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        鋰的替代者

        2021-12-08 19:08:25
        電腦愛好者 2021年23期
        關鍵詞:鉛酸鈉離子負極

        數(shù)碼產(chǎn)品暫時無緣

        很遺憾,鈉離子電池在未來的很長一段時間里,可能都與數(shù)碼產(chǎn)品絕緣。原因很簡單,鈉離子電池當前的主攻方向是“動力電池”,屬于電動車電池產(chǎn)業(yè)鏈的組成部分(圖1)。

        當然,理論上鈉離子電池也能用做筆記本和手機的能源,只是這種方式(就現(xiàn)在來看)并不經(jīng)濟,因為這種新型電池的單位能量密度小于鋰離子電池,這意味著像火柴盒大小的電池板(圖2),鋰電池可能有5000mAh,換成鈉電池也許就只有3500mAh了。數(shù)碼產(chǎn)品本來就在為如何延長續(xù)航而發(fā)愁,換裝鈉電池后將面臨續(xù)航驟降的風險。

        雖然鈉電池的能量密度偏低,但它依舊受到了市場和資本的認可,并在電動車市場醞釀著一場風暴。接下來,咱們就來簡單聊聊這種新型電池的特性。

        動力電池的分類

        除了鈉電池以外,動力電池還包含鉛酸電池和鋰電池,而鋰電池還能被進一步細分成磷酸鐵鋰和三元鋰兩大分支。

        鉛酸電池

        鉛酸電池(VRLA)誕生于1859年,它是一種電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的蓄電池。一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0V,能放電到1.5V,充電到2.4V。在實際應用中,鉛酸電池組通常是由多個單格電池串聯(lián)而成,比如3格電池串聯(lián)成6V、6格電池串聯(lián)為12V(圖3),此外還有24V、36V、4 8V 等規(guī)格,曾被廣泛應用在交通、通信、電力、軍事等領域。

        鉛酸電池的優(yōu)勢是成本(相對)低廉,安全性較高。在現(xiàn)實生活中我們看到的那些爆炸、燃燒的電動車,多是因鋰電池引起的,因鉛酸電池引起的安全事故相對要少了很多。

        但是,鉛酸電池電極的主要材料鉛存在毒性,生產(chǎn)時的廢棄物也會造成環(huán)境污染,能量存儲密度很低,循環(huán)壽命普遍只有300次,想實現(xiàn)和鋰電池相同的電量需要更大的體積和重量(圖4)。此外,這種電池普遍缺乏BMS電池管理系統(tǒng),很難做到充滿后充電器自動斷電,而且一旦其中一格電池出現(xiàn)問題會影響到整個電池組的使用。

        因此,鉛酸電池顯然無法用于智能手機、筆記本電腦、高性能電動汽車這類對能量存儲密度和循環(huán)壽命要求更高的設備,目前兩輪/三輪電動車和汽車內置的電瓶是鉛酸電池的主要客戶。隨著人們環(huán)保意識的覺醒,這種電池也許很快就要全面退出主流消費級市場了。

        鋰離子電池

        關注電腦愛好者的朋友對鋰電池應該非常熟悉,這種電池主要由正極材料、電解質(液)、隔離膜和負極材料(以石墨為主)構成,其工作原理就是鋰離子Li+反復在電池正極和負極之間移動(圖5)。在充電時,鋰離子Li+從正極游離到負極,嵌入負極碳結構內的Li+越多,電池存儲的電量也就越多;在放電時,鋰離子Li+則會擺脫負極碳結構的束縛,重新從負極游離回正極。

        在體積不變的情況下,如何提升鋰電池的容量?最簡單的解決方案就是改變正極材料,此外還有優(yōu)化電池內部結構,比如減少隔膜的厚度(圖6)。但是,隔膜扮演著鋰電池體內的“防爆墻”的角色——在鋰電池的充放電過程中,正極與負極是絕對不能接觸的,否則就會出現(xiàn)短路,造成電池異常發(fā)熱。好一點的情況是導致電池鼓包,而差一點的情況,就是燃燒甚至爆炸。因此,優(yōu)化電池內部結構的風險很大,最穩(wěn)妥的方案還是從正負極材料著手。

        目前鋰電池的正極材料主要以“磷酸鐵鋰”(Li Fe P O 4)和“三元”為主,它們的負極、電解液及隔膜等相似,并因此衍生出了磷酸鐵鋰電池和三元電池兩大分支。其中,三元電池還能被進一步細分為NCA鎳鈷鋁三元電池和NCM鎳鈷錳三元電池。三元常見的表達方式還會在N CM后加一串數(shù)字,例如NCM523、NCM811等,代表了鎳鈷錳在材料中的大概比例。

        簡單來說,三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰,但成本更高,而且熱穩(wěn)定性能較差,在極端條件下(如穿刺、變形)更容易爆燃,二者互有優(yōu)劣。目前,智能手機等數(shù)碼產(chǎn)品內置的電池多以磷酸鐵鋰為主,三元電池則偶爾出現(xiàn)在充電寶內置的電芯中。在電動汽車領域,比亞迪刀片電池就是磷酸鐵鋰的代表(圖7),此類電池普遍可以實現(xiàn)400km左右的續(xù)航,而三元電池則可帶來500km以上的續(xù)航。

        總之,鉛酸電池的優(yōu)勢是安全成本低,但較小的能量密度使其難以搶占高端戰(zhàn)場。鋰電池各方面指標都比較優(yōu)秀,但鋰元素的主要產(chǎn)能都集中在南美,三元電池中涉及的鎳和鈷等元素也多集中在澳大利亞、新喀里多尼亞、巴西和剛果(金)等地,存在隨時被“卡脖子”的風險。

        面向未來的鈉離子電池

        從元素周期表來看,鋰和鈉都是最左邊一列的元素,這意味著它們的化學性質相近,都能在電池的正極和負極之間移動(圖8)。只是,鋰是3號元素,也是最輕的金屬元素,作為11號元素的鈉則重了不少,從微觀來看就是鈉的體積要比鋰大得多,因此如果將鈉作為電池的正極材料,相同的尺寸和重量下其能量密度先天就要差一些(見表)。

        鈉離子電池的特性

        實際上,以鈉離子作為電荷載體的電池早在上世紀70年代就被提出,只是其體積和能量密度僅為鋰離子電池的50%左右,導致之后3 0年都處于研發(fā)停滯的狀態(tài)。由于鋰元素的相對稀缺性,其成本波動很大,鋰價格在今年的漲幅曾一度超過80%,考慮到日后供應鏈安全的問題,尋找新的替代元素勢在必行。于是,鈉離子電池便再次浮出了水面。

        從理論層面看,用鈉替代鋰的優(yōu)勢多多。首先,鈉元素在地球上的儲量非常豐富,地殼當中含量達到2.75%,無論陸地還是海洋儲量都非常豐富(圖9)。其次,鈉離子不與鋁箔發(fā)生合金化反應,因此可以替換鋰電池使用的銅箔,從而大大降低制造成本,還能實現(xiàn)0V運輸,降低電池運輸?shù)陌踩L險。最重要的一點是,鈉離子電池安全性能好,在針刺、擠壓、過充、過放等安全項目測試中做到不起火不爆炸。在高低溫測試時,其容量保持率都很不錯,不會像磷酸鐵鋰電池一樣在冬天“失能”。

        鈉離子電池的首秀

        寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池就參數(shù)而言已經(jīng)超過了我們的預期,其電芯單體能量密度已經(jīng)達到了160Wh/kg,常溫下充電15分鐘就可以達到80%,在零下20°C低溫的環(huán)境下也有90%以上的放電保持率,優(yōu)異的熱穩(wěn)定性在極端條件下也能確保安全(圖10)。作為對比,亞迪唐EV刀片電池的電池包能量密度已經(jīng)可以做到160Wh/kg,可以說鈉離子電池已然達到了磷酸鐵鋰電池的水準,但與三元電池相比依舊存在不小的差距(圖11)。

        寧德時代曾表示,旗下第二代鈉電池的單體能量密度將達到20 0Wh/kg,已經(jīng)達到了三元電池的蓄能下限。在國家政策層面也在推動鈉離子電池標準建立,并逐漸實現(xiàn)鈉離子電池的規(guī)?;偷统杀净嵘C合性能。作為新生事物,我們可以將目前的鈉離子電池理解為2013年~2014年期間的鋰電池,正處在爆發(fā)的前夜,未來可期。

        總之,鈉離子電池短期內的著力點,是在儲能領域替代鋰電,在低速車(兩輪/三輪電動車)方面有望完全替代鉛酸,快遞小哥不用頻繁換電池了。電動汽車領域有望替代部分磷酸鐵鋰電池,降低成本并提升安全性。不過,在智能手機和筆記本電腦等數(shù)碼產(chǎn)品領域,鈉離子電池暫時還是指望不上的,但隨著產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模和技術的迭代,也許會在未來的某一天,出現(xiàn)內置鈉離子電池的手機也說不定(圖12)。

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