“电池国家队”研发出新型钠离子电池,价格比肩铅酸电池

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  锂电池已经成为几乎所有储能领域的首选,在性能上,锂电池的能量密度也明显优于其他电池路线。但在巨大的储能市场面前,锂元素本身的稀缺性和高昂价格,为其他电池路线留下了市场空间。

  “锂电的性能,铅酸的价格”。一家名为中科海钠的电池初创公司提出了区别于市面上电池产品的钠离子电池,欲在追求性价比的储能市场上分一杯羹。

  中科海钠团队成员来自被称为“电池研发国家队”的中科院物理所二次电池研发团队,其开发的钠离子电池产品在性能上对标锂电池,包括使用寿命相当,快充快放,且能量密度可达 140Wh/kg。而在成本上则明显优于锂电池,甚至可以比肩在市场上处于低端的铅酸电池。该电池负极材料以煤作为原料,正极以廉价金属氧化物为原料,成本优势明显。

  今年,中科海钠的钠离子电池产品已经实现量产,是全球首款具备自主知识产权的产品化钠离子电池。该公司数据显示,目前电芯产能可达 30 万只/月,而且已经获得了来自印度市场的订单。

  钠离子电池重出江湖

  在今天看来,锂电池已经成了各种电子设备电池、动力电池的绝对主流选项,相较而言,钠离子电池的市场份额几乎可以忽略不计。但在研究历程上,两个技术路线有着几乎同步的起点。

  上世纪 70 年代,钠离子电池和锂离子电池都是电池领域科学家研究的重点方向。让两者真正分野的索尼在 90 年代成功将锂电池商用化,在消费电子领域大面积铺开了锂离子电池。商用化的顺利进行反向抑制了钠离子电池技术路线的发展。

  

  此后,虽然应用前景广大,钠离子电池的研究却一直没有取得决定性的突破。

  不同于其他需要氧化还原反应的电池,钠离子电池与锂离子电池都属于“摇椅电池”——需要离子自己在阴阳极之间来回穿梭,以达到充放电的目的。换句话说,阴极和阳极起到的作用就是收集、储存和释放用以产生电流的离子。

  上世纪 80 年代,锂离子的阴极材料研究首先取得突破,以钴酸锂为代表的阴极材料,和通常由石墨构成的阳极材料组合,让锂离子电池获得了极佳的性能,从而取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材料研究却远没有这么顺利。当时商用的锂离子电池循环寿命能达到钠离子电池的 10 倍左右。这是因为两种电池的产品性能表现相去甚远。锂离子电池获取了科学家和资本、产业的绝对关注。

  钠离子电池再次进入主流科学家的视野是在最近十余年。在全球拥抱锂电池之后,科学家通过计算认为,如果说地球上的内燃动力都换成电池动力,锂电池是不够的,主要原因是锂元素本身不足。

  中科海钠 CEO 唐堃表示,地球上的锂大概有不到 7000 万吨,而钠的存量大概比锂大三个数量级,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”思维的推动下,钠离子电池路线重新获得了研究者的关注。且钠离子原理跟锂电池完全一样,工艺也基本一样,只是金属元素性质上存在一些差别,因此钠离子电池成为一个顺理成章的替代选择。

  如前文所说,钠离子电池此前在循环寿命上存在巨大短板,经过十年左右的科研突破,钠离子电池的性能表现也有了明显改善。

  唐堃表示,到了 2017-2018 年,他们团队开发的钠离子电池循环寿命已经达到2000 次。

  “我们在中科院物理所做了超过十年的研究,最终在 2016 年左右,找到了一款我们认为可以商业化的低成本的钠离子电池,其中包括了正极材料、负极材料和电解液组成的完整的电池体系,此后开始商业化路线探索。”

  降低价格的三个步骤

  一个常见的锂电池一般包括了正极材料、负极材料、电解液、隔膜和电池外壳。正极、负极和电解质都是电池的关键部分。

  作为一个整体的系统,电池的能量密度与正极、负极、电解液都是相关的,而且正极材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达到了 350mAh/g。但对正极材料来说,即使是目前较前沿的 NCM811,容量也仅在 200mAh/g 左右。

  此外,正极、负极、电解液三者之间也互相影响,任何一边材料的改变都可能需要对另外两者的材料进行调整。只有完美的匹配这三种关键材料,电池作为一个完整体系才能最终成立。

  唐堃介绍,他们团队设计研发出了一种新的使用廉价元素的层状氧化物作为高性能正极材料,这也是该团队的钠电池产品的核心技术之一。

  

  中科海钠董事长、中科院物理研究所的胡勇胜研究员领导的团队发表的论文显示,结合了元素掺杂比例等方法,他们设计了新一代高比容量 Cu-Fe-Mn 基正极材料,在 2.5~4.0 V的电压范围内可实现 130 mA·h/g 左右的比容量。

  唐堃表示,区别于多数锂电池领域的研究进展,这种正极材料的提出对钠离子电池来说算是一个非常底层的研究突破。就像诺贝尔奖获得者 John B. Goodenough 提出的磷酸铁锂正极材料,是一个非常底层的材料专利。

  在材料选择上,胡勇胜的研究团队最后没有考虑镍、钴这样的昂贵的金属材料,而是选择了便宜的铜、铁、锰。“这三种价格非常便宜的金属元素,虽然在性能表现上不如镍、钴这样的贵金属,但整体表现不错,且价格明显更低。”

  这也突出了钠电池在性价比方面的追求。

  在负极材料方面,常规锂电池的负极材料是石墨,但主流的快充电池和钠离子电池都无法再用石墨做负极。对于钠离子电池来说,由于钠离子比锂离子要大得多(直径比锂离子大了约 50%),所以无法被常用于制造锂离子电池阳极材料的石墨吸收。

  找到合适的负极材料也是钠电池体系的又一重点。近几年出现的硬碳材料作为一种新的负极材料,也能用在钠离子电池体系当中,但阻碍其商用的还是价格问题,目前,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,该团队首次提出了用基于无烟煤材料制成钠离子电池的负极材料。当前煤的成本约为 500-1000 元/吨,将其进一步加工成负极使用的碳材料,所需的成本也少于 2 万元/吨。

  在电解液方面,目前常用锂离子电池使用六氟磷酸锂做电解质盐,主要成本也来自锂元素。钠离子电池使用基本一致的溶剂,把电解质盐对应的替换为六氟磷酸钠。而六氟磷酸钠规模生产后,成本会显著低于六氟磷酸锂,原因还是在于钠元素的价格要远低于锂元素的价格。

  正极、负极、电解液三者成本的降低,共同决定了电池体系价格较锂电池更便宜。

  用武之地

  衡量电池有多个评价维度,成本、能量密度、寿命等,而不同电池在三个方面可能有着各自不同的优越性。

  理论上,材料属性决定了钠离子电池在能量密度的上限低于锂电池。唐堃表示,在体积相同的情况下,钠离子电池的容量约为锂电池的 80%。

  

  (来源:中科海纳)

  唐堃认为,钠离子电池的市场定位则瞄向了对能量密度要求相对不高的场景。

  对于手机、无人机、电动汽车来说,重量和体积都非常敏感。这些场景需要继续使用锂电池的路线。

  而对于大型储能电站来说,电池体积的大小并不是首要考虑因素,除了寿命、安全等因素的考量,成本也是储能电站的重要考虑因素。这些才是钠离子电池的目标市场。

  另一个场景就是替换市场上的铅酸电池。

  目前市场上的铅酸电池基本上用到 1-1.5 年就要更换新的电池,寿命最长不超过 3 年。另外铅酸电池还面临污染和回收的问题,铅酸电池以铅作为极板原料,铅本身就是一种重金属污染物,对人体和环境都有严重害处,且回收成本高。所以铅酸电池的制作和回收是制约其可持续发展的瓶颈。

  “铅酸电池与锂电池的价格相差接近一倍,我们规划之后是要实现用便宜的元素,实现铅酸电池的价格,而在性能上又能对标锂电池。这是我们公司的一个产品定位。”

  电池开发的“国家队”

  公司信息显示,中科海钠成立于 2017 年 2 月,专注钠离子电池研发与生产,其中研发团队有院士 1 名,研究员 2 名,博士 11 名,硕士 6 名。公司创始人均出自中国科学院物理研究所。其中胡勇胜为技术带头人,自 2011 年起致力于钠离子电池技术研发,在钠离子电池正负极材料、电解液等方面取得突破。

  唐堃告诉 DeepTech,中科院物理所电池研发团队可以说是二次电池研发的国家队,从上世纪七十年代开始专注锂离子电池研发,在电池研发领域也曾孵化过其它公司。在技术路线上覆盖了固态电池、锂电池、钠离子电池等。

  “锂离子电池已经是市面上的绝对主流,固态电池的研究如今也是电池研发领域的一大热门,但在电池这个市场上,不会有一种电池能够收割所有的储能市场。”唐堃如此概括。

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