之后，寧德時(shí)代終于在今天下午 3 點(diǎn)半，正式發(fā)布了旗下首款鈉離子電池。

目前市場(chǎng)上主流的磷酸鐵鋰、三元鋰甚至四元鋰電池，本質(zhì)上都是鋰離子體系的產(chǎn)物。

也正因如此，鈉離子，也就是搖椅式電池（金屬離子在正負(fù)極之間脫落、嵌入的過(guò)程保持穩(wěn)定離子形式，因此命名為搖椅）另一分支，在今天寧德時(shí)代發(fā)布會(huì)之前，就已經(jīng)獲得了巨量關(guān)注。

鈉離子電池和鋰離子電池有什么區(qū)別？鈉離子會(huì)取代鋰離子電池嗎？寧德時(shí)代的鈉離子電池什么時(shí)候商用，會(huì)應(yīng)用于什么領(lǐng)域？

和下午的發(fā)布會(huì)一樣，今天文章不長(zhǎng)，但信息密度會(huì)很高。

一、鈉離子電池前世今生

人類最早對(duì)鈉離子電池的探索，始于 19 世紀(jì)。

根據(jù)上面的元素周期表我們可以發(fā)現(xiàn)，鈉是距離鋰最近的同族金屬元素。同組意味著最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)也十分相似。因此，鈉和鋰這兩種元素都非常適用于搖椅式電池。

但一直到 20 世紀(jì) 70 年代，鈉離子電池的研究才開(kāi)始深入。而最早期設(shè)計(jì)用于鈉離子電池的電極材料，如 MoS2 二硫化鉬、TiS2 二硫化鈦等，性能表現(xiàn)都遠(yuǎn)不如鋰離子電池使用的電極。

另外，鈉元素本身，在搖椅式電池工作過(guò)程中的性能也不如鋰。

因?yàn)殁c離子要比鋰離子更大更重（分子量 22.9898vs6.941、原子半徑 186vs152pm），因此在脫離、嵌入正負(fù)極材料的時(shí)候，對(duì)材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求，也遠(yuǎn)高于鋰離子。

綜上所述，鈉離子電池的商用進(jìn)程遠(yuǎn)慢于鋰離子電池，直到 2010 年代前后才取得明顯進(jìn)展。

其中我國(guó)的鈉離子電池研究處于世界前列，中科海鈉在 2018 年已經(jīng)研發(fā)成功 150Wh/kg 單體能量密度，并且可商用的鈉離子電池，同時(shí)循環(huán)壽命號(hào)稱超過(guò) 4000 次。

而在實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，2015 年中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)研制成功單體能量密度 210Wh/kg的室溫鈉離子電池。

二、寧德時(shí)代的鈉離子電池

根據(jù)寧德時(shí)代研究院副院長(zhǎng)黃起森的表述，目前 CATL 第一代鈉離子電池，可以實(shí)現(xiàn)160Wh/kg 的單體能量密度，同時(shí)電池系統(tǒng)集成效率可以達(dá)到 80% 以上。

由于鈉離子和鋰離子電池本質(zhì)上屬于「同宗」，因此前者同樣擁有較高的快充性能，黃起森表示鈉離子電池充電 15 分鐘可補(bǔ)充至 80% 電量。

另外，寧德時(shí)代的鈉離子電池還擁有 3000 次以上的循環(huán)壽命，以及零下 20℃ 依然擁有 90% 以上放電保持率的低溫性能。

上文提到，鈉離子和鋰離子在搖椅反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)正負(fù)極材料穩(wěn)定性要求不同。因此鈉離子電池適配的正負(fù)極材料，也不再是鋰離子電池的多元鋰/磷酸鐵鋰+石墨。

寧德時(shí)代的用詞非常謹(jǐn)慎，對(duì)鈉離子電池正極材料的形容是「具有潛在商業(yè)化價(jià)值」——包括普魯士白和層狀氧化物兩種，寧德時(shí)代的選擇是普魯士白。

普魯士白又稱 Williamson 白,簡(jiǎn)稱 PW，化學(xué)名稱叫亞鐵氰化亞鐵，是普魯士藍(lán)（Prussian Blue，亞鐵氰化鐵）的還原產(chǎn)物，在電催化和傳感器方面均有很高的應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)發(fā)布會(huì)的信息，寧德時(shí)代對(duì)材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過(guò)程中容量快速衰減的難題。

至于負(fù)極，寧德時(shí)代的選擇是硬碳，硬碳是指難以被石墨化的碳，是高分子聚合物的熱分解。發(fā)布會(huì)上寧德時(shí)代表示其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性。

黃起森表示，由于鈉離子無(wú)法像鋰離子一樣在石墨層間自由穿梭，具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料就成為了優(yōu)選。寧德時(shí)代選用的硬碳材料，每克能量密度達(dá)到了 350mAh，已經(jīng)非常接近石墨。

P.S. 目前日本東京理工大學(xué)已經(jīng)研發(fā)出了高達(dá) 478mAh 克容量的硬碳材料，但暫時(shí)還未有商用消息。

總結(jié)一下，寧德時(shí)代表示他們的第一代鈉離子電池，具有高能量密度、高倍率充電、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的低溫性能與高集成效率等優(yōu)勢(shì)。

另外，寧德時(shí)代還發(fā)布了鈉離子電池+鋰離子電池混搭的 AB 電池方案。按照特定的比例，將鈉離子模組和鋰離子模組封裝在同一電池包。

有意思的是，發(fā)布會(huì)上給出的 AB 電池示意圖，鈉離子模組遠(yuǎn)多于鋰離子模組?？磥?lái)寧德時(shí)代對(duì) AB 電池的定義，是希望用鋰離子做補(bǔ)充，保證成本優(yōu)勢(shì)的前提下提升能量密度？

至于時(shí)間表，寧德時(shí)代表示鈉離子電池的基本產(chǎn)業(yè)鏈，預(yù)計(jì)會(huì)在 2023 年建成。

三、鈉離子電池應(yīng)該用在哪？

文章寫(xiě)到這里，一個(gè)事實(shí)應(yīng)該很清楚了：鈉離子電池能量密度不高。

第一代鈉離子電池單體能量密度為 160Wh/kg，這個(gè)成績(jī)僅和目前量產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池相當(dāng)。

即使寧德時(shí)代表示，第二代鈉離子電池單體能量密度可以達(dá)到 200Wh/kg，它和已經(jīng)沖上 300Wh 的三元/四元鋰電池相比，依然有非常大的距離。

但和磷酸鐵鋰能量密度相當(dāng)?shù)那疤嵯?，鈉離子電池的低溫性能、充電速度遠(yuǎn)要更好，同時(shí)熱穩(wěn)定性不比 LFP 差。

因此，目前汽車業(yè)界對(duì)鈉離子電池的希望，更多是取代磷酸鐵鋰電池，成為未來(lái)入門和主流價(jià)位車型的電池選擇。需要超高能量密度的中高端車型，則依然屬于高鎳路線，甚至固態(tài)電池。

但寧德時(shí)代的算盤，并不想只在汽車領(lǐng)域敲。

一個(gè)月之前的 6 月 23 日，搭載寧德時(shí)代磷酸鐵鋰電池的全球首臺(tái) 120 噸級(jí)純電動(dòng)交流傳動(dòng)礦用自卸車，在湘電集團(tuán)成功下線，并擬于 7 月在礦山場(chǎng)景試運(yùn)營(yíng)。

20 天前，也就是 7 月 9 日，寧德時(shí)代與河南躍薪的新合資公司躍薪時(shí)代正式成立，專攻電動(dòng)無(wú)人礦山領(lǐng)域。寧德時(shí)代持股比例超過(guò) 30%，是公司的第二大股東。

更早一段時(shí)間，4 月 28 號(hào)，由中船集團(tuán) 708 研究所設(shè)計(jì)+深圳海事局建設(shè)的海上危險(xiǎn)品應(yīng)急指揮船「深海 01」，在廣州黃埔文沖船舶有限公司下水——這也是中國(guó)首艘使用鋰電池作為混合推進(jìn)動(dòng)力的海上公務(wù)船。

「深海 01」的電池供應(yīng)商就是寧德時(shí)代。

礦車、船舶等大型乃至超大型載具的電動(dòng)化，目前仍處于藍(lán)海。

根據(jù)寧德時(shí)代公布的信息，120 噸級(jí)的自卸車從燃油驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電動(dòng)，每年可以減排二氧化碳 1500 噸，補(bǔ)能費(fèi)用降低 50%，維護(hù)保養(yǎng)成本降低 20%。

而根據(jù)中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊的報(bào)道，一臺(tái)電動(dòng)礦卡每年能節(jié)約能源費(fèi)用 30 萬(wàn)元，基于電動(dòng)化的無(wú)人礦山解決方案，可以提升全國(guó)礦山生產(chǎn)效率 30%，節(jié)約采礦成本 46%。

碳中和時(shí)代，巨型交通運(yùn)輸工具的電動(dòng)化已經(jīng)箭在弦上。

對(duì)于滿載重量最高可以超過(guò) 800 噸的自卸車，乃至更大的船舶來(lái)說(shuō)，電動(dòng)化需要的電池容量也許不再是 kWh，而是 MWh 級(jí)別。

想要?jiǎng)裾f(shuō)這個(gè)行業(yè)使用如此龐大的電池，成本和充電速度都非常重要，反而能量密度，或許不是關(guān)鍵要求。