早在1870年,法国预言家作家凡尔纳就在《海底两万里》中,首次提出了钠电池的构想:“鹦鹉螺号”通过取得海水中的电解质钠,制成钠电池作为能源。

150年过去,书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现,但钠电池潜水艇始终进展不大。直到今年7月,宁德时代发布了一款钠离子电池,让尼摩船长的“新能源潜水艇”有了眉目,也让更多人看到了这项“命途多舛”的技术。

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一块迟到四十年的电池

钠和锂,在元素周期表上位于同一主族,化学性质相似。钠离子电池与锂离子电池均起源于上世纪七八十年代,但命运却截然不同。

锂离子电池因为优异的电化学性能,成了手机、相机、汽车等大小电器必不可少的器件,而钠离子电池却因电池容量低、循环寿命短等短板,无人问津。直到2010年以后,才陆续有研究人员把钠电池这项老技术捡起来。

与锂电池一样,钠离子电池也有多条技术路线。

钠离子电池的技术路线

高温钠离子电池对工作温度要求高、安全性差,研究人员关注更多的是室温钠离子电池,并针对性开发出适合其性质的阴阳极材料,如在阳极上,有合金类、金属氧化物类和碳材料等选择,而阴极材料则包括聚阴离子类、普鲁士蓝衍生物、层状氧化物类等。

其中,层状氧化物和普鲁士蓝衍生物做阴极的钠电池,不仅成本便宜,而且能量密度接近磷酸铁锂电池,甚至还有所超越[1]。阳极材料用硬碳,能提高钠电池的可逆比容量和循环寿命。

在宁德时代发布会上,提到了这三种电极材料,根据发布会新闻稿,宁德时代确认其钠电池采用“普鲁士白”作为正极材料,它是普鲁士蓝的还原产物。

不同技术路线的锂电池(左)、钠电池(中)和钾电池(右)的材料成本和能量密度对比

解决了关键的容量和寿命问题,钠离子电池的应用自然多了起来。宁德时代炒热了钠电池,然而它并不是第一家生产钠电池的中国公司,在它之前,超威、星空、中科海钠等多家公司,都已涉足钠电池的研发与生产。

此外,中国长城、鹏辉能源、圣阳股份等公司已经研发出了钠离子电池样品。欣旺达、百川股份等也在为钠离子电池进行技术和专利储备。

从被科研人员抛弃,到大公司争相研发,钠离子电池为什么突然吃香?

新能源的未来在“钠”里

新能源蓬勃发展、碳中和成为世界议题。各国纷纷推出政策,将“停产燃油车”提上日程,电动车取而代之。但这又带来另一个问题:锂资源不够用了。

全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14．8亿辆电动汽车,而根据前瞻产业研究院的数据,2020年全球汽车保有量便超过14．9亿辆[2]。

更不必说,中国锂资源紧张,高度依赖进口。

2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6．5万吨,其余锂精矿依赖进口,共进口172万吨锂辉石精矿,且进口矿石主要都来自澳大利亚[3]。鉴于近年紧张的中澳关系,寻找锂电池的替代产品意义非凡。

业界对钠离子电池寄予厚望。

一方面,钠元素的含量足够丰富。锂在地壳中的含量只有0．0065%,而钠的含量则为2．75%,是前者的400多倍。

另一方面,钠离子电池成本低、安全性高。据中科海钠的测算,钠离子电池的材料成本,比锂离子电池低30%～40%[4]。并且由于钠电池化学性性能稳定,不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶,在安全性上较同类别的锂离子电池体系具有优势[5]。

来源:中科海钠官网

但钠电池该用在哪里呢?