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钠电池会取代锂电池吗?

钠电池会取代锂电池吗?

来源:
互联网周刊
2019/04/19 09:03
浏览量
【摘要】:
时代永远在变,浪奔浪流,大浪淘沙。那么,问题来了,锂电池也会被时代淘汰吗?要回答这个问题,还需要看看锂电池的竞争对手钠电池到底行不行。

时代永远在变,浪奔浪流,大浪淘沙。

当数码相机成熟的时候,做相机胶卷的柯达被淘汰了。

当智能手机成熟的时候,做传统手机的诺基亚也被时代淘汰了。

那么,问题来了,锂电池也会被时代淘汰吗?要回答这个问题,还需要看看锂电池的竞争对手钠电池到底行不行。

 

锂电池的现状

自从40年前,约翰. 古迪纳夫(John B Goodenough)发明锂电池以来,锂电池变得越来越重要,它已经成为智能手机与电动汽车的标配。在国内也涌现了很多与锂相关的明星企业,比如做锂电池的宁德时代,比如提供锂矿资源的赣锋锂业。

 

但是锂资源在地球上十分稀少,在未来,锂资源也面临着像石油资源一样的枯竭危险。

 

而且提取锂的工艺也比较复杂,从盐湖里提取锂,需要用到萃取或者电渗析膜分离等技术,工艺繁琐而且成本较高。

 

从1980年出现钴酸锂电池技术,到1982年出现锰酸锂技术,到1991年索尼推出第一款商用锂电池,再到 1997年提出磷酸铁锂技术,此后的20年再没有新的锂电技术出现,锂电池本身也开始面临着增长的极限,尤其是使用寿命与能量密度的提高越来越困难,所以寻找新的替代技术有了天然的需求。

 

有没有锂电池替代产品呢?

 

也许是有的,那就是钠离子电池。

 

钠离子电池为什么有可能取代锂电池?

 

钠是地球上仅次于锂的第二轻的金属元素,从元素周期表中来看,钠与锂属于同一族元素,它们的化学性质相似,因此理论上钠也可以像锂一样用来做电池。当然了,钠的原子半径比锂要大很多,因为钠原子比锂原子要多8个电子,所以自然长得很胖。一旦长胖,就会有很多麻烦,比如它不能像锂那样嵌入到石墨中,而且它比锂要重很多,使得单位质量的电池储能就要比锂少。

 

但是,钠有一个优点——钠元素在地球上的含量非常高,它在地球上的含量是锂的几千倍。我们吃的食盐里就有大量的钠,海水中也有非常多的钠。正因为含量十分丰富,所以钠比锂要便宜很多。在市场上,作为锂原料的碳酸锂价格每吨需要几万元;而作为钠原料的氯化钠的价格每吨只要几千元。所以,作为电池来说,钠电池与锂电池相比的一个突出优点就是便宜,这对于产业化来说是一个非常核心的优势。因为产业界最关心的是成本。

 

当然,成本优势不等于技术优势,关键还要看钠是不是真的可以做电池。电池的正极材料、负极材料、电解液是三个基本的组成部分,这些对钠电池来说都没有原则性的困难。所以钠电池是可以存在的。以钠离子电池的负极材料为例,可以做负极的材料有很多种,研究的比较多的主要是硬碳材料。虽然硬碳的储钠机理目前还没有定论,而且不同的人做出的电池负极性能差异比较大,但这只是工艺问题,总有一天能做到标准化的。

 

实际上,钠离子电池的工作原理与锂离子电池没有太大的差别,利用的是钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时,钠离子从正极脱出经过电解质嵌入负极,同时电子补偿电荷经外电路供给到负极,保证正负极电荷平衡。放电时则相反,钠离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下,钠离子在正负极间的嵌入脱出不应该破坏电极材料的基本化学结构(当然在实际情况下可能会产生一定的记忆效应,也可能导致电极材料的老化)。

 

那么,钠离子电池有技术优势吗?有的人宣称在原理上,钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5——虽然目前这方面的公开数据并不是很充分,于是只能说这是潜在的优点。也有相关资料宣称,钠离子电池寿命超过10年,而通常锂离子电池使用寿命只有3-4年,不过对于这一点是存疑的,根据相关调研,钠离子电池的主要问题正是循环寿命不高,所以这是一个争议点。

 

中国首辆钠离子电池低速电动车已经问世

 

目前有定论的是,钠离子电池有成本低的优点,其他的技术优势则不太明显。那么这一领域目前的研发情况又是怎么样的呢?

 

作为一个有示范性意义的项目,2018年6月,中国首辆钠离子电池低速电动车在中国科学院物理研究所园区内示范演示——请注意,这里的关键词是“低速”。该辆低速电动汽车是由依托物理所钠离子电池专利技术成立的中科海钠科技公司推出的。在2017年,中国科学院物理研究所就以钠离子电池技术相关专利出资成立了中科海钠科技有限责任公司,中国科学院物理研究所陈立泉院士,胡勇胜研究员为技术带头人。随后,中科海钠公司在江苏溧阳准备建立产业化基地,加速推进钠离子电池商业化进程。

 

但是据了解,目前钠离子电池的能量密度只能达到120瓦时/公斤。所以,在能量密度这一技术指标上,钠离子电池还不能与锂离子电池相提并论,因为锂电池的能量密度300瓦时/公斤以上。

 

从能量密度的角度来说,现在的钠离子电池只能达到锂电池的一半以下,因此钠离子电池目前只能用在低速电动车、电动船、家庭储能等对能量密度要求较低的领域,目前还不能用钠电池做出高速电动汽车。用钠电池做电动自行车是比较合适的,比如中国长城旗下公司研发的钠离子电池组实现了电动自行车上的示范应用。

 

中国钠离子电池产业现状

 

中国科学院物理所参与的钠离子电动车只是一个演示性的项目。

 

但钠电池是一个新兴的产业,它可能还需要更多的研发才能绽放出时间的玫瑰。在目前的中国,钠电池的产业化的步伐正在加速。2019年1月,位于鞍山的辽宁星空钠电电池有限公司自主研发的钠离子电池近日进入量产阶段,世界上首条钠离子电池生产线投入运行,预计规模化生产后年产值超过100亿元。

 

除了企业界的努力,在学术界也还有很多研究团队在致力于钠电池的研发。比如南京理工大学夏晖教授在钠电池的锰基正极材料研究方面上取得了进展,相关成果发表在《自然·通讯》上。夏晖教授的研究团队找到的这种正极材料制成的钠电池电极比容量达到211.9毫安时每克,而目前市面上的锂电池正极材料比容量大约为140毫安时每克。不过,学院派对钠离子电池的研究主要是对各种水系电解质、有机系电解质和固态电解质以及相应的不同的正负极材料做排列组合,这些排列组合总可以做出比较高的比容量,但对产业界来说,核心问题还不是比容量的问题,核心问题是电池的循环寿命——也就是说这个电池能用多长的时间,能充电放电多少次,这个才是产业界最关心的。

 

所以,从产业情况来看,目前钠电池的产业化还停留在初级阶段,很多研究成果只是在高校与研究所流传,离真正落地还需要一定的时间——甚至有研究人员表示,在地球上的锂储量用完之前,钠离子电池根本没有机会。钠电池也可能像人工智能技术一样,一开始可能并不被人看好,只能在学院派里流传,但也许有一天会发生突变,迅速落地在产业界。这是很有可能的,所以钠电池实际上值得有前瞻思维的企业家与投资者高度关注。

 

钠离子电池是未来储能电池的重要发展方向之一。随着钠离子研发技术的不断进步,钠离子电池的商业化进程会不断加快,也许提前布局这一领域有望在新能源电池领域抢得先机。当然现在说钠离子电池取代锂电池似乎为时尚早。