四十年后败部复活的钠电池技术路线

四十年后败部复活的钠电池技术路线


  1970年代,当科学家在选择电池材料时,是看著化学元素周期表在选择的。还记得高中时代苦背的「锂钠钾铷铯鍅」吗?锂(Li)与钠(Na)在化学元素周期表上属同一主族,性能相近,在电池原理上两者也相近,都是透过不断在正、负极间来回游动充放电。于是一帮科学家选择了锂电池,另一帮科学家选择了钠电池。

  锂是个游泳健将,而钠在尺寸和重量上都比锂肥了一大圈,也就是个胖子,想也知道,这个胖子自然游不过锂。而且,这个胖子身上太多脂肪,储存的肌肉密度不高,也就是能量密度不够高,所以在电池球赛的第一局,钠电池就输给了锂电池,这一输就是40年。

  但是老天爷是公平的,十年河东、十年河西,根据2020年世界银行的估计,电池材料中最重要的锂金属,若要满足全球现在的需求,需要其地球库存量的五倍,但地球没有那么多。而且开采锂矿时,平均每吨锂需消耗约200万公升的水,锂电池又需要用到稀土,这些问题都让环保人士诟病。为了寻找替代材料,回头发现,钠在地壳中化学元素平均含量是锂的423倍,在地球上分布广泛,多到你家里买的食盐里面都有,价格远远低于锂,于是在40年之后,胖子钠电池卷土重来,败部复活!

钠电池的技术与材料路线:主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜

  跟锂电池、铅酸电池一样,钠电池主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜。因为预期钠电池将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池,这三者彼此竞合,请见下表比较三者的材料异同。

材料 钠电池 锂电池 铅酸电池
正极 层状氧化物 聚阴离子型 普鲁士蓝 钴酸锂 磷酸铁锂 锂三元 二氧化铅
负级 碳基材料 天然石墨(NG)
人造石墨(AG)
电解液 钠、溶剂 锂、溶剂 硫酸、蒸馏水
隔离膜 PE/PP/复合材料 PE/PP/复合材料 PE/玻璃纤维/复合材料
应用场景 预期将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池 3C产品 电动车、储能系统 电动车、储能系统 汽机车的启动电瓶、工业用备用电源如工厂紧急照明、不断电系统等

(表一)钠电池、锂电池与铅酸电池主要材料比较表
资料来源:颜文群整理
 

钠电池正极材料路线有三种,预测最后将是各拥其主

  根据成本及应用场景需要的充放电速度,锂电池不同的正级材料用于不同的应用场景,而钠电池目前有三种正极材料路线,分别是层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝,还没有形成行业共识。目前实在很难看出哪个正极材料将一统江山,因此只要条件许可,公司的策略大概都是全压,小孩子才做选择,大人我全都要!


(图一)钠电池不同的正极材料路线与锂电池的战力表
资料来源:颜文群整理
 

  钠电池的正极材料最后将是各拥其主,因为这几个正极材料的成本都有机会大幅下降,所以只要产品到市场阶段处理得宜,都有机会分到蛋糕。

钠电池负极材料路线有五种,预期将由碳基材料出线

  钠电池的负极材料目前有五种路线:碳基材料、钛基材料、合金材料、有机化合物及其他,其中碳基材料的技术成熟度最高,最有机会出线,率先实现量产。

  钠电池制造过程中,不使用石墨作为负极材料,减少制备石墨时需要的3,000度超高温制程,大幅减少能耗,自然降低碳排放,相比起锂电池更环保。不过碳基材料不就是石墨吗?有什么不同?

钠电池的原理:选用碳基材料让钠电池胜出

  碳是一种收放自如的元素,可以靠烧制的制程挤出很多「座位」,增加电池能量密度。碳源的排列是没有规则性的,当你用几百度去烧制时,就可以成为无定型碳,这就是钠电池在使用的碳基材料。无定型碳的座位没有那么多,通道还算大,比较胖的钠可以通过。比较瘦的锂,则可以通过进一步把无定型碳烧制成很有规则性、座位更拥挤的石墨,从而得到更高的能量密度。

(图二)不同温度下碳的物理形状
资料来源:颜文群

  胖子钠电池替许多企业开拓出新蓝海,又和锂电池供应链非常类似,很多地方可以通用,比同样是锂电池家族的固态电池更容易产能切换,有机会重塑新的产业规则,势必能在未来电池市场占有举足轻重的地位!

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低价抢市!胖子钠电池对锂电池的逆袭

钠电池最大的竞争力可能来自碳中和时代给予它的机遇。极端气候事件频传、能源短缺,都正在迫使制造商找寻产品低碳、甚至零碳的转型机会。钠电池因为不需开采锂矿,在制造过程中,也不使用石墨作为负极材料,因此大幅减少能耗,自然降低碳排放,相比起锂电池更环保。

2022/09/26
一张表看懂胖子钠电池技术与原理

今天我们继续不藏私与你分享钠电池的技术与材料路线。跟锂电池、铅酸电池一样,钠电池主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜。因为预期钠电池将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池,这三者彼此竞合,因此,我用下表整理这三者的材料异同。

2022/10/24
听说最近来了个胖子钠电池,想挑战高富帅的锂电池?

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2022/10/31
【图文分析】这七家钠电池企业最受投资人青睐

胖子钠电池替许多企业开拓出新蓝海,又和锂电池供应链非常类似,很多地方可以通用,比同样是锂电池家族的固态电池更容易产能切换,有机会重塑新的产业规则,势必能在未来电池市场占有举足轻重的地位!从故事中我们学到,往人多的地方投资不一定是好投资,同理可证,当人们称颂一个产业为护国神山,就是产业衰败的征兆,也许这时正是加入电池产业的好时机。

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