锂钠同族,物化性质有类似之处。近期以宁德时代和中科海钠为代表的企业开始布局钠离子电池,有望推动钠离子电池的商业化进程。锂、钠、钾同属于元素周期表ⅠA 族碱金属元素,在物理和化学性质方面有相似之处,理论上都可以作为二次电池的金属离子载体。
锂的离子半径更小、标准电势更高、比容量远远高于钠和钾,因此在二次电池方面得到了更早以及更广泛的应用。但锂资源的全球储量有限,随着新能源汽车的发 展对电池的需求大幅上升,资源端的瓶颈逐渐显现,由此带来的锂盐供需的周期性波动对电池企业 和主机厂的经营造成负面影响,因此行业内部加快了对资源储备更加丰富、成本更低的电池体系的 研究和量产进程,钠作为锂的替代品的角色出现,在电池领域得到越来越广泛的关注。
碱金属元素基本性质对比
钠离子电池是什么?
在原材料方面,钠离子电池比锂电池更具有成本优势。在制造工艺方面,钠离子电池的制造工艺与锂电池接近,因此可沿用锂电产线。
钠离子电池的结构原理
钠离子电池即一种浓差电池,正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成充电时,钠离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,此时负极处于富钠状态,正极处于贫钠状态,这时电子的补偿电荷经外电路供给到正极,以平衡正负极电荷。
放电时,钠离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富钠状态,负极处于贫钠状态,这时电子的补偿电荷经外电路供给到负极,以保证正负极电荷平衡。
在原材料方面,钠离子电池比锂电池更具有成本优势。在制造工艺方面,钠离子电池的制造工艺与锂电池接近,因此可沿用锂电产线。
钠离子电池的主要构成
在原材料方面,对比锂电池,钠离子电池具有显著的成本优势。钠离子电池的主要组成部分包含正极材料、负极材料、电解液等:
1)正极材料:由于钠离子电池的正极材料采用的是普鲁士白和层状氧化物等,可减少对锂等材料的依赖;
2)负极材料:钠离子的负极材料主要以碳基材料为主,活性炭储存钠离子的能力超过锂电池负极材料且价格低;
3)电解液,钠离子电池的电解质选择范围更广泛。在制造工艺方面,钠离子电池的制造工艺与锂电池接近,因此可沿用锂电产线。
锂离子电池VS钠离子电池VS铅酸电池
在性能方面,钠离子电池主要优势为快充性能好、高低温性能优异、安全性能好、设备兼容性好,但能量密度以及循环寿命低是限制其发展的主要问题对比锂离子,钠离子主要有以下性能优势:
1)充电快:磷酸铁锂需20-30分钟可充电至80%,钠离子电池有望将时间缩短40%左右;
2)高低温性能优异:工作温度范围在-40C-80℃。高低温环境下电池仍有良好的容量保持率;
3)安全性能好:在过充、过放、短路、针刺、挤压等测试中不起火、不爆炸;
4)设备兼容性好:钠离子电池与锂离子电池生产工艺相近,如两者在电极生产过程、电池装配过程完全相同,因此设备兼容性高,企业产线转换成本较低;
5)钠离子溶剂化能低:钠离子比锂离子更易脱溶剂化,界面反应动力学更好。
对比锂离子,钠离子具有以下缺点:
1)能量密度低:对比锂离子,钠离子最大的缺陷是能量密度较低,在相同续航情况下,单车重量增加约10%-20%;
2)循环寿命低:对比锂离子,钠离子由于半径比锂离子大,反应过程中嵌入脱出难度大且容易造成结构变化,从而造成其循环寿命较低。
成本构成对比:钠电池VS.锂电池
从可持续角度来看,钠元素资源丰富且分布较广,可避免资源卡脖子问题。从成本端来看,纳离子对比锂离子的电池成本降低了约20%。
钠离子电池成本构成
从可持续角度来看,钠元素资源丰富且分布较广,可避免资源卡脖子问题:
1)钠资源:钠资源的地壳丰度达275%,在地壳中的丰度位居第6位,且钠资源分布于全球各地。钠的价格低廉且易获取;
2)锂离子:锂离子的地壳丰度达0.0065%,且资源分布不均,75%的锂分布在南美洲地区。相对于钠离子而言,锂离子的价格更高。
从成本端来看,纳离子对比锂离子的电池成本降低了约20%:
1)正极材料:钠离子电池的正极材料如铜铁锰层状氧化物约为2.9万元/吨、普鲁士白类为2.6万元/吨、镍铁锰层状氧化物为4.2万元/吨,而锂离子电池的正极材料碳酸锂的价格约为8.6万元/吨。
2)集流体:钠离子电池负极集流体均为铝箔,锂离子电池负极集流体只能使用钢箔。电池级铝箱成本在2.4-3万元/吨,电池级铜箔成本在8-9万元/吨。
3)电解液:由于同浓度电解液下钠盐电导率高于锂电解液,因此可降低成本,或钠离子电池可用低盐浓度电解液来降低成本。
钠离子电池将促进电池铝箔需求增长
电池集流体是将电池活性物质产生的电流汇集起来,以产生更大的输出电流的电池部件,此外它还 充当电池活性材料的载体,对电池的性能有较大影响。目前锂电池的正负极的集流体分别是铝箔和 铜箔。由于钠离子不会与铝形成合金,因此钠离子电池的正负极的集流体均可以使用成本更低的铝 箔。根据中科海钠,相比锂离子电池,由于正负极集流体采用铝箔,钠离子电池中集流体成本占比 仅为 4%,远低于锂离子电池的 13%。
我们判断,钠离子电池集流体铝箔与锂电池基本相同,性能要求基本接近。相比普通的铝箔,作为 电池集流体铝箔要求较高,其中厚度要求控制在 10~50 微米,部分电池厂甚至使用 8 微米的铝箔。同时电池集流体还要求具有较低的粗糙度、更好的导电性、拉伸强度、伸长率,此外对产品的一致 性和稳定性也有较高的要求。因此,电池铝箔对设备和工艺的要求较高,具有一定的进入壁垒。