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钠电池行业分析
有关部门将支持钠离子电池加速创新成果转化,支持先进产品量
产能力建设。同时,根据产业发展进程适时完善有关产品目录,促进
性能优异、符合条件的钠离子电池在新能源电站、交通工具、通信基
站等领域加快应用;通过产学研协同创新,推动钠离子电池全面商业
化。
工信部长期以来积极推动新型电池产业发展。一是制定发布《信
息产业发展指南(2016—2020年)》,推动新型电池技术进步和创新
升级,支持钠离子电池、液流电池等新型电池产业发展。二是积极开
展电池领域相关标准研制工作,推动将先进技术创新成果转化为标准,
规范和引领产业高质量发展。三是支持电池检测平台建设,指导组建
国家动力电池制造业创新中心,统筹资源推动产业技术进步,支持新
型正极材料等关键技术攻关和产业化。
一、钠电池负极材料-硬碳:首次库伦效率和倍率性能是核心参数
指标
性能短板:低的首次库伦效率和差的倍率性是硬碳性能的短板,
通过优化工艺流程得到初步解决。
首次库伦效率:硬碳具有大的比表面积和大量缺陷,从而造成低
的首次库伦效率。而首次库伦效率低反应了电池在首次充放电过程中
发生了大量的不可逆反应,其中主要包括再循环过程中电解液分解形
成电解质界面膜(SEI)对部分钠离子的消耗和由高比表面积、孔隙、
缺陷和官能团引起的其他不可逆反应的结果。在全电池中,钠含量的
消耗直接影响电池的容量,低的库伦效率必将造成电池整体容量的较
大衰减。因此,减小硬碳负极材料的比表面积、减少缺陷及闭合部分
孔隙,从而提高硬碳材料的库伦效率是产业化必须解决的问题。目前
在工艺流程上,可通过软硬碳复合、小分子填补缺陷以及降低热解速
率等措施得到提升。
倍率性能:反应出负极材料内部动力学性能,其中包括电子的导
电性和离子的扩散速率。普遍认为,相对于钠离子在硬碳材料层间的
脱嵌,在材料表面缺陷的吸/脱附相对来说更容易。丰富的缺陷及较大
的层间距都有利于硬碳倍率性能的提升。目前在工艺流程上,可通过
软硬模板结合法、碱活化、掺杂等来改善。
二、钠电池正极材料-聚阴离子化合物:成本低、循环好,有望应
用于中远期储能市场
聚阴离子化合物NaxMy(XaOb)zZw,(M为Ti、V、Cr、Mn、Fe、
Ni等中的一种或几种;X为S、P等;Z为F等),是由聚阴离子多面
体和过渡金属离子多面体通过强共价键连接形成的具有三维网络结构
的化合物,钠离子占据其中的通道位置。目前一系列包括磷酸根和氟
磷酸根在内的聚阴离子化合物在钠离子电池中得到了广泛的研究,也
取得了许多显著和重要的进展。然而聚阴离子化合物存在的一些瓶颈
仍然限制了实际应用,例如有限的容量和低的电导率。在研究工作中,
特别关注该材料的设计,反应机理的表征以及电化学性能的改善策略。
聚阴离子的苦恼:含钒=成本高+有毒,降钒+降本是产业化的关键
掣肘。磷酸钒钠(Na3V2(PO4)3),因具有理论容量大、化学稳定性
好、使用寿命长、天然丰度高等优点,受到广泛关注。然而由于磷酸
钒钠中含钒元素,也存在成本较高和具有毒性等问题(钒的价格相较
于铁、锰等金属波动性较大,且相较于铁、锰等金属价格较高)。
三、从电池的安全性来看,钠离子电池具有更好的热稳定性
全球锂电池起火事故频出,电动车、储能起火事故频发,据不完
全统计,2011-2021年全球共发生32起储能电站起火爆炸事故,其中
26起事故采用三元锂离子电池。
钠离子电池电化学性能相对稳定,热失控过程中容易钝化失活,
安全实验表现较锂离子电池更好。目前,钠离子电池已通过中汽中心
的检测,针剌时不冒烟、不起火、不爆炸,经受短路、过充、过放、
挤压等实验也不起火燃烧。对比锂离子电池起始自加热温度达到165℃,
钠离子电池则达到260℃:且在ARC测试中钠离子电池最大自加热速度
显著低于锂离子电池,这些均表明钠离子电池具有更好的热稳定性。
四、锂电池价格上涨,推动钠离子电池需求量的增加
钠离子电池的研发起步较早,产业化应用的速度不及锂离子电池,
但近年来学术研究和产业应用的热度持续上升。在1967年,高温钠硫
电池出现是钠离子电池发展的萌芽时期,到1979年法国的Armand提
出了摇椅式电池的概念后,由于锂离子电池体系中应用较为广泛的石
墨负极储钠能力欠缺,对钠离子电池的研究几乎停滞。直至2000年加
拿大Da
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