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钠离子电池汽车发布了,靠谱吗?

供稿:中国工控网 2018/6/25 16:14:30
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6月20日,中国科学院物理研究所发布新闻称,(全球)首辆钠离子电池低速电动车在物理所园区内示范演示,目前钠离子电池的能量密度已达到120 Wh/kg,是铅酸电池的3倍左右。“低成本钠离子电池有望在低速电动车、电动船、家庭储能、电网储能等领域获得应用。”中科院物理所的官方报道这样写。

钠离子电池的前世今生

听惯了锂离子电动车的吃瓜群众不禁要问,什么是钠离子电池?

认识钠离子电池,首先要知道碱金属。按照百度百科的解释,碱金属是指在元素周期表中ⅠA族除氢(H)外的六个金属元素,即锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)和钫(Fr),而钠和锂都是碱金属。由于二者的化学性质相似,在锂离子电池占据电动汽车市场主导地位的今天,钠离子电池的问世应该算不上是稀奇事。

早期的钠离子电池主要以Na/S为主,即钠硫电池,化学反应式为:

2Na+xS=Na2Sx

钠硫电池中的电解质是熔融状态的钠,所以要求运行温度达到300度以上。一些业内人士介绍,仅钠硫电池的预热就需要三天时间。

另外,钠硫电池的安全性偏低。钠的化学性质非常活泼,熔融状态的金属钠遇到空气或水都会剧烈反应,钠硫电池导致的火灾通常只能用沙子覆盖扑灭,但在清理燃烧灰烬时,钠一旦接触空气又会死灰复燃。这是钠硫电池无法大规模推广的原因之一。

常温下钠离子电池的研究,可以追溯到上世纪80年代,但是由于正负极材料难以匹配,钠离子电池的研究一度停滞不前。

进入21世纪,新能源行业的兴起带活了上游产业,各种新兴电池技术开始冒尖,常温钠离子电池也获得了新生。这一时期,钠离子相关的论文发表数量和新闻报道数量显著增加——钠离子电池开始获得更多人的关注。

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1994年至今,钠离子电池相关的学术论文发表数量。

钠离子电池能套用锂离子电池的结构吗?

讨论常温下钠离子电池的研究,不得不提到锂离子电池,因为二者的工作原理十分相似,而锂离子电池已经在电动汽车市场上大获成功。

钠离子电池和锂离子电池都属于浓差电池。浓差电池是由于电池中存在浓度差而产生电势的电池,具体到钠离子电池上,在充放电过程中,钠离子不停脱、嵌于正、负极,在隔膜两侧形成浓度差,进而产生电势。打个比方,钠离子电池中电势产生的过程,就像是离子要钻到电极的“洞”里的过程。锂离子电池也是如此。

基于此,在一些业内人士看来,钠离子电池可以直接套用锂离子电池的结构和原理——反正都是“离子钻洞”,而且,锂离子电池技术已经十分成熟,直接套用可以缩短研发周期,何乐而不为呢。

但是,我对这种看法持保留意见。我认为,钠离子电池可以套用锂离子电池的结构,但是难度较大。虽然钠和锂的化学性质相似,但是物理性质相差不少。

钠离子电池汽车发布了,靠谱吗?

钠离子电池汽车发布了,靠谱吗?

上图为锂的半径,下图为钠的半径。

借用刚才解释浓差电池时打的比方,既然离子要往洞里钻,它的尺寸就不能过大,否则不但离子迁移的动作迟缓,还增大了“进洞”难度,即便硬挤进去,往复多次,就很有可能导致“山洞塌方”,锂离子电池业内称之为“坍塌”或“崩塌”。

上表显示,钠离子的半径比锂离子大30%左右,如果套用锂离子的电池结构,很容易使电池的循环性能大打折扣,运行几十次之后可能就彻底报废了。

另外,要谈钠离子电池套用锂离子电池的结构,必须先找到便宜好用的电极材料等。没有这个大前提,套用是不现实的。

钠离子电池成本有优势吗?

钠的地壳储量巨大(在所有元素中排第6位),受资源限制较小,因此,价格比较稳定。显然,钠的成本优势远超锂。

钠离子电池汽车发布了,靠谱吗?

左图为钠离子电池常见的正极材料,右图为常见的负极材料(横坐标为克容量,纵坐标为标准电势)

但是,事实远比表格中的数据复杂。

在自然界中,钠并不是独立存在的,而是通常以盐的形式呈现出来,最常见的是NaxMO2(M一般是钴、镍、铁、锰、钒,或这几种元素的混合)。因此,对电池成本影响最大的是材料中最贵(单价x含量)的元素,而不一定是价格较低的钠。

同时,制造钠离子电池的电极材料也都不是天然存在的,必须靠后期提炼、加工和合成。因此,加工成本也是影响钠离子电池价格的重要因素。

目前,锂离子电池的规模已经十分庞大。亚化咨询的研究表明, 2017年,中国锂离子电池产量约为88.7GWh。那么,钠离子电池是否能实现类似的规模化发展呢?

我认为,在可预见的时期内,很难。

第一,钠离子电池没有价格优势。虽然钠离子的成本低于锂离子,但在短期内,钠离子电池不太可能撼动已经形成规模的锂离子电池,有限的市场需求不足以拉低钠离子电池的价格。

第二,钠离子电池的安全性较差。现阶段,钠离子电池比锂离子电池的循环寿命短,因此故障率较高、安全系数也比较低。再加上其标称容量过高,一旦发生事故,后果更加严重。

第三,钠离子电池的回收难度大。如果钠离子电池的材料成本低廉的假设成立,那么,材料可回收残值也很低,这样一来,就无法形成自循环的商业模式,而必须由额外的成本来驱动。

当然,钠离子电池的竞争力较弱,并不意味着我们要放弃研发。毕竟,新电化学体系的探索,是从0到1的突破,比在原体系去修正结构的意义更大。研究人员遵循科学的客观规律,稳步推进,钠离子电池也有希望获得重大突破。

但是,如果忽视客观规律,单纯为追逐利润,用商业化和资本化方式运作钠离子电池系统,势必对技术本身造成负担。就像幼年的孩子被寄予过高期望,反倒会影响他未来的发展。

我倒希望,有企业家或有识之士,可以不计回报地为这项新技术投入研发资金,不急不躁,悉心照料,或许钠离子电池会在不久的将来给我们带来惊喜。

审核编辑(袁键灏)
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新闻来源: 互联网/OFweek

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