奇瑞曾祥兵:钠离子电池发展现状及应用挑战

时间:2023-11-17 08:41来源:NE时代新能源 作者:曾祥兵
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“2023xEV电池技术论坛暨新能源光储充融合产业大会”上,奇瑞集团电池技术主任曾祥兵就《钠离子电池发展现状及应用挑战》进行了主题报告。
报告分为以下四个部分:
1、钠离子电池开发背景
2、钠离子电池发展现状
3、钠离子电池特性及材料体系
4、钠离子电池应用挑战及策略
钠离子电池开发背景
钠离子开发背景主要是资源驱动,2021年车用锂离子电池材料成本剧烈上涨,行业内开始逐步开发钠。在碳酸锂价格大幅波动的情况下,钠的研发被快速推进。
我国锂矿资源稀缺,对外依存度高达80%,面临“卡脖子”风险。锂资源在地壳中丰度低(~0.0065%)且分布不均匀,全球70%锂资源分布在南美,中国仅有6%,目前我国80%的锂资源依赖进口。碳酸锂价格波动大,一度接近60万元/吨,开发钠离子电池是支撑大规模储能技术可持续发展,是保障国家能源安全的必要措施。但是如今碳酸锂价格下降到15万左右,对钠的发展也带来了一些新的挑战。
新能源汽车是国家3060碳达峰碳中和发展中的重要环节,实现碳中和已成为全球共识。能源转型其中有一部分就是要推动电动汽车应用,锂离子电池发展2021年开始出台了很多推动钠离子电池的产业发展政策新型储能电池发展是实现碳中和碳达峰目标的重要途径近两年出台一系列政策支持钠离子电池发展,产业链犹如2010年左右的动力锂离子电池产业发展,正在兴起。
市场驱动方面,钠离子电池在A00车、储能及两轮车市场的渗透率逐年增长。

钠离子电池发展现状
钠离子电池是可充电电池,原理与锂离子电池相似。索尼公司1970年就推出过锂离子电池,行业内应用在动力电池领域在2010年以后,而大规模发展是2016年以后。新生电池应用、材料发展周期非常长。钠锂子电池从八十年代初开始进行研究,锂、钠是一个组内元素,行业内始终没放弃研究,从专利来看,截止到2019年,钠离子研究在2015年逐步推进,2018年、2019年达到高峰期。虽然钠离子开发相对锂离子来说偏慢,但是目前已经是大势所趋。
(1)产业链概况:传统锂电相关企业+新入局者
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原材料及前驱体,氰基化合物有重庆紫光、河北诚信;层状氧化物前驱体有中伟、华友、格林美;锰、钒有红星发展、湘潭电化、攀钢、鞍钢;铝箔有鼎盛新材、南山铝业、兴恒铝业。
四大主材,正极有当升、瑞翔、夏钨、长远;负极杉杉、贝特瑞、佰思格、凯金;隔膜有恩捷股份、星源材质、中材科技;电解液有新宙邦、天赐、杉杉、国泰。
电芯端,层状氧化物有宁德时代、中科海钠、盘古新能源、钠创新能源、蜂巢能源、天能;聚阴离子有宁德时代、鹏辉能源、山东章鼓、盘古新能源;普鲁士蓝有星空钠电、宁德时代、贲安能源。
需求端,两轮车有雅迪、艾玛、小牛、台铃;乘用车有江淮、比亚迪、奇瑞、上汽、江淮。
(2)钠离子电池正极材料
目前主流的有层状氧化物、普鲁士蓝类化合物、聚阴离子化合物,从比容量来说,层状氧化物和普鲁士蓝偏高,聚阴离子略微偏低;工作电压,聚阴离子偏高。
优势方面,层状氧化物有高比容量、更高的能量密度;普鲁士蓝除了高比容量和能量密度,成本较低,倍率好;聚阴离子优势是电压高、循环寿命好、空气稳定性好,在新能源汽车应用方面有一定的优势。同样,这三种正极材料劣势也非常明显,层状氧化物循环寿命偏低、碱性高、加速稳定性差;普鲁士蓝最明显的劣势是导电性差、CN基有毒性、结晶水产气严重;聚阴离子化合物比容量低、导电性差、能量密度低。
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钠离子正极材料层状氧化物合成方法中,目前有液相法、固相法,会用到镍/铁/锰等金属盐溶液、氨水、碳酸钠,在这些过程中,氨水材料有一定的污染性,环境不友好,层状氧化物是各个材料厂家主体推崇的技术路线。层状氧化物具有能量密度高,聚阴离子体系循环稳定性好、普鲁士蓝体系成本低,目前层状氧化物布局偏多一点。
(3)钠离子电池负极材料
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钠离子电池负极材料主要是硬碳和软碳,原材料更多是来自于椰壳、秸秆、竹子等生物质基。目前硬碳和软碳日本做得比较好,日本椰壳主要来自于东南亚市场,由于椰壳质量不同,硬碳、软碳质量也有差异。主要的硬碳、软碳公司有贝特瑞、佰思格、华阳股份等。总体上硬碳无序度和碳层间距大,其微观结构的特点导致硬碳储钠能力相对更佳。储钠机制主要包括吸附和嵌入等,制作过程主要通过生物质材料,树脂类等碳化得到。硬碳生产企业以传统负极厂为主,初创企业同步入局,与头部电芯厂合作开发产品。
钠离子电池的特点
钠离子电池理论成本有优势,但能否与锂离子电池抗衡?从材料BOM上进行理论分析,钠离子有充分优势。从性能上,通过对比铅酸、磷酸铁锂、三元和钠离子电芯,可以看到量产的优势,低温保持率优势明显,理论预测要大于88%。还有耐过放电、安全性、环保特性,都有优势,材料获取上也存在一定优势。
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总结起来,钠离子电池90%工艺过程与锂离子电池相同;碳酸钠价格远低于碳酸锂且行情稳定;软、硬碳负极无需高能耗石墨化过程,锂离子电池石墨化工序能耗非常大,一般会在内蒙、山西或者西部水电比较发达的地方。另外,负极集流体可以用铝箔代替铜箔,并且钠电池在低温、安全、快充等领域有特定优势。
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钠离子电池正极材料体系热稳定性优于锂离子电池正极材料,安全实验瞬间发热少、温升较低,在测试项目上容易得到优势,钠电电解液整体放热量低于锂电电解液。下图的热分解温度,焦耳当量有很大的变化,从六氟磷酸锂和六氟磷酸钠角度来看,焦耳释放将近20%的差异。电池安全特性,最终是在材料稳定性和发热量上呈现的。
钠离子斯托克斯直径比锂电离子小,相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率;钠离子的溶剂化能比锂离子更低,在电解液中也具有更快的动力学和界面扩散性能,钠离子电池低温放电容量保持率远高于磷酸铁锂电池。

钠离子电池发展现状
从2020年开始钠离子出现在动力电池领域,头部企业宁德时代、亿纬锂能、蜂巢、中科海钠等都进入了开发过程,目前各企业宣称能量密度从120-160Wh/kg不等,宁德时代160Wh/Kg,两轮、动力电车也在进行相应的应用跟踪过程。
(1)钠离子电池应用及应对策略I
磷酸铁锂价格下行压力大,2023年碳酸锂价格持续下行至15万元/吨,磷酸铁锂电池报价0.5元/Wh,钠离子电池竞争压力持续增大。钠离子电池性能要增加竞争力,尤其是能量密度方面,现在钠离子的能量密度和2009年国家开始制定新能源汽车产业时的磷酸铁锂125Wh/Kg量产化产品相当,所以钠离子电池路径可能跟原来磷酸铁锂的发展路径一样,还有很长的路要走。磷酸铁锂差不多走了十年,今年将全面回归这个路线,这个过程会很漫长。
(2)钠离子电池应用及应对策略II
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产业的发展,成本降低,一是来自于技术突破,二是来自于规模化应用,现在的钠离子电池供应链体系还不完善,很多材料价格远超于锂离子电池材料。生物质(椰壳、淀粉、果皮等)负极来源多样,一致性较差;需要通过技术升级,原理升级,提高材料产率和优率,降低成本。
(3)钠离子电池应用及应对策略III
钠电池在A00车短续航上有应用空间,但是受制于成本原因,目前还不能大规模量产。但是从性能上来看,其较好的低温、倍率和安全性能,能匹配一些应用场景,比如部分续航区间的A00级车、混动车的低温应用,短续航的PHEV车型,储能领域发电侧的瞬态补充。
(责任编辑:子蕊)
文章标签: 钠离子电池
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