鈉電池 vs 鋰聚合物電池哪個(gè)好?
近期,“鈉電池”(Sodium-ion battery)的新聞?dòng)值搅宋覀兊囊曇袄铮陔姵亟缬窒破鹆艘魂嚐岢?。有人說鈉電池將會(huì)是“國貨之光”,未來的希望,也有人說這是一場科技騙局,到底是怎么一回事?鈉電池會(huì)取代現(xiàn)有的鋰離子、鋰聚合物電池嗎?今天來給大家講解一下其中的緣由。
什么是鈉離子電池?
其實(shí)早在上世紀(jì)八十年代,已經(jīng)開始了對鈉離子電池的研究。早期被設(shè)計(jì)開發(fā)出來的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學(xué)性能不理想,發(fā)展非常緩慢。
鈉離子電池(Sodium-ion battery),是一種二次電池(充電電池),主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作,與鋰離子電池工作原理相似。
(圖片來源于網(wǎng)絡(luò),侵刪)
正如我剛剛所說的,鈉電池和鋰電池都不是近兩年才被發(fā)現(xiàn)的,甚至可以說這兩種在上世紀(jì)八十年代時(shí)候的關(guān)注度不相伯仲,然而由于各種原因?qū)е骡c電池淡出了人們的視野。
在元素周期表中,鈉和鋰是距離最近的同族金屬元素,化學(xué)性質(zhì)極為相似,應(yīng)用在電池中最外層的電子數(shù)完全一致,鋰離子電池和鈉離子電池在充放電反應(yīng)中的攜帶電量也是一致的。
為什么“鈉電池”一直銷聲匿跡?是因?yàn)榧夹g(shù)不成熟嗎?
其實(shí)并不是,鈉電池的技術(shù)原理早已成熟,在當(dāng)時(shí)就形成了完整的體系。這兩種電池的技術(shù),都是利用金屬離子作為電荷載體,這個(gè)傳輸過程中,電荷搭載著金屬離子在正極和負(fù)極之間傳輸,從而來實(shí)現(xiàn)電池的充放電。而兩者在傳輸效率上來看,由于充放電反應(yīng)中攜帶的電量是一致的,其傳輸效率也是一致的。
一、鈉電池的優(yōu)勢
鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽,相較于鋰而言儲(chǔ)量更豐富,價(jià)格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大,所以當(dāng)對重量和能量密度要求不高時(shí),鈉離子電池是一種劃算的替代品。與鋰離子電池相比,鈉離子電池具有的優(yōu)勢有:
1、鈉鹽原材料儲(chǔ)量豐富,價(jià)格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,原料成本降低一半;
(圖片來源于網(wǎng)絡(luò),侵刪)
2、由于鈉鹽特性,允許使用低濃度電解液(同樣濃度電解液,鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液20%左右)降低成本;
3、鈉離子不與鋁形成合金,負(fù)極可采用鋁箔作為集流體,可以進(jìn)一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;
4、由于鈉離子電池?zé)o過放電特性,允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg,可與磷酸鐵鋰電池相媲美,但是其成本優(yōu)勢明顯,有望在大規(guī)模儲(chǔ)能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。
目前新能源汽車的主要成本來源之一就是電池,鈉離子電池的幾大優(yōu)勢都與成本有關(guān),可見有望降低未來新能源汽車的整體成本,但其劣勢也是十分明顯的:能量密度低
能量密度:鈉離子電池 vs 鋰離子電池
在鈉離子和鋰離子的體積質(zhì)量方面,鈉的體積是超過了鋰的三倍以上,直徑也是更大,也就是說,電池的能量密度遠(yuǎn)低于鋰電池,就像是你的車上塞進(jìn)了幾個(gè)大箱子,放幾個(gè)就放不下了,但如果我換成了小箱子,我能把車子里塞得滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)摹?/p>
(圖片來源于百度知道,侵刪)
從我們在網(wǎng)上看到的數(shù)據(jù)來看,目前的鈉離子電池的能量密度約在80~100Wh/kg,在2017年研制出了150Wh/kg的鈉離子電池。而最近使用各種空間壓縮方案,和針對新能源車方案的鈉電池及鋰電池串聯(lián)、并聯(lián)集成的混搭設(shè)計(jì),成功把該電池的能量密度搶救到了160Wh/kg左右,實(shí)話實(shí)說,已經(jīng)可以與磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)相媲美,有望取代在儲(chǔ)能領(lǐng)域上占據(jù)依舊的鉛酸電池的市場。
鉛酸蓄電池
雖然如此,鋰離子電池卻能夠比鈉離子電池有更高的能量密度,而且更小巧輕薄,這是目前鈉電池在先天上不如鋰電池的地方。
二、聚合物鋰電池的優(yōu)勢
1、能量密度
相比之下,格瑞普Grepow的聚合物鋰電池(Lithium Polymer battery)已經(jīng)在單體能量密度上達(dá)到了268Wh/kg的水平,其三元鋰電池(NMC811)已經(jīng)達(dá)到了275Wh/kg,循環(huán)次數(shù)達(dá)到500次的程度。
2、超快充技術(shù)
在鈉電池的技術(shù)突破上,在充電方面,鈉離子電池在常溫下僅需要15分鐘就能充電至80%以上。以目前格瑞普的鋰電池技術(shù),聚合物鋰電池同樣可以達(dá)到最高5C的超快充水平,與該鈉電池的充電時(shí)間不相伯仲,而且高倍率的磷酸鐵鋰電池在20分鐘左右充到80%以上也是完全沒有問題的。
3、形狀自由度
另外,以軟包疊片工藝制作的聚合物鋰電池,在重量、形狀和大小上,能夠制作成各種不同形狀,也被稱作是:異形電池(Shaped battery)。
格瑞普疊片軟包電池及異形電池
從目前的市場情況上來看,鈉電池的實(shí)際應(yīng)用方面,遠(yuǎn)不如鋰電池,而且由于市場導(dǎo)向?qū)е骡c電池要落后于鋰電池,且缺乏成熟的產(chǎn)業(yè)鏈,前期成本也是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于生產(chǎn)鋰電池的投入。
三、結(jié)論
因此,在這些優(yōu)劣勢的對比之下,在我看來,鈉電池確實(shí)有其龐大的市場,且在新能源汽車及儲(chǔ)能行業(yè)的普及下,將有望替代傳統(tǒng)的鉛酸電池市場,在鈷、鎳、碳酸鋰的價(jià)格不斷上漲的市場情況下,鈉鹽可以說是一股清流,可以幫助我國在新能源和儲(chǔ)能市場上占據(jù)一大優(yōu)勢。但我們不能因此否決鋰電池的特點(diǎn)和其優(yōu)勢,起碼在未來30到50年間,鋰電池依舊可能是無人機(jī)、智能穿戴、醫(yī)療和工業(yè)行業(yè)上的主流電池之一。
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