中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2021年11月8日，在鈉離子電池專家會(huì)議上，來自復(fù)旦大學(xué)的專家介紹了目前鈉電池技術(shù)背景和生產(chǎn)的進(jìn)展情況。
鈉離子電池的技術(shù)背景：
鈉離子電子的儲(chǔ)能機(jī)理和鋰離子電池是一樣的。都是利用離子在正負(fù)極之間的遷移來實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放。鈉離子本身也帶正電荷，但是鈉離子半徑比鋰大1/3，所以移動(dòng)比鋰慢，能量密度比離子鋰電池低。但是鈉資源非常豐富。鋰能源材料國(guó)內(nèi)非常少，主要靠進(jìn)口，未來的成本越來越高。鈉資源是鋰資源的1000倍，從成本看，比鋰礦多。但是鈉離子電池的技術(shù)還不成熟，目前主要工作還是在實(shí)驗(yàn)室。按資源優(yōu)勢(shì)，是最有可能成為替代鋰的資源。能量密度低，所以多能量密度要求高的就不適合，例如手機(jī)、筆記本電腦的應(yīng)用替代就不行，但是對(duì)儲(chǔ)能，電動(dòng)車，體積比較大的，能量密度要求比較低的還是有較大的市場(chǎng)需求。鈉離子電池未來不會(huì)一開始應(yīng)用在乘用車，因?yàn)樗麄儗?duì)能量密度要求高，但是電動(dòng)大巴可以。分布式儲(chǔ)能，電網(wǎng)的儲(chǔ)能，場(chǎng)景很大，有很大的應(yīng)用前景。
技術(shù)進(jìn)展方面：
從研發(fā)的角度，目前鈉電池的正負(fù)極材料借鑒了鋰離子電池的材料體系。經(jīng)過測(cè)試，正極還是用層狀電極材料類似鋰電里面的鋰鈷氧后者三元，這是將來有希望大規(guī)模生產(chǎn)的。另外的還有磷酸鹽體系，但如果要把磷酸鐵鋰變成磷酸鐵鈉，磷酸鐵鈉的儲(chǔ)鈉性能很差，所以可能要用其他的元素替代或者優(yōu)化，例如磷酸釩鈉或者磷酸錳鈉之內(nèi)的，但是也是磷酸鹽體系。另外就是普魯斯蘭類的體系，普魯斯藍(lán)類的光電循環(huán)比較穩(wěn)定，但是缺點(diǎn)是能量密度比較低，容量也比磷酸鹽和輪狀材料低。所以現(xiàn)在還沒有確定三大材料體系，哪個(gè)組好。負(fù)極在鋰電里面最成熟的是石墨。但是用石墨作為負(fù)極材料，性能非常差，不能做強(qiáng)大的用途。另外的硬碳材料做負(fù)極很不錯(cuò)，硬碳材料是一種稍微雜亂排列無定形的結(jié)構(gòu)材料。這種硬碳材料的儲(chǔ)鈉性能，目前的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果是可以和目前石墨處理的性能相媲美。所以現(xiàn)在負(fù)極方面最好的電池負(fù)極材料就是硬碳，但是硬碳還沒有大規(guī)模量產(chǎn)的生產(chǎn)商，但是有些生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)在布局硬碳的量產(chǎn)，但是準(zhǔn)確時(shí)間還不確定。
鋰電池的電解液用的是六氟磷酸鋰溶液，鈉電池用的是六氟磷酸鈉溶在碳酸鋰，運(yùn)行起來的效果很好。如果要用于高壓電的話，要用到高氯酸鈉，就是把溶解的鹽稍微換一下。但無論如何，和鋰電的電解液非常相近，溶劑不變。隔膜完全可以用和鋰電池一樣的隔膜。負(fù)極可以用鋁箔作為節(jié)流機(jī)，因?yàn)殇X箔比銅箔的成本要低很多，用鋁箔做負(fù)極可以降低集流體。集流體的制造工藝和鋰電的制造工藝也是非常的類似。
所以鋰電的生產(chǎn)線稍微調(diào)整一下就可以進(jìn)行鈉離子電池的生產(chǎn)，所以如果電池廠想要轉(zhuǎn)型，它的重置成本不會(huì)太大。現(xiàn)在量產(chǎn)最大的問題還是這是興起的技術(shù)，要從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化去推廣，他的技術(shù)穩(wěn)定性以及材料的成熟度不會(huì)很高。
Q&A
1. 低溫情況下鈉離子表現(xiàn)更好，現(xiàn)在是不是真的可以達(dá)到160wh/kg？
理論上可以達(dá)到。但是沒有給循環(huán)壽命的參數(shù)。目前的循環(huán)穩(wěn)定性不好。市面上電動(dòng)車要求2000次，但是現(xiàn)在研究只能是1000次。160wh/kg。快充15分鐘80%的電量，理論上沒問題。低溫情況更好由于沒有材料的組份和參數(shù)，所以保持懷疑。鈉電池體積比鋰電池大，動(dòng)力學(xué)性能會(huì)相對(duì)差一些，鈉離子的移動(dòng)會(huì)慢。鈉離子同時(shí)也存在受低溫的影響。一般來說鈉離子的低溫性能比鋰差，但是不知道寧德時(shí)代是否采用了新技術(shù)。
2. 循環(huán)壽命的主要影響因素是什么？循環(huán)壽命的指標(biāo)之后的提升空間有多大，然后大概預(yù)計(jì)可能在什么時(shí)候能滿足作為儲(chǔ)能電池的循環(huán)？
正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鈉離子可逆的拖嵌，正極材料是經(jīng)濟(jì)材料，這個(gè)材料可以發(fā)生變化。有些材料的相對(duì)穩(wěn)定性好，所以可以保持循環(huán)壽命。鈉離子的循環(huán)沒有其他的好，主要是體積過大，對(duì)材料結(jié)構(gòu)的破壞更大，從長(zhǎng)壽命來看可以達(dá)到1000次。但是這個(gè)問題在將來通過技術(shù)可以得到解決。可以使材料更加穩(wěn)定。未來3-5年，加起來可以循環(huán)3000-4000次沒有問題。
3. 如果都替換掉正負(fù)極材料，鈉離子替換鋰的話，成本比現(xiàn)在有多少下降？
現(xiàn)在鈉離子還沒有量產(chǎn)，現(xiàn)在主要還在實(shí)驗(yàn)室，材料花費(fèi)比現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化的鋰要高。
但進(jìn)行量產(chǎn)后，加入整個(gè)生產(chǎn)工藝和鋰電池持平，整個(gè)成本可以降低50%左右。但是現(xiàn)在還沒有確定正負(fù)極材料，所以無法估算。負(fù)極稍微比鋰稍微有點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。大的優(yōu)勢(shì)還是在正極，因?yàn)樵谡龢O里先對(duì)金屬離子方面，錳的相對(duì)性能更加穩(wěn)定，基于鈉錳氧的體系，里面再參入一些鎳或者鈷鐵之類的元素，并不會(huì)太貴。但是鋰電都在做高鎳，里面的鈷和鎳不能少，成本比錳高很多，但是用鋰錳氧，錳多的話性能就會(huì)很差。但是錳在鈉里面可以用做大量的穩(wěn)定元素，不用用鎳和鈷。用錳作為主要的金屬元素結(jié)合碳酸鈉，在量產(chǎn)以后，成產(chǎn)成本比現(xiàn)在的鋰電池會(huì)大幅度的降低。
4. 現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的鋰離子電池的公司，從技術(shù)上比較一下，有沒有什么公司是比較領(lǐng)先的？
主流的企業(yè)里，寧德時(shí)代的企業(yè)有團(tuán)隊(duì)做鈉離子電池，他們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)比較大，在布局的考慮會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)一些，他們現(xiàn)有鈉離子電池，也有新聞發(fā)布。所以他們的技術(shù)比較領(lǐng)先，另外很多高校現(xiàn)在都在做研發(fā)，例如中科院孵化了中科海納，專門做鈉離子電池。上海交大在紹興孵化了鈉創(chuàng)新能源，主要做儲(chǔ)能電池，也是初創(chuàng)的鈉離子電池公司。這兩個(gè)是專門做鈉離子電池的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)話的，不做鋰電池。寧德時(shí)代主業(yè)還是其他，只是做了點(diǎn)鈉方面的研發(fā)。
但是現(xiàn)在的鈉離子電池都并不成熟，盡管寧德時(shí)代說明后年會(huì)進(jìn)行量產(chǎn)，但是他們的產(chǎn)品應(yīng)該也只還處于實(shí)驗(yàn)室階段。
5. 中科海納開發(fā)出了一款鈉電池，能量密度大概145wh/kg，循環(huán)壽命可以達(dá)到4500次以上，你如何看？
循環(huán)壽命要看在什么條件下，一般來說循環(huán)2000次就很不錯(cuò)了，但是如果充電在80%的范圍內(nèi)充放電的話可以達(dá)到3000-4000次。循環(huán)的壽命高取決于充電的截止電壓，因?yàn)榻刂闺妷禾岣?.1伏，它的循環(huán)壽命會(huì)下降很多。中科海納的正極材料也是基于層狀材料，基于鈉錳氧的體系，里面做了些銅鐵鈷之類的元素?fù)诫s，負(fù)極用的也是硬碳。電解液用的也應(yīng)該是六氟磷酸鈉。
6. 國(guó)家在產(chǎn)業(yè)政策有什么具體措施？
國(guó)家層面很支持，但是還沒有具體措施。國(guó)家電網(wǎng)和科技部，布局了很多鈉電池項(xiàng)目和投入了資金鼓勵(lì)科研單位和企業(yè)申請(qǐng)。國(guó)家電網(wǎng)針對(duì)儲(chǔ)能難的應(yīng)用，包括風(fēng)電太陽(yáng)能的儲(chǔ)能站，鈉離子的需求都投入了經(jīng)費(fèi)研發(fā)。其他的暫時(shí)沒有，不過會(huì)陸續(xù)推出政策。
7. 鈉電池的制造設(shè)備和鋰電池有什么區(qū)別？
材料的制造設(shè)備幾乎一樣。只是把原材料換一下。鋰電的三元材料或者鈷酸鋰都是用工程電和固相法支配，正極材料生產(chǎn)線投入的原材料主要是碳酸鋰，氧化鎳，酸苯或者金屬鹽加上碳酸鋰或者氫氧化鋰。鈉電池里面就是金屬鹽不變，就是把碳酸鋰或者氫氧化鋰換成碳酸鈉和氫氧化鈉，但整個(gè)合成工藝是一樣的。對(duì)于正極的生產(chǎn)商來說，可以基本沿用目前的鋰電正極生產(chǎn)設(shè)備，但是具體的生產(chǎn)參數(shù)和條件上要做些調(diào)整。但是設(shè)備是基本相同的。石墨方面的差別也不會(huì)太大。電解液方面也基本類似，就是把溶解的六氟磷酸鋰換成六氟磷酸鈉，但和整個(gè)鋰電池的生產(chǎn)線差別不大。
8. 如果鈉離子能做固態(tài)電池的話，能量密度能提升多少？是不是性價(jià)比會(huì)更高一些？
鈉離子的固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)不太大。一方面它的技術(shù)成熟度目前來看還比較低，主要問題是鈉電池的固態(tài)電解質(zhì)沒有特別好的固態(tài)。而且現(xiàn)在固態(tài)電池也不是很成熟，這也是現(xiàn)在固態(tài)電池需要突破的壁壘。或者把電解液換成固態(tài)電解質(zhì)。但是固態(tài)電解質(zhì)至今沒有特別好的。正負(fù)極材料現(xiàn)在比較常用的就是層狀材料或者硬盤材料，但鈉離子的體積比例較大，在固體里面遷移更不容易，它的離子導(dǎo)電率在電解質(zhì)里面比較差。所以如果要做固態(tài)的鈉電池，就得先找離子遷移率比較高的。要研發(fā)出性能比較好的得5-10年。
9. 如果鈉電池找到好的電解質(zhì)，那能量密度能提高多少？
如果夠不到200wh/kg的話，那他對(duì)液態(tài)鈉離子電池的提升非常有限。做得好的話，可能達(dá)到150-180wh/kg。
電解液在電池里面的重量占到20%多，如果全部做成固態(tài)，做得好的話，可以做的很薄，整個(gè)能量密度也可以被優(yōu)化。但是固態(tài)電解質(zhì)不能被做的很薄，會(huì)有短路的風(fēng)險(xiǎn)，做厚的話，能量密度就會(huì)被降低。現(xiàn)在的鈉電池不太成熟，所以固態(tài)電池的性能現(xiàn)在看還是遠(yuǎn)低于液態(tài)鈉離子電池。正負(fù)極的容量，液態(tài)里面，可以發(fā)揮90%-100%的能量，但是固態(tài)里可能只能用到60%-70%。因?yàn)樯婕暗诫x子在固體里的遷移，電解液可以滲透到正負(fù)極里，所有正負(fù)極材料的顆粒都可以和電解液接觸。但是在固體里，就得要有一個(gè)離子的傳輸通道，但這樣在正負(fù)極里，可能會(huì)導(dǎo)致顆粒觸摸不到電解液正負(fù)極，正負(fù)極的利用率會(huì)打折，能量密度的提升也會(huì)有限。
10. 國(guó)外是否也有發(fā)展鈉離子電池的計(jì)劃，他們的進(jìn)展如何？
美國(guó)和歐洲現(xiàn)在都有一些研究項(xiàng)目，包括美國(guó)現(xiàn)在也專設(shè)了一些鈉離子電池的項(xiàng)目研發(fā)，但是美國(guó)的鈉離子電池的研發(fā)進(jìn)展總體上還是落后我國(guó)和韓國(guó)，現(xiàn)在中國(guó)和韓國(guó)是領(lǐng)先美國(guó)和歐洲的。
美國(guó)有幾家初創(chuàng)公司也想做鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化，但是他們的規(guī)模和技術(shù)都不如國(guó)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)。韓國(guó)的LG，三星和SKI也在布局，他們的進(jìn)度和中國(guó)差不多。
11. 當(dāng)鈉離子的技術(shù)成熟后，能夠占到的電池總裝機(jī)量比例是多少？
鈉離子的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在量產(chǎn)商體現(xiàn)出來，缺點(diǎn)是能量密度比鋰離子電池弱。它的應(yīng)用主要集中在儲(chǔ)能還有對(duì)能量密度要求不高的電動(dòng)工具例如低速電動(dòng)車，電動(dòng)大巴之類的。所以如果技術(shù)發(fā)揮在鈉成熟的話，它在儲(chǔ)能領(lǐng)域市占率能超過50%。但是在動(dòng)力電池方面，鈉離子電池很難占到比較高的市場(chǎng)份額，最多到20%。
12. 鈉離子電池和燃料電池誰可以更快更成熟的發(fā)展？
從技術(shù)成熟度上看，更看好鈉離子電池，因?yàn)楣に嚿吓c鋰離子電池非常類似，而鋰離子電池已經(jīng)非常成熟了，所以鈉離子電池推進(jìn)量產(chǎn)的過程會(huì)很快，2-3年之內(nèi)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈可以建立起來。
但燃料電池要大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用還是相對(duì)比較長(zhǎng)遠(yuǎn)的。燃料電池是解決能源問題的終極目標(biāo)，最后就是氫氧的反應(yīng)，非常的清潔，能量密度也很高。但是現(xiàn)在的瓶頸就是氫的儲(chǔ)存和釋放，以及燃料電池里面催化劑貴金屬的問題，貴金屬成本很難下降，也很難找到替代的薄催化劑技術(shù)。所以這兩個(gè)技術(shù)瓶頸很難在短期內(nèi)攻克。燃料電池真的成熟可能要到3/50年以后，制氫的成本可以下來。
13. 如果鈉離子原材料中國(guó)是可以完全自主提供，是不是不需要像鋰材料這樣大規(guī)模進(jìn)口？
鈉離子的原材料，中國(guó)的礦產(chǎn)足夠。
14. 鈉離子電池和鋰離子電池燃料燃料電池是否會(huì)并存？
可能性很大。因?yàn)槊總€(gè)技術(shù)都有它的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。鋰電池，燃料電池，鈉電池的技術(shù)和針對(duì)性場(chǎng)景都不一樣，所以并存的可能性非常大。包括鉛酸電池也不會(huì)退出市場(chǎng)。目前的鉛酸電池每年的量產(chǎn)和應(yīng)用都在增長(zhǎng)，只是增長(zhǎng)的沒有鋰電池快。
15. 鉛酸現(xiàn)在大規(guī)模用的還是什么地方？
儲(chǔ)能電站和燃油車的起停電池，這兩方面。因?yàn)樗募夹g(shù)成熟，產(chǎn)業(yè)循環(huán)也做得很好，電池回收等。雖然鉛有毒,有污染，但是收回循環(huán)做的好，也可以把污染規(guī)避掉。這個(gè)回收技術(shù)是現(xiàn)在的鋰電池還不具備的優(yōu)勢(shì)。但是大量的動(dòng)力鋰電池退役后，電池的回收利用也是存在的大問題。
