钠离子电池中没有贵重金属,钠元素也是含量极其丰富的资源,这注定了其成本比锂电池低。

中科海纳图

中科海纳资料图片

最近,宁德时代董事长曾毓群在公司股东大会上透露,将于今年7月前后发布主要应用于储能或低速新能源汽车的钠离子电池。他称:“我们的技术在发展,钠离子电池已成熟了。”

事实上,在今年年初召开的“第七届中国电动汽车百人会论坛”上,中国工程院院士陈立泉就曾发表主题演讲,重点提到了中国科学院物理研究所研究员胡勇胜团队所研发的钠离子电池。

据《中国汽车报》记者了解,胡勇胜在钠离子电池研发上已坚守10余年。功夫不负有心人,2018年,他的研发终于有了成果,当时记者就曾对其进行独家专访。

3年过去了,钠离子电池应用情况如何?胡勇胜告诉记者,他们已获得风险投资,并创立中科海钠科技责任有限公司(以下简称“中科海钠”),借此把钠离子电池的研发成果推向市场。“经过不懈努力,我们解决了钠离子电池的生产一致性问题,扫清了商业化应用的障碍。现在,公司在山西已建立一条年产2000吨正负极材料生产线,准备大规模投入市场应用。”

钠离子电池有自身独特优势

评价电池的商业前景,产品的能量密度、安全性、经济性、生产工艺等指标都是必须考量的因素。就能量密度而言,钠离子电池相比锂离子电池没有优势。在元素周期表中,钠的原子量为23,锂的原子量是7,不足钠元素的1/3,理论上锂离子电池的能量密度天然胜过钠离子电池。不过,能量密度不是决定电池商业前景的惟一因素。胡勇胜强调:“钠离子电池有自己独特的优势。”

胡勇胜向记者展示了钠离子电池安全检测视频:工作人员先用仪器检测电量,结果显示这是一颗满电的产品;再把电池包剪开放入水中,气泡缓慢冒出来,但没有出现剧烈的化学反应。这与锂电池反差很大,我们在试验中看到锂电池遇水即发生剧烈化学反应。据介绍,钠离子电池在针刺时不冒烟、不起火、不爆炸;经受短路、过充、过放、挤压等试验,也不起火燃烧。他认为:“相比锂电池,钠离子电池的安全性高很多。”

“锂电池不能过充、过放,对BMS(电池管理系统)的要求较高;钠离子电池也不能过充,但可以过放,即把电池中的电量全部放完,这有利于BMS调整电池的一致性。”胡勇胜说。据了解,锂电池使用一段时间之后,各个电芯充放电情况不同,导致它们的容量不同,需要通过BMS进行调控才能确保一致性。如果钠离子电池中的电芯出现容量差,可以把整个电池包的电量放完,让所有电芯归零后处于同一水平,BMS一致性的调控变得相对简单。胡勇胜告诉记者:“钠离子电池可以过放的特性,在电池运输上特别有用,不带电运输能极大地降低发生事故的概率。”

钠离子电池中没有贵重金属,钠元素也是含量极其丰富的资源,这注定了其成本比锂电池低。胡勇胜说:“锂电池的价格大约为0.6元/Wh,钠离子电池的价格只要0.4元/Wh。更重要的是,钠离子电池降低了我国锂资源的对外依存度,有利于电池产业安全。”有资料显示,我国生产电池的锂材料80%依赖进口,对外依存度比石油还高。

此外,钠离子电池在功率密度、宽温和循环寿命等方面也具有独特优势。据悉,钠离子电池的能量密度已达到145Wh/kg,比磷酸铁锂的180Wh/kg低一些,但远高于铅酸电池的30Wh/kg。钠离子电池的工作温度为-30℃~55℃,比磷酸铁锂优秀,循环4500次以上,这个成绩高于磷酸铁锂。

找到关键材料突破产业化瓶颈

如今,在资本的助力下,钠离子电池产业化进程正在加速。记者了解到,中科海钠在江苏建立了第一条生产线,开展钠离子电池年产百吨级正负极材料体系和百万Ah电芯的中试规模验证,经过不懈努力终于结出硕果。胡勇胜表示,锂电池对一致性要求比较高,钠离子电池也是如此。目前,中科海钠已解决了产品一致性难题。“我们又在山西建立了一条年产2000吨正负极材料生产线。”他还告诉记者,钠离子电池生产线可以利用现有的锂电池生产线,“不久前,我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。”

全球多个国家开展了钠离子电池的研发,胡勇胜的团队率先将这一技术实现产业化的关键,在于独辟蹊径地找到了具有商业化前景的材料。据介绍,在钠离子电池研发中,国外一些研究人员沿用了锂电池三元材料的思路,正极材料使用镍、钴、锰。对于这一做法,胡勇胜并不看好:“如果仅把目前锂离子电池体系的锂元素替换成钠元素,钠离子电池的成本只能比锂离子电池成本降低5%~10%,而钠离子电池的能量密度比锂离子电池低,这就没有商业化前景了。”

胡勇胜通过研究发现,铜在钠离子电池中不但具有活性,而且其成本比钴和镍都低,这恰恰是他不断寻求的替代材料。经过不断摸索,胡勇胜带领团队最终成功研制出铜基钠离子层状氧化物正极材料。

解决了正极材料还不算成功,负极材料的难关也要攻克。锂电池普遍采用石墨作为负极材料,但胡勇胜研发的钠离子电池使用了成本更低的软碳材料;此外,还以同样成为较低的无烟煤作为前驱体,通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。

更适于低速电动车和储能

在新能源汽车领域有一件事一直悬而未决,那就是低速电动汽车该如何管理。最近,关于低速电动车“转正”的传言又起。《中汽研纯电动乘用车技术条件标准修订讨论会会议纪要》日前流传于网络。这份纪要强调坚持“三个不变”原则:一是国务院“规范一批、淘汰一批、升级一批”的思路不变;二是安全要求不变;三是整体框架不变。

低速电动车主打廉价牌,转而配套锂电池后将拉低市场竞争力,而钠离子电池似乎提供了一种解决办法。钠离子电池的能量密度远高于铅酸电池,成本比锂电池低40%,有较强的市场竞争力。在胡勇胜看来,配套钠离子电池或许能解决低速电动车多年来面临的发展与监管难题。

此前,北京某储能电站起火爆炸事故不是个例。据不完全统计,2011~2021年,全球共发生32起储能电站起火爆炸事故,其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。这些涉事储能电站全部使用锂电池。一直以来,政府相关部门都在强化对储能电站的安全要求。胡勇胜告诉记者:“综合比较来看,钠离子电池也非常适合储能电站,除了能量密度低一点外,安全性、循环周期等指标完胜锂电池。”

据悉,胡勇胜对研发的钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等都拥有完全的自主知识产权,产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。他告诉记者,钠离子电池不仅在国内市场需求很大,在印度、东南亚、非洲、南美洲等地也有广阔的市场空间。“我们首先立足国内市场,站稳脚跟后再走向海外市场。”胡勇胜最后强调。

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[责任编辑:赵卓然]
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