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钠离子正式加入电池化学“内卷”

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钛媒体 App 2021-08-01 11:27 抢发第一评

图片来源@视觉中国

文 | 雷科技leitech

碳中和的时代即将到来,而新能源汽车电池在能量密度、成本以及安全方面的问题却迟迟得不到根本的解决。对此,小雷曾经不止一次地吐槽过新能源车企在解决能量密度和电池安全等问题时走错了方向。

在小雷看来,物理结构的优化只是治标不治本,只能缓解消费者对安全和续航的需求,只有从化学层面出发才能真正突破瓶颈,彻底解决目前动力电池所面临的种种问题。

如今,宁德时代直面化学本质的研发成果来啦!7月29日,宁德时代成功举行了首场线上发布会,其董事长曾毓群在会上发布了宁德时代的第一代钠离子电池。同时,锂钠混搭电池包也在发布会上进行了首次亮相。

研发钠离子电池有何难点?

人们早在19世纪70年代就开始了对钠离子电池的研究,所以其实钠离子电池并不算是什么高科技产物,而且钠离子电池有着与锂离子电池非常相似的工作原理,它们都是通过钠(锂)离子在正负极之间的嵌入、脱出实现电荷转移。

只不过相较锂离子,钠离子的体积比较大,在材料结构稳定性和动力学性能方面的要求更加严苛,这也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。然而,伴随着锂离子电池近二十年的应用和推广,人们对钠离子电池的研究也迅猛增加,并且对其正负极材料也进行了许多的探索。

在正极材料方面,宁德时代采用了目前具有潜在商业化价值的普鲁士白以及层状氧化物两类材料。它通过构建高通量材料集成计算平台,并且对材料表面进行重新设计,解决了材料在循环过程中容量快速衰减这一难题,使创新的材料克容量达到了160mAh/g,与现有的锂离子电池正极材料相当,具备了产业化的条件。

在负极材料方面,由于钠离子无法像锂离子一样在石墨层间自由穿梭,于是宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料。这种硬碳材料克容量可达350mAh/g以上,还具备优异的循环性能,能够让大量的钠离子存储和快速通行,让整体性能指标与现有的石墨是相当的。另外,为了适配全新研发的正负极材料,宁德时代还研发出了新型独特的电解液体系。

按照宁德时代在发布会上的说法,第一代钠离子电池基于材料体系的一系列突破,已经具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。

尽管宁德时代宣称其第一代钠离子电池的电芯单体能量密度已经达到了160Wh/kg,是目前全球最高水平,但是在小雷看来,这个所谓的高能量密度还要看跟谁比较。

相较于能量密度已经能够达到300Wh/kg的三元/四元锂电池,宁德时代第一代钠离子电池的能量密度仅仅是前者的一半而已。即便将来宁德时代的第二代钠离子电池的能量密度会达到200Wh/kg,那么它的能量密度相较于今天的三元锂电池也还有一定的差距。

那么问题来了,宁德时代为什么要煞费苦心地研发一款在能量密度方面如此鸡肋的产品呢?下面,我们来看看第一代钠离子电池的其它优势。

钠离子电池有何优势?

续航、快充以及安全可以看做是动力电池发展的三大要素。而如今纯电动汽车就经常会因为“充电的速度比燃油车加油的速度慢”而饱受消费者诟病。

由此可见,钠离子电池的快充性能很大程度就决定了它的发展潜力。第一代钠离子电池在常温下充电15分钟,电池电量就可以达到80%,快充性能比目前主流的磷酸铁锂电池有过之无不及。

其次,单纯以国内的用车环境来看,由于目前的动力电池低温性能表现普遍较差,导致了纯电动汽车并不受北方的消费者待见,而宁德时代的第一代钠离子电池即便是在零下20°C低温的环境下,也仍然有90%以上的放电保持率,低温性能要远高于磷酸铁锂电池。

宁德时代的第一代钠离子电池在系统集成效率方面,也可以达到80%以上,更加方便进行物理结构方面的优化。在安全方面,它优异的热稳定性已经超越了国家动力电池强标的安全要求。

值得一提的是,钠离子电池虽然在能量密度方面不如三元锂电池,但是它在材料成本方面却要远低于三元锂电池。根据中科海纳数据显示,从资源储备上来看,钠资源在全球各地都有分布,并且国内就有丰富的钠资源储备,价格在2元/kg左右;而全球约75%锂资源都分布在美洲,价格高达150元/kg左右。

为了尽可能降低整车售价,提升竞争力,降本就成为了大多数车企的主要手段。为了降低电池成本,如今已经有不少新能源车企在其低配车型上装配成本更低的磷酸铁锂电池。而钠离子电池得益于钠材料的成本更低,所以它的成本通常会比锂离子电池还要低30%-40%。

数据来源:中科海纳官网 前瞻产业研究院整理

总体来看,宁德时代的第一代钠离子电池除了在能量密度方面低于目前的三元锂电池以及磷酸铁锂电池之外,它无论是在快充性能、低温性能、系统集成效率还是电池成本方面都具有明显的优势。

然而,动力电池作为新能源汽车的核心部件之一,任何短板都有可能成为它发展的拦路石。那么,宁德时代又是如何规避钠离子电池能量密度不足这块短板的呢?

锂钠混搭取长补短

为了规避钠离子电池在能量密度方面的不足,最大程度的发挥它的低温性能、快充性能以及成本优势,宁德时代在电池系统集成方面还开发了AB电池解决方案。这套集成方案可以实现钠离子电池与锂离子电池的集成混合共用。

宁德时代将钠离子电池与锂离子电池同时集成到同一个电池系统里,并且将两种电池按一定的比例和排列进行混搭,串联、并联集成,然后通过BMS的精准算法进行不同电池体系的均衡控制。

这套AB电池解决方案既可以在钠离子电池与锂离子电池之间取长补短。既弥补了钠离子电池在现阶段的能量密度短板,也发挥出了它高功率、低温性能的优势,这样的锂-钠电池系统,就能适配更多应用场景。

另外,根据宁德时代研究院副院长黄起森博士介绍,钠离子电池在制造工艺方面可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的完美兼容,生产线可进行快速切换,能够完成产能快速布局。目前,宁德时代已启动钠离子电池产业化布局,2023年将形成基本产业链。

总结

在小雷看来,钠离子电池除了能够以“配料”的形式与锂离子电池相结合来实现互补之外,成本低,但是能量密度不高的特性或许能让它在低速电动车上发光发热。要知道,低速电动车对电池能量密度的要求并不高,并且还降本高手。当低速电动车正式合法化之后,材料成本能力压三元锂电池,多方面的性能又能碾压磷酸铁锂电池的钠离子电池的发展前景也将不可限量。

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