车东西（chedongxi）
文 | 小路
随着时间推(tui)移至夏季，外界(jie)气温越(yue)来越(yue)高(gao)，电动汽车因动力电池自(zi)燃(ran)起火事(shi)(shi)件时有(you)发生(sheng)，甚至出现致(zhi)人死(si)亡(wang)的事(shi)(shi)件，电池安全(quan)也因此得到(dao)越(yue)来越(yue)多的关注(zhu)。
现阶段电(dian)动汽车企业为追求较远的续航(hang)里(li)程，普遍(bian)使用三元(yuan)锂电(dian)池(chi)(chi)，而(er)该型电(dian)池(chi)(chi)因为内部存在(zai)价格昂贵(gui)的钴元(yuan)素和锂元(yuan)素，价格一直居(ju)高不下，每千瓦时的制造成本普遍(bian)在(zai)1000元(yuan)以上。除此之外，三元(yuan)锂电(dian)池(chi)(chi)的安全稳(wen)定性也饱受(shou)诟病。
如何使电动汽车(che)(che)的动力电池(chi)兼顾安全(quan)、成(cheng)本和(he)(he)能量(liang)密度，一直困扰着(zhe)各大动力电池(chi)供应(ying)商、电动汽车(che)(che)车(che)(che)企(qi)、高校和(he)(he)科(ke)研(yan)院所。那么(me)是否有这么(me)一种技术，可以保证车(che)(che)辆安全(quan)性(xing)和(he)(he)的同时进一步降(jiang)低生产制造成(cheng)本？
近(jin)期，一个来自伦敦的研(yan)(yan)发(fa)(fa)团(tuan)队(dui)成(cheng)功研(yan)(yan)发(fa)(fa)了(le)经过(guo)500次充放(fang)电(dian)而(er)不(bu)损失电(dian)池容量的钠离子(zi)电(dian)池，该团(tuan)队(dui)成(cheng)功研(yan)(yan)发(fa)(fa)的钠离子(zi)电(dian)池或(huo)将解决(jue)三元锂电(dian)池的不(bu)稳(wen)定和价格高的问题。除伦敦的研(yan)(yan)发(fa)(fa)团(tuan)队(dui)外，美(mei)国华盛顿州立大学也对钠离子(zi)电(dian)池展开(kai)了(le)相关研(yan)(yan)究，攻克了(le)阻止(zhi)钠离子(zi)流动(dong)的钠晶体堆积问题。
据了解，钠离子电(dian)池(chi)现在最(zui)大(da)的(de)(de)技术难题和缺陷是(shi)能量密度较(jiao)低，至少(shao)是(shi)比不上(shang)三元锂(li)(li)电(dian)池(chi)的(de)(de)，但是(shi)与(yu)磷(lin)酸铁锂(li)(li)电(dian)池(chi)相比，两者不相上(shang)下。伦敦的(de)(de)科研团队称，他们正在攻克这一(yi)难题。
那么钠(na)离子电(dian)池(chi)到底是什(shen)么，又有哪些技(ji)术(shu)特(te)点(dian)？是否会成为下一代(dai)主流电(dian)池(chi)技(ji)术(shu)呢？
▲伦敦科(ke)研团队研发的钠离(li)子(zi)电池工作原理
一、三元锂电池价格高，安全性差 钠离子电池或将成为未来主流
据(ju)了解，目前，大多数(shu)车企普遍选(xuan)择了能(neng)量密度更(geng)高的(de)三元锂电(dian)池，动力电(dian)池供应商还(hai)在(zai)不断地增加电(dian)池内部镍(nie)元素的(de)含量以求拥(yong)有更(geng)高的(de)能(neng)量密度，实现更(geng)远的(de)续航里程。
有研究表明，三元(yuan)锂(li)电池正极材料(liao)中的镍元(yuan)素(su)富(fu)集使得电池的容量保持能力和热(re)稳定性会出现下滑(hua)。
具体来说(shuo)就是(shi)，当(dang)NCM（镍(nie)钴(gu)锰）三元(yuan)(yuan)锂(li)电池(chi)(chi)正(zheng)极(ji)材料中(zhong)的镍(nie)元(yuan)(yuan)素(su)含量超(chao)过(guo)60%，NCA（镍(nie)钴(gu)铁(tie)）三元(yuan)(yuan)锂(li)电池(chi)(chi)正(zheng)极(ji)材料中(zhong)的镍(nie)元(yuan)(yuan)素(su)含量超(chao)过(guo)80%，在经过(guo)一定次(ci)数的循环使用后，电池(chi)(chi)正(zheng)极(ji)会(hui)出(chu)现大量微裂纹，电极(ji)的阻抗增大，电极(ji)开(kai)始(shi)析(xi)出(chu)氧气，一旦电池(chi)(chi)内(nei)部温度达到(dao)250℃~350℃，三元(yuan)(yuan)锂(li)电池(chi)(chi)内(nei)部的化学成分(fen)会(hui)开(kai)始(shi)分(fen)解。
三(san)元锂电(dian)池(chi)正极(ji)出现(xian)大量微裂纹直接影响到电(dian)池(chi)的(de)使(shi)用寿(shou)命，电(dian)极(ji)析(xi)出氧气则极(ji)易导致电(dian)池(chi)热失控的(de)发生，进而引发电(dian)池(chi)的(de)起火爆炸。
不仅如此，三元(yuan)锂(li)电池的(de)造价(jia)也是居高不下是因其内部含有钴元(yuan)素(su)，而钴的(de)全(quan)球(qiu)储量仅为720万吨(dun)，这使(shi)得该型(xing)电池每千瓦(wa)时的(de)生产价(jia)格普遍在1000元(yuan)以上。
三(san)元锂电(dian)池虽然(ran)提升了电(dian)池的(de)能量密度，但制造成本高、安(an)全(quan)性(xing)差。今年入夏以来，国(guo)内就已经发(fa)生了多起电(dian)动汽车(che)自(zi)燃的(de)事(shi)故(gu)，5月26日在(zai)深(shen)圳福田区甚(shen)至(zhi)发(fa)生了电(dian)动汽车(che)起火致人死亡的(de)惨剧。据统计，其(qi)中大部分的(de)自(zi)燃事(shi)故(gu)车(che)辆搭(da)载(zai)的(de)是三(san)元锂电(dian)池。
▲搭载三元锂电池的车辆(liang)自燃
另一(yi)种主流(liu)的(de)电(dian)池(chi)(chi)(chi)是(shi)磷酸(suan)铁锂电(dian)池(chi)(chi)(chi)，相较于三元(yuan)锂电(dian)池(chi)(chi)(chi)该型(xing)电(dian)池(chi)(chi)(chi)不(bu)含镍元(yuan)素，所(suo)以安全性高、循环(huan)使用寿命长，但(dan)是(shi)180kWh/kg的(de)电(dian)芯能量密度与三元(yuan)锂电(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)240kWh/kg存在(zai)较大差距(ju)。此外因为磷酸(suan)铁锂电(dian)池(chi)(chi)(chi)不(bu)含钴元(yuan)素，比亚迪(di)公(gong)司和宁(ning)德(de)时代公(gong)司已经将(jiang)该型(xing)电(dian)池(chi)(chi)(chi)每(mei)千瓦时的(de)生产(chan)成本控制在(zai)600元(yuan)以内。
磷酸铁(tie)锂电池(chi)虽然保(bao)证(zheng)了(le)电池(chi)的安全性和较(jiao)低(di)制造(zao)成本(ben)，但能量密度低(di)的问题又凸显(xian)出来。
综(zong)上，一直以来国内外(wai)的(de)动(dong)力(li)电(dian)池(chi)供应商(shang)、车企(qi)、高(gao)校和(he)科研院所都被动(dong)力(li)电(dian)池(chi)的(de)安全(quan)、价(jia)格和(he)能量密度之间的(de)平衡问题所困扰。
与锂离(li)子(zi)电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)结(jie)构和(he)工作原理相似的钠(na)离(li)子(zi)电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)进入科学家的视野，钠(na)离(li)子(zi)电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)是一种可循(xun)环充放电(dian)(dian)(dian)(dian)的二次电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)，该(gai)电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)具有安全稳定性高和(he)使用维护方(fang)便等(deng)优势，或将(jiang)帮(bang)助(zhu)解(jie)决(jue)动力电(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)所遇(yu)到的问题。
二、多国研究发展钠离子电池 英国法拉第公司开始落地商用
据悉，已经(jing)多个国(guo)(guo)家的科研团队(dui)对钠(na)离子电池(chi)技(ji)术展开(kai)相关研究，其(qi)中其(qi)中英国(guo)(guo)法拉第公司已经(jing)宣布与印度重(zhong)型商用运输科技(ji)公司IPL展开(kai)合作。
在可预见(jian)的(de)未来，锂(li)离(li)子电池的(de)全面应用会造成(cheng)锂(li)元(yuan)素储量减少，其价格也会随之(zhi)升高，而钠元(yuan)素在自(zi)然界中储量丰富，制造和(he)获取手段也更(geng)加简单(dan)、成(cheng)本也更(geng)低。
据统(tong)计，全(quan)球(qiu)锂资(zi)源储量(liang)约为(wei)1350万吨(dun)(dun)(dun)，探明(ming)储量(liang)约为(wei)3978万吨(dun)(dun)(dun)，年(nian)产(chan)量(liang)3900吨(dun)(dun)(dun)，而全(quan)球(qiu)钠资(zi)源储量(liang)约为(wei)160亿吨(dun)(dun)(dun)以上(shang)，年(nian)产(chan)量(liang)20万吨(dun)(dun)(dun)。如此丰富(fu)的(de)(de)储量(liang)和巨(ju)大的(de)(de)开采量(liang)，钠将(jiang)助(zhu)力动力电池进一步降低电池制(zhi)造成本。
另外，在电(dian)池的使用维(wei)护方面，钠离(li)子电(dian)池不需要担心电(dian)池过度充电(dian)与(yu)过度放电(dian)的问题。
面(mian)对钠(na)离子(zi)电池的优秀特(te)性，各(ge)国研发(fa)团队的进展如何了？以下是钠(na)离子(zi)电池技术研究的具体信息。
2020年6月1日美(mei)国华盛顿(dun)州(zhou)立大(da)学（WSD）和(he)太平洋西北国家实(shi)验室（PNNL）的研(yan)究人员联(lian)合(he)宣布，成功研(yan)发了含钴(gu)的钠离(li)(li)(li)子电(dian)池(chi)，并且已经解决(jue)了钠离(li)(li)(li)子电(dian)池(chi)会在电(dian)池(chi)阴极形成阻止钠离(li)(li)(li)子流动的钠晶体堆(dui)积的问题。
美(mei)国华盛顿州立(li)大学研究小组负责人宋(song)俊华（音(yin)译：Song Junhua）表示(shi)，钠(na)晶体(ti)堆积问题的(de)解决将为(wei)钠(na)离子(zi)电(dian)池(chi)的(de)发展(zhan)铺平道路，他们(men)对电(dian)池(chi)阴极与(yu)电(dian)解质之间的(de)化合(he)反应了(le)解的(de)更加(jia)透(tou)彻，为(wei)将来(lai)钠(na)离子(zi)电(dian)池(chi)向无钴化发展(zhan)提供了(le)可靠的(de)依据(ju)。”
▲宋俊华和(he)其团队所研制的(de)钠离子电池
2020年6月3日(ri)，英国伦(lun)敦的(de)(de)研发团队研发成功(gong)了含有机(ji)物(wu)(wu)的(de)(de)钠(na)(na)离(li)(li)子(zi)电池，该(gai)有机(ji)物(wu)(wu)是(shi)一种碳(tan)氢(qing)化合(he)物(wu)(wu)，主要的(de)(de)作用是(shi)固定(ding)钠(na)(na)离(li)(li)子(zi)，这(zhei)样就(jiu)使得钠(na)(na)离(li)(li)子(zi)电池更加稳定(ding)，实现更长的(de)(de)使用寿命(ming)。该(gai)团队称，他们对研发成功(gong)的(de)(de)钠(na)(na)离(li)(li)子(zi)电池原型进行了500次的(de)(de)充放电测试，该(gai)电池的(de)(de)电池容量并(bing)未(wei)有任何的(de)(de)衰(shuai)减。
另外，伦敦(dun)科研团队称，得益于内(nei)部的化(hua)合物一次(ci)性(xing)可携(xie)带两个电子，钠(na)离子电池(chi)比锂离子电池(chi)的充(chong)电速(su)度更快。然而(er)，钠(na)离子电池(chi)的充(chong)电速(su)度到底有多快，该团队并未给(ji)出具体数据。
国内的(de)高(gao)(gao)校以及科研(yan)院所也对钠(na)离(li)子(zi)电池(chi)展开了相关研(yan)究，其中南京理工大学研(yan)发(fa)了结构稳定的(de)锰基正极材料，钠(na)离(li)子(zi)电池(chi)充放电1000次后，比容量保(bao)持(chi)率(lv)高(gao)(gao)达94.6%，而(er)电池(chi)行业一般(ban)的(de)比容量保(bao)持(chi)率(lv)标准约为(wei)80%。
如果(guo)说这些都是实验(yan)室成果(guo)未落地商(shang)(shang)用，那(nei)么英国法拉第公(gong)(gong)司(si)(si)作为一家钠离子电池制造供(gong)应(ying)商(shang)(shang)就成了第一个“吃螃蟹”的公(gong)(gong)司(si)(si)。2020年6月15日，英国法拉第公(gong)(gong)司(si)(si)宣布与印度商(shang)(shang)用车运输(shu)科(ke)技(ji)IPL公(gong)(gong)司(si)(si)开展(zhan)合作，由法拉第公(gong)(gong)司(si)(si)向IPL公(gong)(gong)司(si)(si)提供(gong)钠离子电池。
法拉(la)第(di)公司表示，“钠离子电池(chi)技术提供了与传(chuan)统(tong)化学相似的(de)性能，电芯能量(liang)密度达150kWh/kg~160kWh/kg，同(tong)时用更丰富的(de)钠替代了昂贵的(de)材(cai)料(liao)，如钴和锂。与锂离子电池(chi)不同(tong)的(de)是，这些电池(chi)具有优(you)异的(de)热稳定性和安(an)全性。”
三、钠离子电池能量密度较低 不适用传统负极材料
钠(na)离(li)子虽然具有(you)安全、稳定和成本(ben)低等诸多优点，但凡(fan)事有(you)利就(jiu)有(you)弊，该型电(dian)池也(ye)存在能量(liang)密度不(bu)足和不(bu)能使用石墨做负极的(de)问(wen)题。
伦敦研(yan)发团队(dui)负责人(ren)称，虽然他们(men)成功(gong)研(yan)发了有机的(de)钠离子(zi)电池解(jie)决了电池的(de)寿命(ming)和容量衰减问题，但(dan)是(shi)在电池的(de)能量密(mi)度方面一(yi)直(zhi)没有进展，接下来(lai)会(hui)想办法(fa)提高钠离子(zi)电池的(de)能量密(mi)度。
不只是(shi)能(neng)(neng)量密度的(de)问题，钠(na)(na)离(li)(li)子电(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)内部结(jie)(jie)构虽然与锂电(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)结(jie)(jie)构类似，但是(shi)一(yi)直作为电(dian)(dian)(dian)池(chi)负极的(de)石墨并不能(neng)(neng)应用于钠(na)(na)离(li)(li)子电(dian)(dian)(dian)池(chi)上(shang)(shang)，这是(shi)因为钠(na)(na)离(li)(li)子半(ban)(ban)径(jing)比锂离(li)(li)子半(ban)(ban)径(jing)大，钠(na)(na)离(li)(li)子的(de)嵌入在热力学上(shang)(shang)没有任何优势，从而造成大量电(dian)(dian)(dian)池(chi)能(neng)(neng)量浪费，电(dian)(dian)(dian)池(chi)实(shi)际输(shu)出电(dian)(dian)(dian)能(neng)(neng)大幅减少。
若电(dian)(dian)池(chi)的负电(dian)(dian)极(ji)材料问题得到解决，或(huo)许钠(na)离子的能量密(mi)度(du)将得到大幅提升。
外媒对钠离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)发(fa)表评论称，“虽然钠离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)与锂(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)十分(fen)相似(si)，但锂(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)发(fa)展(zhan)路线并(bing)不一定适用钠离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)，比(bi)(bi)如石墨(mo)在锂(li)离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)上(shang)取得(de)了(le)商业上(shang)的(de)成功，却并(bing)不适用于钠离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)。每种(zhong)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)(ji)(ji)术(shu)(shu)都需要找到适合的(de)技(ji)(ji)(ji)术(shu)(shu)方(fang)(fang)案，比(bi)(bi)如电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)的(de)正负(fu)极等。在解决电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)负(fu)极材料之后，钠离子(zi)电(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)(chi)技(ji)(ji)(ji)术(shu)(shu)或将成为(wei)一种(zhong)新的(de)商业技(ji)(ji)(ji)术(shu)(shu)方(fang)(fang)案。”
钠离子电池(chi)的研(yan)发成功使得电池(chi)的安全问(wen)题(ti)和造价问(wen)题(ti)得以(yi)解决，该电池(chi)或将为电池(chi)技(ji)术带来一(yi)条新的技(ji)术路线(xian)(xian)甚至成为未来电池(chi)技(ji)术的主流路线(xian)(xian)。
结语：电池技术不断发展 多种技术路线并存
通过提高三元锂(li)电(dian)(dian)池(chi)中(zhong)的镍含量，确实解决了汽车的动力电(dian)(dian)池(chi)的能(neng)量密度(du)低问题(ti)，电(dian)(dian)池(chi)安全问题(ti)也随之而来。如今(jin)关注的焦点又(you)放在了磷酸铁锂(li)电(dian)(dian)池(chi)上，宁德时代、比亚(ya)迪等(deng)动力电(dian)(dian)池(chi)供应商和(he)车企在此(ci)领(ling)域展开(kai)新一轮的厮(si)杀。
国外通用汽车公(gong)司(si)联(lian)合(he)动力电池(chi)(chi)供应商(shang)LG化学在(zai)三元(yuan)锂电池(chi)(chi)的(de)基础(chu)上添(tian)加(jia)了铝元(yuan)素以增(zeng)强(qiang)电池(chi)(chi)的(de)稳(wen)定(ding)性(xing)和安全性(xing)。
除了深(shen)耕在传统动力电池(chi)路(lu)线方面(mian)技术(shu)，今年早些时候，长城(cheng)蜂巢能源(yuan)发布了自家的(de)无钴电池(chi)；近日(ri)，华盛顿州(zhou)立大学联合太平洋西北(bei)国家实验室成(cheng)功研发了经1000次充放电后损失20%电池(chi)容量的(de)含(han)钴钠离(li)子电池(chi)；之后不久，英国伦敦研发团队又宣布经500次充放电后，容量不受损伤的(de)钠离(li)子电池(chi)研制(zhi)成(cheng)功。
可见(jian)，电(dian)(dian)池(chi)(chi)技术在不(bu)断发(fa)(fa)展，已经形(xing)成了多种技术路线并(bing)存的(de)(de)局面。最新的(de)(de)钠离子(zi)(zi)电(dian)(dian)池(chi)(chi)虽然存在能量密度(du)不(bu)足(zu)的(de)(de)问题，但是经过科研人员的(de)(de)不(bu)懈努(nu)力，钠离子(zi)(zi)电(dian)(dian)池(chi)(chi)或将在电(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)安全、价格(ge)和使用(yong)寿(shou)命(ming)之间达到一种平衡，从而促进汽车(che)电(dian)(dian)动化(hua)的(de)(de)发(fa)(fa)展。
