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  • 鈉離子電池汽車發(fā)布了,靠譜嗎?

    2018-06-25 22:13:15 電動汽車觀察家  點擊量: 評論 (0)
    6月20日,中國科學院物理研究所發(fā)布新聞稱,(全球)首輛鈉離子電池低速電動車在物理所園區(qū)內(nèi)示范演示,目前鈉離子電池的能量密度已達到120 Wh kg,是鉛酸電池的3倍左右。

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    6月20日,中國科學院物理研究所發(fā)布新聞稱,(全球)首輛鈉離子電池低速電動車在物理所園區(qū)內(nèi)示范演示,目前鈉離子電池的能量密度已達到120 Wh/kg,是鉛酸電池的3倍左右。“低成本鈉離子電池有望在低速電動車、電動船、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。”中科院物理所的官方報道這樣寫。

    鈉離子電池的前世今生

    聽慣了鋰離子電動車的吃瓜群眾不禁要問,什么是鈉離子電池?

    認識鈉離子電池,首先要知道堿金屬。按照百度百科的解釋,堿金屬是指在元素周期表中ⅠA族除氫(H)外的六個金屬元素,即鋰(Li)、鈉(Na)、鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)和鈁(Fr),而鈉和鋰都是堿金屬。由于二者的化學性質(zhì)相似,在鋰離子電池占據(jù)電動汽車市場主導地位的今天,鈉離子電池的問世應(yīng)該算不上是稀奇事。

    早期的鈉離子電池主要以Na/S為主,即鈉硫電池,化學反應(yīng)式為:

    2Na+xS=Na2Sx

    鈉硫電池中的電解質(zhì)是熔融狀態(tài)的鈉,所以要求運行溫度達到300度以上。一些業(yè)內(nèi)人士介紹,僅鈉硫電池的預(yù)熱就需要三天時間。

    另外,鈉硫電池的安全性偏低。鈉的化學性質(zhì)非常活潑,熔融狀態(tài)的金屬鈉遇到空氣或水都會劇烈反應(yīng),鈉硫電池導致的火災(zāi)通常只能用沙子覆蓋撲滅,但在清理燃燒灰燼時,鈉一旦接觸空氣又會死灰復(fù)燃。這是鈉硫電池無法大規(guī)模推廣的原因之一。

    常溫下鈉離子電池的研究,可以追溯到上世紀80年代,但是由于正負極材料難以匹配,鈉離子電池的研究一度停滯不前。

    進入21世紀,新能源行業(yè)的興起帶活了上游產(chǎn)業(yè),各種新興電池技術(shù)開始冒尖,常溫鈉離子電池也獲得了新生。這一時期,鈉離子相關(guān)的論文發(fā)表數(shù)量和新聞報道數(shù)量顯著增加——鈉離子電池開始獲得更多人的關(guān)注。

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    1994年至今,鈉離子電池相關(guān)的學術(shù)論文發(fā)表數(shù)量。

    鈉離子電池能套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)嗎?

    討論常溫下鈉離子電池的研究,不得不提到鋰離子電池,因為二者的工作原理十分相似,而鋰離子電池已經(jīng)在電動汽車市場上大獲成功。

    鈉離子電池和鋰離子電池都屬于濃差電池。濃差電池是由于電池中存在濃度差而產(chǎn)生電勢的電池,具體到鈉離子電池上,在充放電過程中,鈉離子不停脫、嵌于正、負極,在隔膜兩側(cè)形成濃度差,進而產(chǎn)生電勢。打個比方,鈉離子電池中電勢產(chǎn)生的過程,就像是離子要鉆到電極的“洞”里的過程。鋰離子電池也是如此。

    基于此,在一些業(yè)內(nèi)人士看來,鈉離子電池可以直接套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和原理——反正都是“離子鉆洞”,而且,鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)十分成熟,直接套用可以縮短研發(fā)周期,何樂而不為呢。

    但是,我對這種看法持保留意見。我認為,鈉離子電池可以套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu),但是難度較大。雖然鈉和鋰的化學性質(zhì)相似,但是物理性質(zhì)相差不少。

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    上圖為鋰的半徑,下圖為鈉的半徑。

    借用剛才解釋濃差電池時打的比方,既然離子要往洞里鉆,它的尺寸就不能過大,否則不但離子遷移的動作遲緩,還增大了“進洞”難度,即便硬擠進去,往復(fù)多次,就很有可能導致“山洞塌方”,鋰離子電池業(yè)內(nèi)稱之為“坍塌”或“崩塌”。

    上表顯示,鈉離子的半徑比鋰離子大30%左右,如果套用鋰離子的電池結(jié)構(gòu),很容易使電池的循環(huán)性能大打折扣,運行幾十次之后可能就徹底報廢了。

    另外,要談鈉離子電池套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu),必須先找到便宜好用的電極材料等。沒有這個大前提,套用是不現(xiàn)實的。

    鈉離子電池成本有優(yōu)勢嗎?

    鈉的地殼儲量巨大(在所有元素中排第6位),受資源限制較小,因此,價格比較穩(wěn)定。顯然,鈉的成本優(yōu)勢遠超鋰。

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    左圖為鈉離子電池常見的正極材料,右圖為常見的負極材料(橫坐標為克容量,縱坐標為標準電勢)

    但是,事實遠比表格中的數(shù)據(jù)復(fù)雜。

    在自然界中,鈉并不是獨立存在的,而是通常以鹽的形式呈現(xiàn)出來,最常見的是NaxMO2(M一般是鈷、鎳、鐵、錳、釩,或這幾種元素的混合)。因此,對電池成本影響最大的是材料中最貴(單價x含量)的元素,而不一定是價格較低的鈉。

    同時,制造鈉離子電池的電極材料也都不是天然存在的,必須靠后期提煉、加工和合成。因此,加工成本也是影響鈉離子電池價格的重要因素。

    目前,鋰離子電池的規(guī)模已經(jīng)十分龐大。亞化咨詢的研究表明, 2017年,中國鋰離子電池產(chǎn)量約為88.7GWh。那么,鈉離子電池是否能實現(xiàn)類似的規(guī)模化發(fā)展呢?

    我認為,在可預(yù)見的時期內(nèi),很難。

    第一,鈉離子電池沒有價格優(yōu)勢。雖然鈉離子的成本低于鋰離子,但在短期內(nèi),鈉離子電池不太可能撼動已經(jīng)形成規(guī)模的鋰離子電池,有限的市場需求不足以拉低鈉離子電池的價格。

    第二,鈉離子電池的安全性較差。現(xiàn)階段,鈉離子電池比鋰離子電池的循環(huán)壽命短,因此故障率較高、安全系數(shù)也比較低。再加上其標稱容量過高,一旦發(fā)生事故,后果更加嚴重。

    第三,鈉離子電池的回收難度大。如果鈉離子電池的材料成本低廉的假設(shè)成立,那么,材料可回收殘值也很低,這樣一來,就無法形成自循環(huán)的商業(yè)模式,而必須由額外的成本來驅(qū)動。

    當然,鈉離子電池的競爭力較弱,并不意味著我們要放棄研發(fā)。畢竟,新電化學體系的探索,是從0到1的突破,比在原體系去修正結(jié)構(gòu)的意義更大。研究人員遵循科學的客觀規(guī)律,穩(wěn)步推進,鈉離子電池也有希望獲得重大突破。

    但是,如果忽視客觀規(guī)律,單純?yōu)樽分鹄麧櫍蒙虡I(yè)化和資本化方式運作鈉離子電池系統(tǒng),勢必對技術(shù)本身造成負擔。就像幼年的孩子被寄予過高期望,反倒會影響他未來的發(fā)展。

    我倒希望,有企業(yè)家或有識之士,可以不計回報地為這項新技術(shù)投入研發(fā)資金,不急不躁,悉心照料,或許鈉離子電池會在不久的將來給我們帶來驚喜。

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    責任編輯:繼電保護

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