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    寧德鈉電池深度分析

    發布日期:2021-08-06  來源:第一電動

    核心提示:寧德鈉電池深度分析:續航330km,15.99萬的特斯拉Model 3你會買嗎?
    寧德時代發布了新一代鈉離子電池。
     
    眾所周知,目前最主流的電池是鋰離子電池,原因有很多,比如鋰最輕,以及鋰可以形成最高的電池電壓。但鋰的缺點也很明顯:地球上的儲量太少,因此價格很高。于是,鈉離子電池的概念應運而生。
     
    鈉離子電池并不是新鮮概念。早在20世紀70年代就有類似的概念提出,畢竟這個思路太自然不過了——鈉和鋰是最接近的堿金屬元素,而且鈉在地球上的儲量實在非常多,這個看看家里的鹽罐子就知道。
     
    但是鈉也存在一些與鋰不同的性質:鈉比鋰的電位稍微“正”了一點,因此電池的能量密度會降低一點;
     
     
    (從這張圖里還可以看到其他有研究潛力的電池體系,如鉀離子電池,鈣離子電池,鎂離子電池等)
     
    另外,鈉比鋰的原子尺寸也大了一點,也重了一點。
     
     
    也因此導致了鋰離子與鈉離子電池的諸多不同。
     
    首先是兩者使用的材料不同。由于原子尺寸大了一點,容易卡在材料內部出不來,可以供鋰離子存儲的正負極材料通常無法供鈉離子使用。因此關鍵在于開發新體系的正負極材料,正如寧德時代董事長曾毓群所說,“有人在議論,電池的化學體系已經很難創新了,只能在物理結構上做些改進;我們認為電化學的世界,就像能量魔方,未知遠遠大于已知,我們樂此不疲地探索其中的奧秘。” 在這里,也對這些孜孜不倦研發材料的科學家和工程師們表達我們的敬意。
     
    在多種鈉離子電池用正極材料體系中,寧德時代選擇了“普魯士白”體系。這類材料具有克容量較高,不含貴重金屬因此價格很低,以及電壓平臺很高等優點:
     
     
    可見材料為白色粉末狀。
     
    Mn摻雜使得材料電壓平臺(相對于鈉金屬)高達3.7V,有助于實現電池的高能量密度
     
    但其缺點也很明顯:其本身的晶體結構不是很穩定,會在循環中發生結構變化,導致循環容量衰減;同時,普魯士白材料難以完全去除結晶水,會在循環中發生水與負極的副反應,引起電池產氣。從某種意義上來說,由于結晶水恰恰是穩定普魯士白晶體結構的關鍵,這兩個缺點難以同時解決,如何平衡這兩個問題,就成為了鈉離子電池應用的關鍵。
     
    也正因此,此前基本沒有廠商發布過循環可超過千次的普魯士白類正極材料。寧德時代自稱解決了這個問題,其通過材料計算方法進行了大量嘗試后對實驗方向進行了指導。至于其所使用的具體途徑,包括材料表面修飾和體相的改進,可以通過查閱其近期專利尋找線索。寧德時代此次發布的克容量160mAh/g與磷酸鐵鋰材料的克容量接近。但發布會并未提及電池循環壽命,因此還有待進一步了解。
     
    鈉電的負極材料也與鋰離子電池不同。絕大多數鋰離子電池之所以使用石墨作為負極材料,是因為鋰離子可以與石墨形成LiC6結構的穩定插層化合物。但石墨無法用于鈉電:其無法與鈉形成穩定結構的化合物(這并非是由于鈉離子尺寸比鋰離子大,因為令人費解的是,比鈉離子更大的鉀離子卻可以與石墨良好兼容,其中的原因尚未得到解釋)。
     
    因此,鈉電的負極材料研究共識為采用另一些層間距更大的碳材料,如中科海鈉發布的無煙煤基,以及此次寧德時代發布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同時實現了與石墨接近的克容量(350mAh/g)發揮,同時由于層間距較大等因素,原子可以快速進出層間,使得電池快充與低溫充放電成為可能。
     
    硬碳儲存鈉的優勢就在于其晶面間隙大,缺陷位置較多,因此可以容納較多的鈉。同時作為碳材料之一與石墨工藝接近,也因此成為了最主流的鈉電負極材料:
     
    但實際上硬碳是一個比石墨門類廣泛得多的領域(所謂硬碳,即由于碳材料結構混亂,高溫燒結仍然不會形成石墨的層狀結構,如上圖。無煙煤基碳材料本質上也可以歸類為硬碳),此次發布會實際上并未透露所使用硬碳的具體信息。此外,由于硬碳材料較低的首次庫倫效率,會導致電池的容量低于同等條件下的鋰離子電池。
     
    電解液語焉不詳。其可能與鋰離子電池使用的電解液差別不大,不過對于特殊的正負極材料需要使用特殊的添加劑及溶劑,以避免發生正極材料溶出等問題。
     
    其余,隔離膜,殼體,集電體等結構可以與鋰離子電池相同。也因此,鈉離子電池可以使用與鋰離子電池接近的工藝路線進行生產,降低了工藝開發與設備改造的相應成本。這里還有鈉離子電池的另一個特點:由于鋰會與鋁箔發生反應引起合金化,因此鋰離子電池負極必須使用耐還原的銅作為集電體,而銅的密度是鋁的三倍多,增加了電池的重量同時提高了電池成本。鈉電中則不會有此問題,正負極都可以使用更輕更廉價的鋁作為集電體,也有助于提升電池重量能量密度并降低成本。
     
    其次,至于鋰電、鈉電混用的BMS,個人認為其更接近于模組層面的并聯,通過控制充放電模式來分別對鋰電或鈉電模組進行控制。否則,由于鋰電與鈉電的不一致,會導致系統難以穩定工作。
     
    綜上分析,如果寧德時代的發布會內容為真實的,則其確實將鈉離子電池商用化推進了一步,但即使是從最基礎的材料層面分析,仍然遠不足以稱其為一個成熟可用的體系。其優點在于,由于使用正負極材料容量均與磷酸鐵鋰電池類似,因此可以將其視為一種 “成本較低,容量稍低,能量密度稍低,循環性能未提供數據”的低成本磷酸鐵鋰電池,其優異的低成本優勢可在中低端領域發揮特長,取代鋰離子電池。但不足之處仍然很多而且短期內難以克服,如循環性能尚不清楚,能量密度仍然較低等,可認為其短時間內可能會應用于兩輪電動車等產品,而在電動汽車及儲能等應用尚需要進一步完善。這也就解釋了為何此次發布的電池包括圓柱電池和硬殼電池。
     
    另外此次寧德時代僅透露了其電池的能量密度為160Wh/kg,卻并未提及另一個同樣重要的指標:體積能量密度。
     
    由于汽車尺寸的限制,電池包的體積能量密度越高則可以容納更大容量的電池。這也是比亞迪發布刀片電池和寧德時代發布CTP電池的原因:通過省去電池的模組結構提高電池的體積利用率。也正因此,比亞迪高調宣傳其刀片電池可以實現體積能量密度提高50%(280Wh/L)的巨大優勢。
     
    而這恰恰是鈉離子電池的另一個巨大短板所在:由于所用材料普魯士白(1.8g/cm3)與硬碳材料(1g/cm3)的壓實密度都遠低于磷酸鐵鋰(2.4g/cm3)與石墨(1.7g/cm3)等材料,同時使用了更輕但更厚的鋁箔作為負極集電體,因此相同容量下電池的體積會遠大于鋰離子電池,粗略計算有磷酸鐵鋰電池的1.4倍左右(同體積容量是鋰離子電池的70%)。
     
    這一點是由所使用材料體系決定的,因此短期內無解決的跡象。
     
    以model3為例子,其NEDC里程為468km,若全部更換為鈉離子電池,其里程會下降到約327.6km左右,考慮到冬季加熱需求,冬季續航可能僅剩262.8km。但同樣地,其電芯的BOM成本也能降低約20%。
     
    我們按照目前最新的電芯成本來看,方形磷酸鐵鋰的價格為617元/kwh,特斯拉Model 3標準續航升級版55度電芯的成本為33935元,如替換成鈉離子電池,電量按照70%計算為38.5kwh,成本降低20%為493.6元/kwh,實際成本下降到19003.6元。(降低14931.4元)
     
    ——這么看來,假設把當前Model 3的電池改為鈉離子電池,我們可以獲得一臺22.09萬,續航330km的model3,再考慮到這臺車的續航和標準續航版相比差異實在太大,以及特斯拉一直有大約20%的賣車毛利,所以這臺車特斯拉犧牲下毛利,是可以做到19.99萬的。
     
    而根據很多專業機構的預測,隨著特斯拉第二工廠的建立、產能進一步擴大,標準續航版車型價格一定會降到19.99萬。
     
    屆時按照特斯拉一貫的定價體系,如果有鈉離子電池的車型,這款車或許可以打到15.99萬的區間去。
     
    ——那么一臺15.99萬,春秋續航330km,冬季續航260km和標準版差不多的特斯拉,你會購買嗎?
     
    這些數據或許暗示著,鈉離子電池最終的大規模應用可能在于儲能?;蛟S未來,我們在用電高峰期使用的電能,就會有相當一部分由這些臃腫但廉價的鈉離子電池提供。

     
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