車(chē)東西（chedongxi）
文 | 小路
隨著時(shí)間推移至夏季，外界氣溫越來(lái)越高，電動(dòng)汽車(chē)因動(dòng)力電池自燃起火事件時(shí)有發(fā)生，甚至出現(xiàn)致人死亡的事件，電池安全也因此得到越來(lái)越多的關(guān)注。
現(xiàn)階段電動(dòng)汽車(chē)企業(yè)為追求較遠(yuǎn)的續(xù)航里程，普遍使用三元鋰電池，而該型電池因?yàn)閮?nèi)部存在價(jià)格昂貴的鈷元素和鋰元素，價(jià)格一直居高不下，每千瓦時(shí)的制造成本普遍在1000元以上。除此之外，三元鋰電池的安全穩(wěn)定性也飽受詬病。
如何使電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池兼顧安全、成本和能量密度，一直困擾著各大動(dòng)力電池供應(yīng)商、電動(dòng)汽車(chē)車(chē)企、高校和科研院所。那么是否有這么一種技術(shù)，可以保證車(chē)輛安全性和的同時(shí)進(jìn)一步降低生產(chǎn)制造成本？
近期，一個(gè)來(lái)自倫敦的研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了經(jīng)過(guò)500次充放電而不損失電池容量的鈉離子電池，該團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)的鈉離子電池或?qū)⒔鉀Q三元鋰電池的不穩(wěn)定和價(jià)格高的問(wèn)題。除倫敦的研發(fā)團(tuán)隊(duì)外，美國(guó)華盛頓州立大學(xué)也對(duì)鈉離子電池展開(kāi)了相關(guān)研究，攻克了阻止鈉離子流動(dòng)的鈉晶體堆積問(wèn)題。
據(jù)了解，鈉離子電池現(xiàn)在最大的技術(shù)難題和缺陷是能量密度較低，至少是比不上三元鋰電池的，但是與磷酸鐵鋰電池相比，兩者不相上下。倫敦的科研團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，他們正在攻克這一難題。
那么鈉離子電池到底是什么，又有哪些技術(shù)特點(diǎn)？是否會(huì)成為下一代主流電池技術(shù)呢？
▲倫敦科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鈉離子電池工作原理
一、三元鋰電池價(jià)格高，安全性差 鈉離子電池或?qū)⒊蔀槲磥?lái)主流
據(jù)了解，目前，大多數(shù)車(chē)企普遍選擇了能量密度更高的三元鋰電池，動(dòng)力電池供應(yīng)商還在不斷地增加電池內(nèi)部鎳元素的含量以求擁有更高的能量密度，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的續(xù)航里程。
有研究表明，三元鋰電池正極材料中的鎳元素富集使得電池的容量保持能力和熱穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)下滑。
具體來(lái)說(shuō)就是，當(dāng)NCM（鎳鈷錳）三元鋰電池正極材料中的鎳元素含量超過(guò)60%，NCA（鎳鈷鐵）三元鋰電池正極材料中的鎳元素含量超過(guò)80%，在經(jīng)過(guò)一定次數(shù)的循環(huán)使用后，電池正極會(huì)出現(xiàn)大量微裂紋，電極的阻抗增大，電極開(kāi)始析出氧氣，一旦電池內(nèi)部溫度達(dá)到250℃~350℃，三元鋰電池內(nèi)部的化學(xué)成分會(huì)開(kāi)始分解。
三元鋰電池正極出現(xiàn)大量微裂紋直接影響到電池的使用壽命，電極析出氧氣則極易導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生，進(jìn)而引發(fā)電池的起火爆炸。
不僅如此，三元鋰電池的造價(jià)也是居高不下是因其內(nèi)部含有鈷元素，而鈷的全球儲(chǔ)量?jī)H為720萬(wàn)噸，這使得該型電池每千瓦時(shí)的生產(chǎn)價(jià)格普遍在1000元以上。
三元鋰電池雖然提升了電池的能量密度，但制造成本高、安全性差。今年入夏以來(lái)，國(guó)內(nèi)就已經(jīng)發(fā)生了多起電動(dòng)汽車(chē)自燃的事故，5月26日在深圳福田區(qū)甚至發(fā)生了電動(dòng)汽車(chē)起火致人死亡的慘劇。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中大部分的自燃事故車(chē)輛搭載的是三元鋰電池。
▲搭載三元鋰電池的車(chē)輛自燃
另一種主流的電池是磷酸鐵鋰電池，相較于三元鋰電池該型電池不含鎳元素，所以安全性高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，但是180kWh/kg的電芯能量密度與三元鋰電池的240kWh/kg存在較大差距。此外因?yàn)榱姿徼F鋰電池不含鈷元素，比亞迪公司和寧德時(shí)代公司已經(jīng)將該型電池每千瓦時(shí)的生產(chǎn)成本控制在600元以內(nèi)。
磷酸鐵鋰電池雖然保證了電池的安全性和較低制造成本，但能量密度低的問(wèn)題又凸顯出來(lái)。
綜上，一直以來(lái)國(guó)內(nèi)外的動(dòng)力電池供應(yīng)商、車(chē)企、高校和科研院所都被動(dòng)力電池的安全、價(jià)格和能量密度之間的平衡問(wèn)題所困擾。
與鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理相似的鈉離子電池進(jìn)入科學(xué)家的視野，鈉離子電池是一種可循環(huán)充放電的二次電池，該電池具有安全穩(wěn)定性高和使用維護(hù)方便等優(yōu)勢(shì)，或?qū)椭鉀Q動(dòng)力電池所遇到的問(wèn)題。
二、多國(guó)研究發(fā)展鈉離子電池 英國(guó)法拉第公司開(kāi)始落地商用
據(jù)悉，已經(jīng)多個(gè)國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)對(duì)鈉離子電池技術(shù)展開(kāi)相關(guān)研究，其中其中英國(guó)法拉第公司已經(jīng)宣布與印度重型商用運(yùn)輸科技公司IPL展開(kāi)合作。
在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，鋰離子電池的全面應(yīng)用會(huì)造成鋰元素儲(chǔ)量減少，其價(jià)格也會(huì)隨之升高，而鈉元素在自然界中儲(chǔ)量豐富，制造和獲取手段也更加簡(jiǎn)單、成本也更低。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球鋰資源儲(chǔ)量約為1350萬(wàn)噸，探明儲(chǔ)量約為3978萬(wàn)噸，年產(chǎn)量3900噸，而全球鈉資源儲(chǔ)量約為160億噸以上，年產(chǎn)量20萬(wàn)噸。如此豐富的儲(chǔ)量和巨大的開(kāi)采量，鈉將助力動(dòng)力電池進(jìn)一步降低電池制造成本。
另外，在電池的使用維護(hù)方面，鈉離子電池不需要擔(dān)心電池過(guò)度充電與過(guò)度放電的問(wèn)題。
面對(duì)鈉離子電池的優(yōu)秀特性，各國(guó)研發(fā)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)展如何了？以下是鈉離子電池技術(shù)研究的具體信息。
2020年6月1日美國(guó)華盛頓州立大學(xué)（WSD）和太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員聯(lián)合宣布，成功研發(fā)了含鈷的鈉離子電池，并且已經(jīng)解決了鈉離子電池會(huì)在電池陰極形成阻止鈉離子流動(dòng)的鈉晶體堆積的問(wèn)題。
美國(guó)華盛頓州立大學(xué)研究小組負(fù)責(zé)人宋俊華（音譯：Song Junhua）表示，鈉晶體堆積問(wèn)題的解決將為鈉離子電池的發(fā)展鋪平道路，他們對(duì)電池陰極與電解質(zhì)之間的化合反應(yīng)了解的更加透徹，為將來(lái)鈉離子電池向無(wú)鈷化發(fā)展提供了可靠的依據(jù)?！?/p>
▲宋俊華和其團(tuán)隊(duì)所研制的鈉離子電池
2020年6月3日，英國(guó)倫敦的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功了含有機(jī)物的鈉離子電池，該有機(jī)物是一種碳?xì)浠衔?，主要的作用是固定鈉離子，這樣就使得鈉離子電池更加穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的使用壽命。該團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，他們對(duì)研發(fā)成功的鈉離子電池原型進(jìn)行了500次的充放電測(cè)試，該電池的電池容量并未有任何的衰減。
另外，倫敦科研團(tuán)隊(duì)稱(chēng)，得益于內(nèi)部的化合物一次性可攜帶兩個(gè)電子，鈉離子電池比鋰離子電池的充電速度更快。然而，鈉離子電池的充電速度到底有多快，該團(tuán)隊(duì)并未給出具體數(shù)據(jù)。
國(guó)內(nèi)的高校以及科研院所也對(duì)鈉離子電池展開(kāi)了相關(guān)研究，其中南京理工大學(xué)研發(fā)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的錳基正極材料，鈉離子電池充放電1000次后，比容量保持率高達(dá)94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標(biāo)準(zhǔn)約為80%。
如果說(shuō)這些都是實(shí)驗(yàn)室成果未落地商用，那么英國(guó)法拉第公司作為一家鈉離子電池制造供應(yīng)商就成了第一個(gè)“吃螃蟹”的公司。2020年6月15日，英國(guó)法拉第公司宣布與印度商用車(chē)運(yùn)輸科技IPL公司開(kāi)展合作，由法拉第公司向IPL公司提供鈉離子電池。
法拉第公司表示，“鈉離子電池技術(shù)提供了與傳統(tǒng)化學(xué)相似的性能，電芯能量密度達(dá)150kWh/kg~160kWh/kg，同時(shí)用更豐富的鈉替代了昂貴的材料，如鈷和鋰。與鋰離子電池不同的是，這些電池具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和安全性?！?/p>
三、鈉離子電池能量密度較低 不適用傳統(tǒng)負(fù)極材料
鈉離子雖然具有安全、穩(wěn)定和成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但凡事有利就有弊，該型電池也存在能量密度不足和不能使用石墨做負(fù)極的問(wèn)題。
倫敦研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人稱(chēng)，雖然他們成功研發(fā)了有機(jī)的鈉離子電池解決了電池的壽命和容量衰減問(wèn)題，但是在電池的能量密度方面一直沒(méi)有進(jìn)展，接下來(lái)會(huì)想辦法提高鈉離子電池的能量密度。
不只是能量密度的問(wèn)題，鈉離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然與鋰電池的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，但是一直作為電池負(fù)極的石墨并不能應(yīng)用于鈉離子電池上，這是因?yàn)殁c離子半徑比鋰離子半徑大，鈉離子的嵌入在熱力學(xué)上沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)，從而造成大量電池能量浪費(fèi)，電池實(shí)際輸出電能大幅減少。
若電池的負(fù)電極材料問(wèn)題得到解決，或許鈉離子的能量密度將得到大幅提升。
外媒對(duì)鈉離子電池發(fā)表評(píng)論稱(chēng)，“雖然鈉離子電池與鋰離子電池十分相似，但鋰離子電池的發(fā)展路線并不一定適用鈉離子電池，比如石墨在鋰離子電池上取得了商業(yè)上的成功，卻并不適用于鈉離子電池。每種電池技術(shù)都需要找到適合的技術(shù)方案，比如電池的正負(fù)極等。在解決電池負(fù)極材料之后，鈉離子電池技術(shù)或?qū)⒊蔀橐环N新的商業(yè)技術(shù)方案?！?/p>
鈉離子電池的研發(fā)成功使得電池的安全問(wèn)題和造價(jià)問(wèn)題得以解決，該電池或?qū)殡姵丶夹g(shù)帶來(lái)一條新的技術(shù)路線甚至成為未來(lái)電池技術(shù)的主流路線。
結(jié)語(yǔ)：電池技術(shù)不斷發(fā)展 多種技術(shù)路線并存
通過(guò)提高三元鋰電池中的鎳含量，確實(shí)解決了汽車(chē)的動(dòng)力電池的能量密度低問(wèn)題，電池安全問(wèn)題也隨之而來(lái)。如今關(guān)注的焦點(diǎn)又放在了磷酸鐵鋰電池上，寧德時(shí)代、比亞迪等動(dòng)力電池供應(yīng)商和車(chē)企在此領(lǐng)域展開(kāi)新一輪的廝殺。
國(guó)外通用汽車(chē)公司聯(lián)合動(dòng)力電池供應(yīng)商LG化學(xué)在三元鋰電池的基礎(chǔ)上添加了鋁元素以增強(qiáng)電池的穩(wěn)定性和安全性。
除了深耕在傳統(tǒng)動(dòng)力電池路線方面技術(shù)，今年早些時(shí)候，長(zhǎng)城蜂巢能源發(fā)布了自家的無(wú)鈷電池；近日，華盛頓州立大學(xué)聯(lián)合太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)了經(jīng)1000次充放電后損失20%電池容量的含鈷鈉離子電池；之后不久，英國(guó)倫敦研發(fā)團(tuán)隊(duì)又宣布經(jīng)500次充放電后，容量不受損傷的鈉離子電池研制成功。
可見(jiàn)，電池技術(shù)在不斷發(fā)展，已經(jīng)形成了多種技術(shù)路線并存的局面。最新的鈉離子電池雖然存在能量密度不足的問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)科研人員的不懈努力，鈉離子電池或?qū)⒃陔姵氐陌踩?、價(jià)格和使用壽命之間達(dá)到一種平衡，從而促進(jìn)汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展。
