更便宜更安全!鈉離子電池會取代鋰離子電池嗎?

今年3月,專注鈉離子電池研發的北京中科海鈉科技有限責任公司(“中科海鈉”)宣佈完成來自梧桐樹資本的億元級A輪融資,將用於搭建年產能2000噸的鈉離子電池正、負極材料生產線。兩個月之後的寧德時代年度股東大會上,董事長曾毓群透露寧德時代將於今年7月前後釋出鈉離子電池。

一時之間,鈉離子電池引發了社會各界的關注,似乎有成為新能源領域下一行業風口之勢。鈉離子電池是一種什麼樣的電池,有何特點?與鋰離子電池相比,鈉離子電池有何優勢和劣勢,會否取代鋰離子電池?鈉離子電池未來的發展方向如何?有什麼樣的應用場景?本文將為您一一解答。

鈉離子電池為什麼突然火了?

鈉離子電池是一種二次電池(即可充電的電池),主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來產生電能,實現電池的工作,與鋰離子電池工作原理相似。

早在上個世紀七十年代末,學術界和工業界就開始了對鈉離子電池的探索,幾乎與鋰離子電池的研究工作同時開展,兩者可謂處在極其相近的“起跑線”上。受當時研究條件的限制,且與鋰離子電池相比,鈉離子電池存在能量密度、功率密度較低的劣勢,導致對鈉離子電池的研究一度處於緩慢甚至是停滯狀態。直至2010年前後,人們意識到鋰資源的短缺將嚴重限制鋰離子電池的發展,尋找可替代或部分替代鋰離子電池的下一代二次電池迫在眉睫。在此背景下,學術界終於又發起了新的一輪對鈉離子電池的研究熱潮,鈉離子電池也迎來了發展轉折點,成為繼鋰離子電池之後的另一儲能器件新星。

鈉離子電池有什麼優勢?

與鋰離子電池相比,鈉離子電池有著顯著的成本優勢:

①鈉資源的地殼丰度是鋰資源的423倍,且鈉資源在全球範圍內均有分佈,而鋰資源的分佈非常不均勻——75%分佈在美洲。因此鈉資源的價格遠遠低於鋰資源,僅為後者的1。33%;

②因為鈉不會和鋁發生反應,所以鈉離子電池的正負極集流體都可以使用更便宜的鋁箔,但是鋰會與鋁發生反應,因此鋰離子電池的負極集流體只能使用價格更高的銅箔;

③鈉離子電池的正極可採用廉價的過渡金屬,成本比鋰離子電池正極成本有所降低。綜合起來,鈉離子電池最終的成本可以比鋰離子電池少30~40%,這樣的成本優勢不可謂不大。

更便宜更安全!鈉離子電池會取代鋰離子電池嗎?

鈉離子電池的成本優勢(來源:中科海鈉官網)

除了成本優勢,鈉離子電池還能使用分解電勢更低的電解質鹽和溶劑,因此在電解質方面比鋰離子電池具有更寬的選擇範圍。另外,鈉離子電池的電化學效能相對穩定,使用過程中較鋰離子電池會更加安全。可以預見的是,鈉離子電池在未來的可持續發展性高於鋰離子電池。

鈉離子電池會替代鋰離子電池嗎?

即便鈉離子電池具備諸多優勢,也無法在未來完全替代鋰離子電池,因為鈉離子電池的能量密度上限低於鋰離子電池,在一些需要高能量密度電池的應用場景或裝置中,例如電動汽車、手機、膝上型電腦等,鈉離子電池並不太適用。

鈉離子電池的能量密度相較於鋰離子電池而言是一種劣勢,但是若將其與傳統的鉛酸電池相比,則是一種優勢。鉛酸電池的能量密度一般在30~50Wh/kg,而鈉離子電池的能量密度有100~150Wh/kg,是鉛酸電池的3~5倍。此外,鈉離子電池的工作電壓比高鉛酸電池的高0。7~1。4V,使用壽命是鉛酸電池的6倍以上。更重要的是,鈉離子電池是一種綠色電池,不會像鉛酸電池那樣對環境帶來一系列嚴重的汙染問題。因此,鈉離子電池完全可以替代現有的鉛酸電池。在鉛酸電池眾多的應用領域中(例如電動汽車、儀器儀表、電動玩具、觀光車、應急燈等),鈉離子電池均可以大展拳腳。

未來,伴隨著電力需求的大幅提升,電力結構的清潔化轉型亟需加速。低碳電源中水電和核電發展空間受限,光伏、風力發電將成為低碳電力的增長主力。然而光伏、風力發電等可再生能源有間歇性,發電不穩定,需與儲能器件和儲能系統相匹配。鈉離子電池由於其成本低廉、環境友好、寬溫度範圍適應性、安全效能好、較好的功率特性、良好的快充效能、相容鋰離子電池現有生產裝置等優勢可應用於大規模儲能應用場景,其中就包括光伏、風能等新能源接入儲能系統。

值得注意的是,鈉離子電池與鋰離子電池未來應該是同時存在、共同發展、部分替代、相互補充的關係。鋰離子電池可專注於高比能儲能領域,鈉離子電池可發揮其成本和規模優勢精耕於中、低比能應用場景,兩類電池的分工會逐漸明確。

隨著全球大規模儲能產業的飛速發展,作為鋰離子電池技術的重要補充,鈉離子電池將憑藉其獨特的優勢在儲能領域開拓出廣闊的用武之地,有望在低速電動車、家庭/工業儲能、資料中心、5G通訊基站、電動船、可再生能源大規模接入和智慧電網等多個領域快速發展,推動我國清潔能源技術應用的發展,提升我國在儲能技術領域的競爭力和影響力。

作者:華南農業大學農業生物環境與能源工程博士研究生張偉財

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