钠离子电池的目前挑战与趋势
随着近年来市场对锂离子电池需求的大幅增长,锂资源的供应变得越来越紧张,寻找锂离子电池补充技术被提上日程。因为与锂离子电池有着相似的工作原理,钠离子电池开始受到业界关注,虽然钠离子电池主要生产制备技术已基本成熟,但是成本相对锂电仍然不具优势,因此材料及技术突破仍是降本及商业化的关键。
根据估算,用钠离子电池取代锂离子电池,每千瓦时的电池成本可以下降30%以上。但和锂电相比钠电寿命太短,最终还是钠电成本更高,因此到目前为止,由于其循环次数低寿命短,全生命周期成本高企导致钠离子难以产业化。
锂离子电池循环充放电上千次甚至数千次都问题不大,而钠离子电池目前一般充放电几百次就衰减了20%了,循环次数受限制的原因是钠离子尺寸比较大,在负极材料中嵌入、脱嵌的时候容易导致电极材料体积膨胀、材料破碎、嵌入的钠离子脱不出来等问题,导致不可逆的能量损失。
从层状氧化物成本看,目前初始投资成本及使用成本下降的都比较慢,因此目前在钠离子电池中大家视线逐渐转向聚阴离子制作正极材料。聚阴离子正极可以类比为锂电池中的磷酸铁锂,特点为使用寿命更长,缺点是能量密度没有层状氧化物高,但发展空间较大,同时安全性也更好。目前大家关注的聚阴离子的钠离子电池是主要未来突破方向,未来甚至一家独大的情况,但是目前还是初期,没有大家想像的乐观,预计未来3-4年后才会有突破。
目前在主要的技术难点主要在负极中,目前钠离子电池材料主要为硬碳或者软碳。硬碳比容量和首次充放电效率优于软碳,成本也高于软碳。硬碳的分子结构主要是随机排列,内部可以储存钠离子的空间较大,比容量高可达到 350mAh/g以上。但由于加工要求更为严格,开发成本高于软碳,且倍率性能较差,首周库伦效率低,软碳导电性较好,不可逆容量较高以及结构规整程度较高,同时原材料丰富成本低。但是钠离子在发生嵌脱反应的时候容易引起层间距的改变,所以首次充放电的不可逆容量较高。且软碳在高温下容易石墨化,层间距会减小,降低材料的储钠能力。但是目前对于软碳的材料特性研究有望突破,软碳对于钠离子脱嵌导致循环效率问题有望持续提升,同时由于软碳其成本优势,未来负极材料有望从硬碳过度到软碳中。
聚阴离子作为正极的钠电池,负极使用软碳同时电解液配套进行优化,钠离子电池的电芯循环寿命有望做到4000-5000次,此时成本优势可以带来商业化,同时商业化的规模效应可以降低电解液价格(电解液价格也是制约钠电池商业化的因素)。
预计到2025年,钠离子电池在储能应用由于其安全性及低温特性率先在储能领域商业化,在储能领域中的工商业储能或者户储预计会在3-5年内有起色,聚阴锂电的目前的安全性测试优于锂电池,低温的属性理论上也是要低于传统锂电池,由于安全性目前已经得到证明,因此预计首先会发力实在户储上,随着循环寿命的改进,在工商业上也会比锂电池更有优势。在动力电池领域,由于能量密度有所提高但理论上低于锂电池,所以在动力电池上可能应用在A0级低速电动车或者两轮车上。