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下面是武漢大學(xué)的曹余良教授在《第三屆全國(guó)鋰電池失效分析與測(cè)試技術(shù)研討會(huì)》做的題為《鈉離子電池材料和體系的問(wèn)題及發(fā)展》的報(bào)告。
實(shí)際上面對(duì)近年來(lái)鋰離子電池成本不斷減低的壓力，以前認(rèn)為鈉離子電池的廉價(jià)材料優(yōu)勢(shì)受到了一定的沖擊，那么在這種情況下，鈉離子電池如何發(fā)展，路在何方？值得我們?nèi)ド钊胨伎嫉?。今天我僅根據(jù)我們的一些研究和最近的一些思考，談?wù)勎业囊恍┛捶?。我從以下幾個(gè)方面給大家匯報(bào)一下。
一、背景。
這里主要說(shuō)的鈉離子電池主要用于規(guī)模儲(chǔ)能，比我們的手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)的容量更大領(lǐng)域。比如這里有一個(gè)風(fēng)機(jī)，要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的話需要將近600輛電動(dòng)汽車(chē)的電池，這個(gè)儲(chǔ)能量非常大，因此我們需要的電池材料一定是無(wú)資源限制而且非常廉價(jià)的。
對(duì)于鋰資源夠不夠的問(wèn)題，實(shí)際上我們?cè)?016年已經(jīng)探討過(guò)，從當(dāng)時(shí)計(jì)算到現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，數(shù)據(jù)應(yīng)該還是符合的現(xiàn)實(shí)情況的。有很多人說(shuō)鋰可以循環(huán)使用，肯定還是足夠的，但是足夠是能夠滿足哪些領(lǐng)域的需求呢？我們覺(jué)得電動(dòng)汽車(chē)還是足夠使用的，但是如果大規(guī)模儲(chǔ)能的話必然面臨到鋰的短缺，不能說(shuō)完全，但是肯定是受到資源制約的。
二、電池成本分析。
我們以實(shí)際的鋰離子電池分析一下鈉離子電池成本到底是多少？這里所談及的成本包括人工、水電及所有材料，這個(gè)數(shù)據(jù)是基于2019年上半年的磷酸鐵鋰電池成本數(shù)據(jù)得到的。這是110Ah的磷酸鐵鋰電池，比能量為165Wh/kg，成本是0.54元每瓦時(shí)。這里面最大占比還是制造和輔材成本，輔材是除了正負(fù)極材料、隔膜、電解液以外的材料。所以從這些數(shù)據(jù)來(lái)看，大部分的成本其實(shí)在輔材和制造成本上。今年的成本報(bào)價(jià)，聽(tīng)說(shuō)磷酸鐵鋰電池的成本已經(jīng)降到三毛幾每瓦時(shí)，主要是在輔材和制造成本的下降，促使電池成本進(jìn)一步降低。我們大概算了一下，從材料的能量密度到實(shí)際電池能量密度的實(shí)現(xiàn)效率大概為47%。我們以47%為基準(zhǔn)，探討一下鈉離子電池成本會(huì)在什么水平？正極以磷酸鐵鈉類(lèi)為例，并且正負(fù)極材料都是以兩萬(wàn)每噸來(lái)計(jì)算，所得的成本約是0.61元每瓦時(shí)，比磷酸鐵鋰電池的0.54元要高，高在哪里呢？主要是高在輔材和制造方面，那為什么呢？主要是因?yàn)殁c離子電池的比能量大概為110Wh/kg，不到鋰離子電池的三分之二，所以會(huì)造成在單位瓦時(shí)下的輔材和制造的成本升高。按照現(xiàn)在的制造和輔材成本的下降程度，鈉離子電池的成本會(huì)降得更低。但從目前情況看，鈉離子電池的成本是不如鋰電的。
如何將鈉離子電池的資源優(yōu)勢(shì)變成成本優(yōu)勢(shì)？還有鈉電池到底往哪兒走？剛才胡老師的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)給了我們一個(gè)很好的方向。
從我們分析來(lái)看，除了鋰資源的用量以外，其實(shí)我們還需要注意三個(gè)80%：80%的鋰在國(guó)外，中國(guó)儲(chǔ)量不算豐富，但是即使中國(guó)所有的鋰中有80%都是來(lái)自鹵水（Mg/Li比高，開(kāi)發(fā)技術(shù)較難、成本較高），同時(shí)80%鋰需要進(jìn)口。所以我們要發(fā)展后備的電池儲(chǔ)能技術(shù)是必然的，需要責(zé)無(wú)旁貸地發(fā)展無(wú)資源限制的鈉離子電池，即使其成本現(xiàn)不如鋰電池的成本，這對(duì)于將來(lái)也是非常有必要的，特別是在保障國(guó)家能源安全方面。
從剛才我們分析的鈉離子電池成本圖中可以看出，比能量達(dá)到是110Wh/kg時(shí)成本6毛多，如果增加能量密度成本就會(huì)降到5毛多，所以要降低成本，提高電池的比能量是一種途徑。
同時(shí)我們也分析了鋰離子電池電解液以及電芯價(jià)格的變化情況。當(dāng)碳酸鋰的價(jià)格為6萬(wàn)元一噸時(shí)，電池成本大概在5毛多，當(dāng)達(dá)到10萬(wàn)一噸時(shí)大概是6毛多，如果有溢價(jià)的話，鋰離子電池的成本大概上升到0.68元左右。如果在溢價(jià)情況下，當(dāng)碳酸鋰的價(jià)格達(dá)到15萬(wàn)每噸，鈉離子電池如果做到100Wh/kg，成本也是可以接受的，做到120Wh/kg可以相當(dāng)于現(xiàn)在6萬(wàn)一噸碳酸鋰時(shí)鋰離子電池的價(jià)格。這樣從成本看，鈉離子電池還是有希望與鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)的，特別是在輔材和制造成本進(jìn)一步降低的未來(lái)，希望就更大了。
三、正極材料。
如何選正極材料？我們做了很多研究，可用的大致有三類(lèi)：氧化物，磷酸鹽，鐵氰化物。
第一類(lèi)氧化物。在成本上或者穩(wěn)定上最好的材料應(yīng)該是隧道型的Na0.44MnO2，它主要是由三維框架組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，但是最大的問(wèn)題是充電只有60mAh/g的容量，在全電池中無(wú)法利用120mAh/g的放電容量。如果有什么技術(shù)，比如補(bǔ)鈉的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)提高充電容量的話，這個(gè)材料從成本和性能方面看是最為理想的。如果這個(gè)材料有120mAh/g的可逆容量,所組成的實(shí)際電池能夠得到110Wh/kg的比能量，而且這個(gè)材料還有一個(gè)好處是它對(duì)水不敏感，不像其他O3或P2氧化物材料需要較為苛刻的電池生產(chǎn)環(huán)境。
還有含銅的P2層狀氧化物體系，其比容量約為100mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以達(dá)到115Wh/kg，實(shí)際電池性能與我們計(jì)算的非常接近。還有O3結(jié)構(gòu)的層狀鎳鐵錳氧化物材料，這種材料的優(yōu)勢(shì)就是比容量比較高，能夠達(dá)到130mAh/g，如果材料比容量達(dá)到130mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量就可以達(dá)到120Wh/kg。
磷酸鹽體系。最先研究的是類(lèi)似磷酸鐵鋰的磷酸鐵鈉材料，由于橄欖石型磷酸鐵鈉材料不像磷酸鐵鋰材料可以通過(guò)簡(jiǎn)單的固相高溫合成，目前主要是靠電化學(xué)轉(zhuǎn)化法來(lái)制備。我們?cè)?015年提出在水溶液中進(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，雖然比有機(jī)溶液中更易操作和簡(jiǎn)單，但是這個(gè)途徑成本還是很高的，且制備過(guò)程很復(fù)雜。還有一種復(fù)合磷酸鐵鈉材料，有可能成為類(lèi)似于磷酸鐵鋰的材料體系被廣泛應(yīng)用，其容量可達(dá)到120mAh/g，所組成實(shí)際電池的能量密度也可以達(dá)到115Wh/kg。這種材料具有低的成本、無(wú)資源限制的元素、循環(huán)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，類(lèi)似于磷酸鐵鋰材料易于批量化，從而受到了廣泛關(guān)注。
針對(duì)這種復(fù)合磷酸鐵鈉材料，我們也試驗(yàn)了小軟包電池，從圖中可以看出，電池的循環(huán)穩(wěn)定性是非常好的，類(lèi)似于磷酸鐵鋰材料的性能，但是其能量密度會(huì)比使用氧化物正極的電池低一些。還有一種層狀的氟代磷酸鐵鈉的性能也是可以的，它的比容量大概在110mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以做到105Wh/kg左右。
磷酸釩鈉材料也是一種性能優(yōu)異的材料體系，但其最大的問(wèn)題是釩的成本比較高，但如果與液流電池相對(duì)比的話，在相同瓦時(shí)下使用磷酸釩鈉的鈉離子電池釩用量大約是液流電池的三分之一，從這個(gè)角度看它的成本比液流電池會(huì)低一些。
另外一個(gè)是氟代磷酸釩鈉材料。其平均電壓比較高，達(dá)到3.8V,雖然容量與磷酸釩鈉材料相當(dāng)，但它所組成實(shí)際電池的能量密度可以達(dá)到130Wh/kg以上，這個(gè)能量密度在鈉離子電池中還是非常誘人的。
鐵氰化物正極材料的倍率性、穩(wěn)定性都很好，由此對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)的鐵鐵、鐵錳體系進(jìn)行了諸多研究，但問(wèn)題是材料中的水很難除去，除水問(wèn)題是這個(gè)材料比較大的應(yīng)用難題。鐵鐵普魯士蘭材料如果比容量有140mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以達(dá)到130Wh/kg。
還有鐵錳普魯士蘭材料，其電壓高（約3.6V)，比能量會(huì)更高，其存在的問(wèn)題與鐵鐵普魯士蘭材料是一樣的，都存在除水的問(wèn)題，這在規(guī)模制備過(guò)程中還是有難度的。
這里我們預(yù)測(cè)了一些較為實(shí)用的正極材料所組成實(shí)際電池比能量。氧化物體系如果從120 mAh/g的比容量提高到140 mAh/g甚至到200 mAh/g，電池的比能量將近可以從100到180Wh/kg，然而材料的比容量越高，其循環(huán)穩(wěn)定性就約差，這在實(shí)際應(yīng)用中需要需求一個(gè)平衡點(diǎn)。如果是復(fù)合磷酸鐵鈉材料，電池比能量可以達(dá)到110Wh/kg；O3氧化物材料的電池可以達(dá)到將近120 Wh/kg；磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉正極材料的比容量在110 mAh/g時(shí)，電池可以達(dá)到120和130Wh/kg；而普魯士蘭類(lèi)正極材料，鐵鐵普魯士蘭電池可達(dá)到130 Wh/kg，鐵錳普魯士蘭電池可達(dá)到130 Wh/kg。大家可以在這些材料中選擇不同體系進(jìn)行嘗試和驗(yàn)證。
四、碳負(fù)極材料。
對(duì)于鈉離子電池負(fù)極材料，硬碳應(yīng)該是最具商品化的材料體系，但大家知道硬碳價(jià)格都很高，這主要是所用的原料和生產(chǎn)過(guò)程太復(fù)雜。對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，需要采用最便宜的原料做最好性能的硬碳。因此，廉價(jià)生物質(zhì)是最優(yōu)的選擇。然而，生物質(zhì)做硬碳需要克服高燒失率對(duì)制備效率的影響。怎么從生物質(zhì)高效制備硬碳呢？我們利用生物質(zhì)無(wú)能耗預(yù)熱解過(guò)程，能夠?qū)a(chǎn)品碳的燒失率降低到20%以下。所制備的碳材料雖然容量要比對(duì)標(biāo)的日本硬碳稍微低一點(diǎn)，但是循環(huán)性能與日本硬碳非常相近，這樣不僅可以降低廢棄生物質(zhì)的環(huán)保壓力，還能將硬碳材料的成本，從而使整個(gè)電池的成本進(jìn)一步降低。
因此，發(fā)展無(wú)資源限制、低成本的鈉離子電池，我覺(jué)得正負(fù)極材料的成本需要降到1萬(wàn)元以下，這樣成本才有可能與現(xiàn)有的鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)。正極可以選擇鐵錳的氧化物、聚陰離子和普魯士蘭類(lèi)的材料，負(fù)極現(xiàn)只能是硬碳材料，要做低成本的硬碳材料。另外一個(gè)降低電池成本的途徑是提高電池的能量密度。然而在現(xiàn)在成本還沒(méi)有鋰離子電池有優(yōu)勢(shì)的情況下，我覺(jué)得鈉離子電池可能要從“能量替代”上升為“儲(chǔ)能備份”的國(guó)家戰(zhàn)略，到鋰資源被國(guó)外卡脖子時(shí)，我們要有能量備份的儲(chǔ)能體系，可以填補(bǔ)規(guī)模鋰離子電池的空缺。
五、電池安全性能。
另一個(gè)問(wèn)題就是鈉離子電池的安全性。我們也看到一些報(bào)道提到了鈉離子電池中金屬鈉的析出。金屬鈉的析出是不是造成更大的安全性問(wèn)題？這個(gè)我們還不能給出確定的回答，但是我們可以預(yù)測(cè)其安全性不容樂(lè)觀。實(shí)際上，我們也做了40Ah鈉離子電池的安全性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)安全性能還不錯(cuò)，不會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸現(xiàn)象。我們分析這里面大部分的原因可能是由于電池的比容量比較低，產(chǎn)熱比較小所造成的。假如進(jìn)一步提高鈉電池的能量密度，有可能安全性就會(huì)成為凸顯的因素。因此，我們需要將目前可燃的有機(jī)碳酸酯電解液替換為不燃的電解液體系。比如這種非燃的磷酸酯，我們?cè)谶@方面做了一些工作。通過(guò)調(diào)節(jié)鹽與溶劑的摩爾比率，我們發(fā)現(xiàn)在高的摩爾比率下會(huì)提高電解液的穩(wěn)定性，在鋰離子電池中石墨負(fù)極能夠可逆充放電，18650型實(shí)際電池也可給出比較好的循環(huán)性能以及倍率放電性能。從安全性試驗(yàn)來(lái)看，非燃磷酸酯電解液的電池沒(méi)有顯示任何安全問(wèn)題，但同樣型號(hào)碳酸酯電解液電池則燃燒、爆炸。這類(lèi)電解液也可以用在金屬鋰電池，也具有比較好的循環(huán)性能，這樣就為高比能的安全二次電池體系提供一種思路。同時(shí)對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，采用類(lèi)似的電解液同樣可以在負(fù)極獲得比較可逆的電化學(xué)性能，同時(shí)我們也在小軟包電池中進(jìn)行試驗(yàn)，顯示出優(yōu)異的循環(huán)性能。這為提高鈉離子電池的安全性提供了一種可選途徑。
總之，鋰離子電池成本的減低給了鈉離子電池發(fā)展相當(dāng)壓力，如何選擇材料和體系，是鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵，一些建議如下：
1、鈉離子電池與鋰離子電池相比，優(yōu)勢(shì)在“鈉（哪）”？首要發(fā)展具有資源豐富的電極材料，在材料上具有成本優(yōu)勢(shì)；另國(guó)際戰(zhàn)略環(huán)境影響也應(yīng)該考慮，可作為一種“儲(chǔ)能備份”。
2、當(dāng)鋰資源價(jià)格上漲到15萬(wàn)/噸時(shí)，100Wh/kg能量密度的鈉離子電池體系也具有一定應(yīng)用可能性；體系的能量密度也是與鋰離子電池成本競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素，在考慮到資源的情況下，盡可能提高電池的比能量；
3、鑒于目前所測(cè)鈉離子電池反映出較好的安全性能，且可以完全放電，這樣在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用方面可降低安全運(yùn)輸、管理系統(tǒng)和外部保護(hù)的費(fèi)用，可顯示出一定優(yōu)勢(shì)；
4、發(fā)展非燃電解液提升體系的安全性能，是改善規(guī)模應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)。
（來(lái)源： 深水科技咨詢）
一、背景。
這里主要說(shuō)的鈉離子電池主要用于規(guī)模儲(chǔ)能，比我們的手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)的容量更大領(lǐng)域。比如這里有一個(gè)風(fēng)機(jī)，要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的話需要將近600輛電動(dòng)汽車(chē)的電池，這個(gè)儲(chǔ)能量非常大，因此我們需要的電池材料一定是無(wú)資源限制而且非常廉價(jià)的。
對(duì)于鋰資源夠不夠的問(wèn)題，實(shí)際上我們?cè)?016年已經(jīng)探討過(guò)，從當(dāng)時(shí)計(jì)算到現(xiàn)在的發(fā)展來(lái)看，數(shù)據(jù)應(yīng)該還是符合的現(xiàn)實(shí)情況的。有很多人說(shuō)鋰可以循環(huán)使用，肯定還是足夠的，但是足夠是能夠滿足哪些領(lǐng)域的需求呢？我們覺(jué)得電動(dòng)汽車(chē)還是足夠使用的，但是如果大規(guī)模儲(chǔ)能的話必然面臨到鋰的短缺，不能說(shuō)完全，但是肯定是受到資源制約的。
二、電池成本分析。
我們以實(shí)際的鋰離子電池分析一下鈉離子電池成本到底是多少？這里所談及的成本包括人工、水電及所有材料，這個(gè)數(shù)據(jù)是基于2019年上半年的磷酸鐵鋰電池成本數(shù)據(jù)得到的。這是110Ah的磷酸鐵鋰電池，比能量為165Wh/kg，成本是0.54元每瓦時(shí)。這里面最大占比還是制造和輔材成本，輔材是除了正負(fù)極材料、隔膜、電解液以外的材料。所以從這些數(shù)據(jù)來(lái)看，大部分的成本其實(shí)在輔材和制造成本上。今年的成本報(bào)價(jià)，聽(tīng)說(shuō)磷酸鐵鋰電池的成本已經(jīng)降到三毛幾每瓦時(shí)，主要是在輔材和制造成本的下降，促使電池成本進(jìn)一步降低。我們大概算了一下，從材料的能量密度到實(shí)際電池能量密度的實(shí)現(xiàn)效率大概為47%。我們以47%為基準(zhǔn)，探討一下鈉離子電池成本會(huì)在什么水平？正極以磷酸鐵鈉類(lèi)為例，并且正負(fù)極材料都是以兩萬(wàn)每噸來(lái)計(jì)算，所得的成本約是0.61元每瓦時(shí)，比磷酸鐵鋰電池的0.54元要高，高在哪里呢？主要是高在輔材和制造方面，那為什么呢？主要是因?yàn)殁c離子電池的比能量大概為110Wh/kg，不到鋰離子電池的三分之二，所以會(huì)造成在單位瓦時(shí)下的輔材和制造的成本升高。按照現(xiàn)在的制造和輔材成本的下降程度，鈉離子電池的成本會(huì)降得更低。但從目前情況看，鈉離子電池的成本是不如鋰電的。
如何將鈉離子電池的資源優(yōu)勢(shì)變成成本優(yōu)勢(shì)？還有鈉電池到底往哪兒走？剛才胡老師的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)給了我們一個(gè)很好的方向。
從我們分析來(lái)看，除了鋰資源的用量以外，其實(shí)我們還需要注意三個(gè)80%：80%的鋰在國(guó)外，中國(guó)儲(chǔ)量不算豐富，但是即使中國(guó)所有的鋰中有80%都是來(lái)自鹵水（Mg/Li比高，開(kāi)發(fā)技術(shù)較難、成本較高），同時(shí)80%鋰需要進(jìn)口。所以我們要發(fā)展后備的電池儲(chǔ)能技術(shù)是必然的，需要責(zé)無(wú)旁貸地發(fā)展無(wú)資源限制的鈉離子電池，即使其成本現(xiàn)不如鋰電池的成本，這對(duì)于將來(lái)也是非常有必要的，特別是在保障國(guó)家能源安全方面。
從剛才我們分析的鈉離子電池成本圖中可以看出，比能量達(dá)到是110Wh/kg時(shí)成本6毛多，如果增加能量密度成本就會(huì)降到5毛多，所以要降低成本，提高電池的比能量是一種途徑。
同時(shí)我們也分析了鋰離子電池電解液以及電芯價(jià)格的變化情況。當(dāng)碳酸鋰的價(jià)格為6萬(wàn)元一噸時(shí)，電池成本大概在5毛多，當(dāng)達(dá)到10萬(wàn)一噸時(shí)大概是6毛多，如果有溢價(jià)的話，鋰離子電池的成本大概上升到0.68元左右。如果在溢價(jià)情況下，當(dāng)碳酸鋰的價(jià)格達(dá)到15萬(wàn)每噸，鈉離子電池如果做到100Wh/kg，成本也是可以接受的，做到120Wh/kg可以相當(dāng)于現(xiàn)在6萬(wàn)一噸碳酸鋰時(shí)鋰離子電池的價(jià)格。這樣從成本看，鈉離子電池還是有希望與鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)的，特別是在輔材和制造成本進(jìn)一步降低的未來(lái)，希望就更大了。
三、正極材料。
如何選正極材料？我們做了很多研究，可用的大致有三類(lèi)：氧化物，磷酸鹽，鐵氰化物。
第一類(lèi)氧化物。在成本上或者穩(wěn)定上最好的材料應(yīng)該是隧道型的Na0.44MnO2，它主要是由三維框架組成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，但是最大的問(wèn)題是充電只有60mAh/g的容量，在全電池中無(wú)法利用120mAh/g的放電容量。如果有什么技術(shù)，比如補(bǔ)鈉的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)提高充電容量的話，這個(gè)材料從成本和性能方面看是最為理想的。如果這個(gè)材料有120mAh/g的可逆容量,所組成的實(shí)際電池能夠得到110Wh/kg的比能量，而且這個(gè)材料還有一個(gè)好處是它對(duì)水不敏感，不像其他O3或P2氧化物材料需要較為苛刻的電池生產(chǎn)環(huán)境。
還有含銅的P2層狀氧化物體系，其比容量約為100mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以達(dá)到115Wh/kg，實(shí)際電池性能與我們計(jì)算的非常接近。還有O3結(jié)構(gòu)的層狀鎳鐵錳氧化物材料，這種材料的優(yōu)勢(shì)就是比容量比較高，能夠達(dá)到130mAh/g，如果材料比容量達(dá)到130mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量就可以達(dá)到120Wh/kg。
磷酸鹽體系。最先研究的是類(lèi)似磷酸鐵鋰的磷酸鐵鈉材料，由于橄欖石型磷酸鐵鈉材料不像磷酸鐵鋰材料可以通過(guò)簡(jiǎn)單的固相高溫合成，目前主要是靠電化學(xué)轉(zhuǎn)化法來(lái)制備。我們?cè)?015年提出在水溶液中進(jìn)行電化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)，雖然比有機(jī)溶液中更易操作和簡(jiǎn)單，但是這個(gè)途徑成本還是很高的，且制備過(guò)程很復(fù)雜。還有一種復(fù)合磷酸鐵鈉材料，有可能成為類(lèi)似于磷酸鐵鋰的材料體系被廣泛應(yīng)用，其容量可達(dá)到120mAh/g，所組成實(shí)際電池的能量密度也可以達(dá)到115Wh/kg。這種材料具有低的成本、無(wú)資源限制的元素、循環(huán)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，類(lèi)似于磷酸鐵鋰材料易于批量化，從而受到了廣泛關(guān)注。
針對(duì)這種復(fù)合磷酸鐵鈉材料，我們也試驗(yàn)了小軟包電池，從圖中可以看出，電池的循環(huán)穩(wěn)定性是非常好的，類(lèi)似于磷酸鐵鋰材料的性能，但是其能量密度會(huì)比使用氧化物正極的電池低一些。還有一種層狀的氟代磷酸鐵鈉的性能也是可以的，它的比容量大概在110mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以做到105Wh/kg左右。
磷酸釩鈉材料也是一種性能優(yōu)異的材料體系，但其最大的問(wèn)題是釩的成本比較高，但如果與液流電池相對(duì)比的話，在相同瓦時(shí)下使用磷酸釩鈉的鈉離子電池釩用量大約是液流電池的三分之一，從這個(gè)角度看它的成本比液流電池會(huì)低一些。
另外一個(gè)是氟代磷酸釩鈉材料。其平均電壓比較高，達(dá)到3.8V,雖然容量與磷酸釩鈉材料相當(dāng)，但它所組成實(shí)際電池的能量密度可以達(dá)到130Wh/kg以上，這個(gè)能量密度在鈉離子電池中還是非常誘人的。
鐵氰化物正極材料的倍率性、穩(wěn)定性都很好，由此對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)的鐵鐵、鐵錳體系進(jìn)行了諸多研究，但問(wèn)題是材料中的水很難除去，除水問(wèn)題是這個(gè)材料比較大的應(yīng)用難題。鐵鐵普魯士蘭材料如果比容量有140mAh/g，所組成實(shí)際電池的比能量可以達(dá)到130Wh/kg。
還有鐵錳普魯士蘭材料，其電壓高（約3.6V)，比能量會(huì)更高，其存在的問(wèn)題與鐵鐵普魯士蘭材料是一樣的，都存在除水的問(wèn)題，這在規(guī)模制備過(guò)程中還是有難度的。
這里我們預(yù)測(cè)了一些較為實(shí)用的正極材料所組成實(shí)際電池比能量。氧化物體系如果從120 mAh/g的比容量提高到140 mAh/g甚至到200 mAh/g，電池的比能量將近可以從100到180Wh/kg，然而材料的比容量越高，其循環(huán)穩(wěn)定性就約差，這在實(shí)際應(yīng)用中需要需求一個(gè)平衡點(diǎn)。如果是復(fù)合磷酸鐵鈉材料，電池比能量可以達(dá)到110Wh/kg；O3氧化物材料的電池可以達(dá)到將近120 Wh/kg；磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉正極材料的比容量在110 mAh/g時(shí)，電池可以達(dá)到120和130Wh/kg；而普魯士蘭類(lèi)正極材料，鐵鐵普魯士蘭電池可達(dá)到130 Wh/kg，鐵錳普魯士蘭電池可達(dá)到130 Wh/kg。大家可以在這些材料中選擇不同體系進(jìn)行嘗試和驗(yàn)證。
四、碳負(fù)極材料。
對(duì)于鈉離子電池負(fù)極材料，硬碳應(yīng)該是最具商品化的材料體系，但大家知道硬碳價(jià)格都很高，這主要是所用的原料和生產(chǎn)過(guò)程太復(fù)雜。對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，需要采用最便宜的原料做最好性能的硬碳。因此，廉價(jià)生物質(zhì)是最優(yōu)的選擇。然而，生物質(zhì)做硬碳需要克服高燒失率對(duì)制備效率的影響。怎么從生物質(zhì)高效制備硬碳呢？我們利用生物質(zhì)無(wú)能耗預(yù)熱解過(guò)程，能夠?qū)a(chǎn)品碳的燒失率降低到20%以下。所制備的碳材料雖然容量要比對(duì)標(biāo)的日本硬碳稍微低一點(diǎn)，但是循環(huán)性能與日本硬碳非常相近，這樣不僅可以降低廢棄生物質(zhì)的環(huán)保壓力，還能將硬碳材料的成本，從而使整個(gè)電池的成本進(jìn)一步降低。
因此，發(fā)展無(wú)資源限制、低成本的鈉離子電池，我覺(jué)得正負(fù)極材料的成本需要降到1萬(wàn)元以下，這樣成本才有可能與現(xiàn)有的鋰離子電池相競(jìng)爭(zhēng)。正極可以選擇鐵錳的氧化物、聚陰離子和普魯士蘭類(lèi)的材料，負(fù)極現(xiàn)只能是硬碳材料，要做低成本的硬碳材料。另外一個(gè)降低電池成本的途徑是提高電池的能量密度。然而在現(xiàn)在成本還沒(méi)有鋰離子電池有優(yōu)勢(shì)的情況下，我覺(jué)得鈉離子電池可能要從“能量替代”上升為“儲(chǔ)能備份”的國(guó)家戰(zhàn)略，到鋰資源被國(guó)外卡脖子時(shí)，我們要有能量備份的儲(chǔ)能體系，可以填補(bǔ)規(guī)模鋰離子電池的空缺。
五、電池安全性能。
另一個(gè)問(wèn)題就是鈉離子電池的安全性。我們也看到一些報(bào)道提到了鈉離子電池中金屬鈉的析出。金屬鈉的析出是不是造成更大的安全性問(wèn)題？這個(gè)我們還不能給出確定的回答，但是我們可以預(yù)測(cè)其安全性不容樂(lè)觀。實(shí)際上，我們也做了40Ah鈉離子電池的安全性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)安全性能還不錯(cuò)，不會(huì)出現(xiàn)燃燒、爆炸現(xiàn)象。我們分析這里面大部分的原因可能是由于電池的比容量比較低，產(chǎn)熱比較小所造成的。假如進(jìn)一步提高鈉電池的能量密度，有可能安全性就會(huì)成為凸顯的因素。因此，我們需要將目前可燃的有機(jī)碳酸酯電解液替換為不燃的電解液體系。比如這種非燃的磷酸酯，我們?cè)谶@方面做了一些工作。通過(guò)調(diào)節(jié)鹽與溶劑的摩爾比率，我們發(fā)現(xiàn)在高的摩爾比率下會(huì)提高電解液的穩(wěn)定性，在鋰離子電池中石墨負(fù)極能夠可逆充放電，18650型實(shí)際電池也可給出比較好的循環(huán)性能以及倍率放電性能。從安全性試驗(yàn)來(lái)看，非燃磷酸酯電解液的電池沒(méi)有顯示任何安全問(wèn)題，但同樣型號(hào)碳酸酯電解液電池則燃燒、爆炸。這類(lèi)電解液也可以用在金屬鋰電池，也具有比較好的循環(huán)性能，這樣就為高比能的安全二次電池體系提供一種思路。同時(shí)對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，采用類(lèi)似的電解液同樣可以在負(fù)極獲得比較可逆的電化學(xué)性能，同時(shí)我們也在小軟包電池中進(jìn)行試驗(yàn)，顯示出優(yōu)異的循環(huán)性能。這為提高鈉離子電池的安全性提供了一種可選途徑。
總之，鋰離子電池成本的減低給了鈉離子電池發(fā)展相當(dāng)壓力，如何選擇材料和體系，是鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵，一些建議如下：
1、鈉離子電池與鋰離子電池相比，優(yōu)勢(shì)在“鈉（哪）”？首要發(fā)展具有資源豐富的電極材料，在材料上具有成本優(yōu)勢(shì)；另國(guó)際戰(zhàn)略環(huán)境影響也應(yīng)該考慮，可作為一種“儲(chǔ)能備份”。
2、當(dāng)鋰資源價(jià)格上漲到15萬(wàn)/噸時(shí)，100Wh/kg能量密度的鈉離子電池體系也具有一定應(yīng)用可能性；體系的能量密度也是與鋰離子電池成本競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素，在考慮到資源的情況下，盡可能提高電池的比能量；
3、鑒于目前所測(cè)鈉離子電池反映出較好的安全性能，且可以完全放電，這樣在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用方面可降低安全運(yùn)輸、管理系統(tǒng)和外部保護(hù)的費(fèi)用，可顯示出一定優(yōu)勢(shì)；
4、發(fā)展非燃電解液提升體系的安全性能，是改善規(guī)模應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展的目標(biāo)。
（來(lái)源： 深水科技咨詢）
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