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钠电池 vs 锂聚合物电池哪个好?

2021-09-01 04:35:05

近期,“钠电池”(Sodium-ion battery)的新闻又到了我们的视野里,在电池界又掀起了一阵热潮。有人说钠电池将会是“国货之光”,未来的希望,也有人说这是一场科技骗局,到底是怎么一回事?钠电池会取代现有的锂离子、锂聚合物电池吗?今天来给大家讲解一下其中的缘由。


什么是钠离子电池?


其实早在上世纪八十年代,已经开始了对钠离子电池的研究。早期被设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想,发展非常缓慢。

钠离子电池(Sodium-ion battery),是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,与锂离子电池工作原理相似。

钠离子电池工作原理示意图

(图片来源于网络,侵删)


正如我刚刚所说的,钠电池和锂电池都不是近两年才被发现的,甚至可以说这两种在上世纪八十年代时候的关注度不相伯仲,然而由于各种原因导致钠电池淡出了人们的视野。

在元素周期表中,钠和锂是距离最近的同族金属元素,化学性质极为相似,应用在电池中最外层的电子数完全一致,锂离子电池和钠离子电池在充放电反应中的携带电量也是一致的。


为什么“钠电池”一直销声匿迹?是因为技术不成熟吗?


其实并不是,钠电池的技术原理早已成熟,在当时就形成了完整的体系。这两种电池的技术,都是利用金属离子作为电荷载体,这个传输过程中,电荷搭载着金属离子在正极和负极之间传输,从而来实现电池的充放电。而两者在传输效率上来看,由于充放电反应中携带的电量是一致的,其传输效率也是一致的。


一、钠电池的优势


钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐,相较于锂而言储量更丰富,价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大,所以当对重量和能量密度要求不高时,钠离子电池是一种划算的替代品。与锂离子电池相比,钠离子电池具有的优势有:


1、钠盐原材料储量丰富,价格低廉,采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料,原料成本降低一半;

钠原料

(图片来源于网络,侵删)


2、由于钠盐特性,允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本;


3、钠离子不与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,可以进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;


4、由于钠离子电池无过放电特性,允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg,可与磷酸铁锂电池相媲美,但是其成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。


目前新能源汽车的主要成本来源之一就是电池,钠离子电池的几大优势都与成本有关,可见有望降低未来新能源汽车的整体成本,但其劣势也是十分明显的:能量密度低


能量密度:钠离子电池 vs 锂离子电池


在钠离子和锂离子的体积质量方面,钠的体积是超过了锂的三倍以上,直径也是更大,也就是说,电池的能量密度远低于锂电池,就像是你的车上塞进了几个大箱子,放几个就放不下了,但如果我换成了小箱子,我能把车子里塞得满满当当的。

(图片来源于百度知道,侵删)


从我们在网上看到的数据来看,目前的钠离子电池的能量密度约在80~100Wh/kg,在2017年研制出了150Wh/kg的钠离子电池。而最近使用各种空间压缩方案,和针对新能源车方案的钠电池及锂电池串联、并联集成的混搭设计,成功把该电池的能量密度抢救到了160Wh/kg左右,实话实说,已经可以与磷酸铁锂电池(LiFePO4)相媲美,有望取代在储能领域上占据依旧的铅酸电池的市场。

铅酸蓄电池


虽然如此,锂离子电池却能够比钠离子电池有更高的能量密度,而且更小巧轻薄,这是目前钠电池在先天上不如锂电池的地方。


二、聚合物锂电池的优势


1、能量密度


相比之下,格瑞普Grepow的聚合物锂电池(Lithium Polymer battery)已经在单体能量密度上达到了268Wh/kg的水平,其三元锂电池(NMC811)已经达到了275Wh/kg,循环次数达到500次的程度。

2、超快充技术


在钠电池的技术突破上,在充电方面,钠离子电池在常温下仅需要15分钟就能充电至80%以上。以目前格瑞普的锂电池技术,聚合物锂电池同样可以达到最高5C的超快充水平,与该钠电池的充电时间不相伯仲,而且高倍率的磷酸铁锂电池在20分钟左右充到80%以上也是完全没有问题的。


3、形状自由度


另外,以软包叠片工艺制作的聚合物锂电池,在重量、形状和大小上,能够制作成各种不同形状,也被称作是:异形电池(Shaped battery)。

格瑞普叠片软包电池及异形电池

格瑞普叠片软包电池及异形电池


从目前的市场情况上来看,钠电池的实际应用方面,远不如锂电池,而且由于市场导向导致钠电池要落后于锂电池,且缺乏成熟的产业链,前期成本也是远远高于生产锂电池的投入。


三、结论


因此,在这些优劣势的对比之下,在我看来,钠电池确实有其庞大的市场,且在新能源汽车及储能行业的普及下,将有望替代传统的铅酸电池市场,在钴、镍、碳酸锂的价格不断上涨的市场情况下,钠盐可以说是一股清流,可以帮助我国在新能源和储能市场上占据一大优势。但我们不能因此否决锂电池的特点和其优势,起码在未来30到50年间,锂电池依旧可能是无人机、智能穿戴、医疗和工业行业上的主流电池之一。


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