续航里程、充电效率、循环寿命、温度敏感．．．甭管是磷酸铁锂电池还是三元锂电池,都逃不过这些痛点。同时,这也是卡住新能源汽车脖子的重要瓶颈。
7月29日,宁德时代正式发布第一代钠离子电池,并公布详细正极、负极、电解液的相关细节以及相关技术参数。除此之外,宁德时代关于钠离子电池的产业化布局,对于上游材料供应与下游消费市场预计也会产生深远影响。
今天,我们就来好好聊聊啥是钠离子电池,它的出现又会对新能源汽车发展产生哪些影响?
一切从元素周期表说起
任何高新技术的基础都是材料特性的合理应用,半导体(芯片)是这样,电池也不例外。元素周期表上有数百种金属/非金属元素,什么能用来做化学电池已经被前人测试过无数次,其中氢(燃料电池)、锂(锂离子电池)、钠(钠离子电池)脱颖而出,成为最有潜力的选择。
而电池的本质其实就是让电子/离子规规矩矩的定向移动,电子的尺寸/质量无限接近于零,不需要给TA准备工作所需的“办公室”,所以,离子大小/质量就成了决定电池能量密度的最重要因素。就电池微观结构来看,作为11号元素的钠(11个质子/11个中子)在能量密度方面天生相比3号元素的锂(3个质子/3个中子)就没有优势。
简单点说就是,钠离子们作为胖子需要更大空间的“办公室”进行嵌入和脱出工作,这样一来,相同的“办公大楼”能入驻的员工就会比瘦子少一些。即,没有那么多离子参与工作,所以容量小、功率低。
宁德时代第一代钠离子电池能做到160kWh/kg单体能量密度,虽然还达不到大量使用钴、镍、锰稀有元素的三元锂电池得高度,但已经基本与磷酸铁锂电池持平,这无疑已经相当了不起。
达到这样的能量密度是不是有些反直觉?这是因为影响电池容量的远不止胖子VS瘦子的关系。
限制电池能量密度的主要是正极材料,而宁德时代第一代钠离子电池使用的是普鲁士白、层状氧化物,相比于使用磷酸铁正极的刀片电池,这种正极材料塑造的“大房间”结构更可靠耐用,且可以让钠离子这个胖子更灵活穿梭于电解液、正/负极。
你可以理解为,胖子们虽然占了更大“办公室”,但出勤率很高,而且房子寿命长,工作体验好,离职率低,能使整个部门长久保持战斗力。带来的好处就是,钠离子电池充放电效率更高,并且循环寿命更长。
与此同时,鉴于胖子比瘦子更耐寒的特点,钠离子电池对环境温度也不那么敏感。按照官方给出的数据,第一代钠离子电池在-20°的环境下依旧能保持90%的放电保持率,相比锂离子电池更适用于高寒地区/高功率用车场景。
钠离子电池的产业化优势
成本,一直是制约动力电池发展得重要因素,在新能源汽车上电池无疑占了造车成本的大头。而这种情况在钠离子电池实现产业化后会有显著改善。
现役动力电池所需的锂元素,其在地壳中的含量约为0．0065%,其储量在元素周期表中极为靠后,目前锂矿输出最多的是南美的智利,价格高,且供不应求。光这一项就让很多电池制造商受不了,更别提三元电池所需的钴(0．001%),就更金贵了。
再看看钠离子电池,钠离子这玩意人我们天天接触——食盐(氯化钠),元素在地壳中含量高达2．32%,排行老六。并且这玩意儿不是以矿石方式存在的,盐湖中到处都是粗盐,没啥开采和提纯难度。正是钠元素“烂大街”的属性,充分奠定了第一代钠离子电池低成本的基础。
材料方面,负极使用的是硬碳材料,其能量密度可以达到350mAh/g+,不是电池容量的瓶颈;特制的新型电解液主要都是技术工艺成本,也不会被上游的材料卡脖子。
除此之外,同样是正极+负极+电解液的电池工艺,就电池制造工艺和生产设备而言,钠离子电池也能完全兼容现役的锂离子电池的生产线。换句话说,从生产锂离子电池到生产钠离子电池不需要针对设备进行大规模的改装就行,又少了“建厂”这项大开支。这与钠氢作为员工的燃料电池有着本质差异。
实际上,钠离子电池与锂离子电池都是同一种工作方式,本身就不是什么高新技术,再加上从材料到工艺的低成本特性,一旦实现产业化,就能最大限度发挥其电池本身的特性优势:稳定可靠、安全性好、容量衰减小、充放电功率高。
钠离子电池的应用前景
当然,我们还是要清醒认识钠离子电池的低能量密度特性,这玩意儿在高端纯电汽车领域没多大发展前景,毕竟,续航里程目前仍旧是新能源汽车的首要价值指标。
未来的高端纯电汽车重点还是要攻坚动力电池储能密度的问题,例如固态电池、超级电容等都是发展方向。
但在像五菱宏光MINIEV、奇瑞小蚂蚁这样的微型纯电汽车上,钠离子电池的应用无疑会进一步压缩成本,其价格也有望进一步下探。按照官方给出的数据,下一代钠离子电池的目标是200kWh/kg+,且兼容大功率快充也会更容易,潜力还是很大的。
至于20万左右的主流家用车市场,宁德时代准备的是“混合电池”应用方案。即,把三元锂电池和钠离子电池以固定比例进行阵列化的组装,在保证基础电容量的同时,也能更好发挥钠离子电池低温环境大功率输出,直流快充速度的优势。
直白点说就是,搭载这种混合电池的车子不会被电池组的输出功率限制其性能,电机功率可以做到更大。就拿特斯拉举例,0-100km/h虽然很猛,但超过这个速度其加速能力相比大排量跑车就会明显衰减,但使用复合电池组再配上更大功率的电机就可以很好改善这个问题。
而实际上,如果真的实现钠离子电池的超强产能,使其成为白菜价,想必不光是新能源汽车会向宁德时代抛出橄榄枝,核电、风电以及各种重工业耗电大户都会朝闻风而动。
原因很简单,一天24小时的用电量存在峰谷电价之分。像核电、风电这种24小时工作的产电大户,就能在深夜这种用电低谷依旧能马力全开,然后把电能通过低成本的电池阵列储存起来,到了用电高峰再用。相应的,工厂也可以在深夜用更便宜的电价给电池充电,从而节约开支。
总结
从技术角度看,钠离子电池算是锂离子电池的一个补充,并不能彻底改变新能源汽车的发展方向,但对目前的市场格局会有一定冲击。但更低成本的钠离子电池无疑更有规划化、产业化的应用前景,这对目前国内工业结构、能源结构都会产生深远影响。
试想一下,如果跟存大米一样,每个中小型工厂有能力储存一周的用电量,每个家庭有能力储存半年的用电量,这会对人的生活方式带来哪些革命性变化?
