鋰的離子半徑更小、標(biāo)準(zhǔn)電勢更高、比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉和鉀,因此在二次電池方面得到了更早以及更廣泛的應(yīng)用。但鋰資源的全球儲量有限,隨著新能源汽車的發(fā) 展對電池的需求大幅上升,資源端的瓶頸逐漸顯現(xiàn),由此帶來的鋰鹽供需的周期性波動對電池企業(yè) 和主機廠的經(jīng)營造成負(fù)面影響,因此行業(yè)內(nèi)部加快了對資源儲備更加豐富、成本更低的電池體系的 研究和量產(chǎn)進(jìn)程,鈉作為鋰的替代品的角色出現(xiàn),在電池領(lǐng)域得到越來越廣泛的關(guān)注。
堿金屬元素基本性質(zhì)對比
鈉離子電池是什么?
在原材料方面,鈉離子電池比鋰電池更具有成本優(yōu)勢。在制造工藝方面,鈉離子電池的制造工藝與鋰電池接近,因此可沿用鋰電產(chǎn)線。
鈉離子電池的結(jié)構(gòu)原理
鈉離子電池即一種濃差電池,正負(fù)極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成充電時,鈉離子從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,此時負(fù)極處于富鈉狀態(tài),正極處于貧鈉狀態(tài),這時電子的補償電荷經(jīng)外電路供給到正極,以平衡正負(fù)極電荷。
放電時,鈉離子從負(fù)極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極,正極處于富鈉狀態(tài),負(fù)極處于貧鈉狀態(tài),這時電子的補償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極,以保證正負(fù)極電荷平衡。
在原材料方面,鈉離子電池比鋰電池更具有成本優(yōu)勢。在制造工藝方面,鈉離子電池的制造工藝與鋰電池接近,因此可沿用鋰電產(chǎn)線。
鈉離子電池的主要構(gòu)成
在原材料方面,對比鋰電池,鈉離子電池具有顯著的成本優(yōu)勢。鈉離子電池的主要組成部分包含正極材料、負(fù)極材料、電解液等:
1)正極材料:由于鈉離子電池的正極材料采用的是普魯士白和層狀氧化物等,可減少對鋰等材料的依賴;
2)負(fù)極材料:鈉離子的負(fù)極材料主要以碳基材料為主,活性炭儲存鈉離子的能力超過鋰電池負(fù)極材料且價格低;
3)電解液,鈉離子電池的電解質(zhì)選擇范圍更廣泛。在制造工藝方面,鈉離子電池的制造工藝與鋰電池接近,因此可沿用鋰電產(chǎn)線。
鋰離子電池VS鈉離子電池VS鉛酸電池
在性能方面,鈉離子電池主要優(yōu)勢為快充性能好、高低溫性能優(yōu)異、安全性能好、設(shè)備兼容性好,但能量密度以及循環(huán)壽命低是限制其發(fā)展的主要問題對比鋰離子,鈉離子主要有以下性能優(yōu)勢:
1)充電快:磷酸鐵鋰需20-30分鐘可充電至80%,鈉離子電池有望將時間縮短40%左右;
2)高低溫性能優(yōu)異:工作溫度范圍在-40C-80℃。高低溫環(huán)境下電池仍有良好的容量保持率;
3)安全性能好:在過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試中不起火、不爆炸;
4)設(shè)備兼容性好:鈉離子電池與鋰離子電池生產(chǎn)工藝相近,如兩者在電極生產(chǎn)過程、電池裝配過程完全相同,因此設(shè)備兼容性高,企業(yè)產(chǎn)線轉(zhuǎn)換成本較低;
5)鈉離子溶劑化能低:鈉離子比鋰離子更易脫溶劑化,界面反應(yīng)動力學(xué)更好。
對比鋰離子,鈉離子具有以下缺點:
1)能量密度低:對比鋰離子,鈉離子最大的缺陷是能量密度較低,在相同續(xù)航情況下,單車重量增加約10%-20%;
2)循環(huán)壽命低:對比鋰離子,鈉離子由于半徑比鋰離子大,反應(yīng)過程中嵌入脫出難度大且容易造成結(jié)構(gòu)變化,從而造成其循環(huán)壽命較低。
成本構(gòu)成對比:鈉電池VS.鋰電池
從可持續(xù)角度來看,鈉元素資源豐富且分布較廣,可避免資源卡脖子問題。從成本端來看,納離子對比鋰離子的電池成本降低了約20%。
鈉離子電池成本構(gòu)成
從可持續(xù)角度來看,鈉元素資源豐富且分布較廣,可避免資源卡脖子問題:
1)鈉資源:鈉資源的地殼豐度達(dá)275%,在地殼中的豐度位居第6位,且鈉資源分布于全球各地。鈉的價格低廉且易獲取;
2)鋰離子:鋰離子的地殼豐度達(dá)0.0065%,且資源分布不均,75%的鋰分布在南美洲地區(qū)。相對于鈉離子而言,鋰離子的價格更高。
從成本端來看,納離子對比鋰離子的電池成本降低了約20%:
1)正極材料:鈉離子電池的正極材料如銅鐵錳層狀氧化物約為2.9萬元/噸、普魯士白類為2.6萬元/噸、鎳鐵錳層狀氧化物為4.2萬元/噸,而鋰離子電池的正極材料碳酸鋰的價格約為8.6萬元/噸。
2)集流體:鈉離子電池負(fù)極集流體均為鋁箔,鋰離子電池負(fù)極集流體只能使用鋼箔。電池級鋁箱成本在2.4-3萬元/噸,電池級銅箔成本在8-9萬元/噸。
3)電解液:由于同濃度電解液下鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液,因此可降低成本,或鈉離子電池可用低鹽濃度電解液來降低成本。
鈉離子電池將促進(jìn)電池鋁箔需求增長
電池集流體是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來,以產(chǎn)生更大的輸出電流的電池部件,此外它還 充當(dāng)電池活性材料的載體,對電池的性能有較大影響。目前鋰電池的正負(fù)極的集流體分別是鋁箔和 銅箔。由于鈉離子不會與鋁形成合金,因此鈉離子電池的正負(fù)極的集流體均可以使用成本更低的鋁 箔。根據(jù)中科海鈉,相比鋰離子電池,由于正負(fù)極集流體采用鋁箔,鈉離子電池中集流體成本占比 僅為 4%,遠(yuǎn)低于鋰離子電池的 13%。
我們判斷,鈉離子電池集流體鋁箔與鋰電池基本相同,性能要求基本接近。相比普通的鋁箔,作為 電池集流體鋁箔要求較高,其中厚度要求控制在 10~50 微米,部分電池廠甚至使用 8 微米的鋁箔。同時電池集流體還要求具有較低的粗糙度、更好的導(dǎo)電性、拉伸強度、伸長率,此外對產(chǎn)品的一致 性和穩(wěn)定性也有較高的要求。因此,電池鋁箔對設(shè)備和工藝的要求較高,具有一定的進(jìn)入壁壘。
原標(biāo)題:鈉離子電池成本構(gòu)成及性能對比