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“电池国家队”研制出新式钠离子电池,价格比肩铅酸电池

锂电池现已成为简直一切储能范畴的首选,在功能上,锂电池的能量密度也显着优于其他电池道路。但在巨大的储能商场面前,锂元素自身的稀缺性和昂扬价格,为其他电池道路留下了商场空间。

“锂电的功能,铅酸的价格”。一家名为中科海钠的电池草创公司提出了差异于市面上电池产品的钠离子电池,欲在寻求性价比的储能商场上分一杯羹。

中科海钠团队成员来自被称为“电池研制国家队”的中科院物理所二次电池研制团队,其开发的钠离子电池产品在功能上对标锂电池,包含运用寿数适当,快充快放,且能量密度可达 140Wh/kg。而在本钱上则显着优于锂电池,乃至可以比肩在商场上处于低端的铅酸电池。该电池负极资料以煤作为质料,正极以廉价金属氧化物为质料,本钱优势显着。

本年,中科海钠的钠离子电池产品现已完成量产,是全球首款具有自主知识产权的产品化钠离子电池。该公司数据显现,现在电芯产能可达 30 万只/月,并且现已获得了来自印度商场的订单。

钠离子电池重出江湖

在今日看来,锂电池现已成了各种电子设备电池、动力电池的肯定干流选项,相较而言,钠离子电池的商场份额简直可以忽略不计。但在研讨进程上,两个技能道路有着简直同步的起点。

上世纪 70 时代,钠离子电池和锂离子电池都是电池范畴科学家研讨的要点方向。让两者真实分野的索尼在 90 时代成功将锂电池商用化,在消费电子范畴大面积铺开了锂离子电池。商用化的顺畅进行反向按捺了钠离子电池技能道路的开展。

尔后,尽管运用远景广阔,钠离子电池的研讨却一向没有获得决议性的打破。

不同于其他需求氧化复原反响的电池,钠离子电池与锂离子电池都归于“摇椅电池”——需求离子自己在阴阳极之间来回络绎,以到达充放电的意图。换句话说,阴极和阳极起到的效果便是搜集、贮存和开释用以发生电流的离子。

上世纪 80 时代,锂离子的阴极资料研讨首要获得打破,以钴酸锂为代表的阴极资料,和一般由石墨构成的阳极资料组合,让锂离子电池获得了极佳的功能,然后替代之前的镍氢充电电池,走进了千家万户。

而钠离子电池的电极资料研讨却远没有这么顺畅。其时商用的锂离子电池循环寿数能到达钠离子电池的 10 倍左右。这是因为两种电池的产品功能体现相去甚远。锂离子电池获取了科学家和本钱、工业的肯定重视。

钠离子电池再次进入干流科学家的视界是在最近十余年。在全球拥抱锂电池之后,科学家通过核算以为,如果说地球上的内燃动力都换成电池动力,锂电池是不行的,首要原因是锂元素自身缺乏。

中科海钠 CEO 唐堃表明,地球上的锂大约有不到 7000 万吨,而钠的存量大约比锂大三个数量级,在整个地球的元素丰度中占 2.3%,可谓取之不尽用之不竭。

在“前瞻性”思想的推进下,钠离子电池道路从头获得了研讨者的重视。且钠离子原理跟锂电池彻底相同,工艺也根本相同,仅仅金属元素性质上存在一些不同,因而钠离子电池成为一个水到渠成的替代挑选。

如前文所说,钠离子电池此前在循环寿数上存在巨大短板,通过十年左右的科研打破,钠离子电池的功能体现也有了显着改进。

唐堃表明,到了 2017-2018 年,他们团队开发的钠离子电池循环寿数现已到达2000 次。

“咱们在中科院物理所做了超越十年的研讨,终究在 2016 年左右,找到了一款咱们以为可以商业化的低本钱的钠离子电池,其间包含了正极资料、负极资料和电解液组成的完好的电池系统,尔后开端商业化道路探究。”

下降价格的三个过程

一个常见的锂电池一般包含了正极资料、负极资料、电解液、隔阂和电池外壳。正极、负极和电解质都是电池的要害部分。

作为一个全体的系统,电池的能量密度与正极、负极、电解液都是相关的,并且正极资料是这三者中的短板。如常用作负极的石墨电极,其容量在很早以前就到达了 350mAh/g。但对正极资料来说,即使是现在较前沿的 NCM811,容量也仅在 200mAh/g 左右。

此外,正极、负极、电解液三者之间也相互影响,任何一边资料的改动都或许需求对别的两者的资料进行调整。只要完美的匹配这三种要害资料,电池作为一个完好系统才干终究建立。

唐堃介绍,他们团队规划研制出了一种新的运用廉价元素的层状氧化物作为高功能正极资料,这也是该团队的钠电池产品的核心技能之一。

中科海钠董事长、中科院物理研讨所的胡勇胜研讨员领导的团队宣布的论文显现,结合了元素掺杂份额等办法,他们规划了新一代高比容量 Cu-Fe-Mn 基正极资料,在 2.5~4.0 V的电压范围内可完成 130 mA·h/g 左右的比容量。

唐堃表明,差异于大都锂电池范畴的研讨进展,这种正极资料的提出对钠离子电池来说算是一个十分底层的研讨打破。就像诺贝尔奖获得者 John B. Goodenough 提出的磷酸铁锂正极资料,是一个十分底层的资料专利。

在资料挑选上,胡勇胜的研讨团队最终没有考虑镍、钴这样的贵重的金属资料,而是挑选了廉价的铜、铁、锰。“这三种价格十分廉价的金属元素,尽管在功能体现上不如镍、钴这样的贵金属,但全体体现不错,且价格显着更低。”

这也突出了钠电池在性价比方面的寻求。

在负极资料方面,惯例锂电池的负极资料是石墨,但干流的快充电池和钠离子电池都无法再用石墨做负极。关于钠离子电池来说,因为钠离子比锂离子要大得多,所以无法被常用于制作锂离子电池阳极资料的石墨吸收。

找到适宜的负极资料也是钠电池系统的又一要点。近几年呈现的硬碳资料作为一种新的负极资料,也能用在钠离子电池系统傍边,但阻止其商用的仍是价格问题,现在,商业上能买到的最好的硬碳价格约为 20 万元一吨。

在这方面,该团队初次提出了用根据无烟煤资料制成钠离子电池的负极资料。当时煤的本钱约为 500-1000 元/吨,将其进一步加工成负极运用的碳资料,所需的本钱也少于 2 万元/吨。

在电解液方面,现在常用锂离子电池运用六氟磷酸锂做电解质盐,首要本钱也来自锂元素。钠离子电池运用根本一起的溶剂,把电解质盐对应的替换为六氟磷酸钠。而六氟磷酸钠规划出产后,本钱会明显低于六氟磷酸锂,原因仍是在于钠元素的价格要远低于锂元素的价格。

正极、负极、电解液三者本钱的下降,一起决议了电池系统价格较锂电池更廉价。

用武之地

衡量电池有多个点评维度,本钱、能量密度、寿数等,而不同电池在三个方面或许有着各自不同的优越性。

理论上,资料特点决议了钠离子电池在能量密度的上限低于锂电池。唐堃表明,在体积相同的情况下,钠离子电池的容量约为锂电池的 80%。

唐堃以为,钠离子电池的商场定位则瞄向了对能量密度要求相对不高的场景。

关于手机、无人机、电动汽车来说,分量和体积都十分灵敏。这些场景需求持续运用锂电池的道路。

而关于大型储能电站来说,电池体积的巨细并不是首要考虑要素,除了寿数、安全等要素的考量,本钱也是储能电站的重要考虑要素。这些才是钠离子电池的方针商场。

另一个场景便是替换商场上的铅酸电池。

现在商场上的铅酸电池根本上用到 1-1.5 年就要更换新的电池,寿数最长不超越 3 年。别的铅酸电池还面对污染和收回的问题,铅酸电池以铅作为极板质料,铅自身便是一种重金属污染物,对人体和环境都有严峻坏处,且收回本钱高。所以铅酸电池的制作和收回是限制其可持续开展的瓶颈。

“铅酸电池与锂电池的价格相差挨近一倍,咱们规划之后是要完成用廉价的元素,完成铅酸电池的价格,而在功能上又能对标锂电池。这是咱们公司的一个产品定位。”

电池开发的“国家队”

公司信息显现,中科海钠建立于 2017 年 2 月,专心钠离子电池研制与出产,其间研制团队有院士 1 名,研讨员 2 名,博士 11 名,硕士 6 名。公司开创人均出自中国科学院物理研讨所。其间胡勇胜为技能带头人,自 2011 年起致力于钠离子电池技能研制,在钠离子电池正负极资料、电解液等方面获得打破。

唐堃告知 DeepTech,中科院物理所电池研制团队可以说是二次电池研制的国家队,从上世纪七十时代开端专心锂离子电池研制,在电池研制范畴也曾孵化过其它公司。在技能道路上覆盖了固态电池、锂电池、钠离子电池等。

“锂离子电池现已是市面上的肯定干流,固态电池的研讨现在也是电池研制范畴的一大抢手,但在电池这个商场上,不会有一种电池可以收割一切的储能商场。”唐堃如此归纳。

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