奇瑞曾祥兵:钠离子电池发展现状及应用挑战

NE时代新能源/曾祥兵

阅读 1463    更新于2023-11-17 10:16:22

“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

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。

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

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。

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。

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

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。

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