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1979年-2022年:钠电池的发展历程
2022年12月13日 发布 分类:行业要闻 点击量:735
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钠离子电池具有许多不可替代的优点,且资源丰富具有成本优势,使其有望成为除锂离子电池以外的另一大规模商业化的二次电池之一,目前随着产业化加速,更是量产在即。不过钠离子电池的大风,严格来说是这几年才刮得猛烈了起来,那么在此之前钠离子电池的发展都经历了什么呢?本文就来总结一下。

钠电池

钠电池

1979年:摇椅式钠离子电池被提出

1979年法国的Armand提出了“摇椅式电池”的概念,开启了钠离子电池的研究。随后Delmas和Goodenough发现了层状氧化物材料可作为钠电池正极材料,Stevens 和 Dahn 发现硬碳材料作为负极有良好的钠离子嵌脱性能。

趣事:

实际上钠电池作为一个概念,早在1870年就被法国作家儒勒·凡尔纳在其所著的科幻小说《海底两万里》中提出,以下是对话的原文:

钠吗?

是的,先生……钠电池应当是最强的,它的电动力比锌电池要强好几倍。 

不过在当时,钠电池很显然只是一个幻想。但在过去近100年后,它居然真的被发明出来了,让人不由感慨世事奇妙。


20世纪80年代:良好的钠电池正极材料被发现

20世纪80年代,Delmas等首次报道了几种O3-NaMeO2的电化学充放电曲线(下图a)。其中NaFeO2、NaCrO2、NaCoO2属于六方晶系,其空间群是R-3m;而Mn3+、Ni3+的外层电子数分别是3d4、3d7,均属于高自旋态,呈现出Jahn-Teller畸变,因而NaNiO2和NaMnO2的空间群变为C2/m,属于单斜晶系。


正极材料的电化学特性影响了整个电池的电化学特性,正极材料的理论能量密度就是电芯能量密度的上限,因此良好的钠电池正极材料的出现对于钠电池而言具有重要意义。

2011年:低成本的电极材料和电解液被发现

2010年以来,钠电池的研发进程加速。在钠离子电池技术及产业化赛道上,还有科技“国家队”的身影。自2011年起,中科院物理所研究员团队开始了钠离子电池核心技术的研发(其中胡勇胜为技术带头人),自此以后开发出低成本的电极材料。


目前相关研发团队已在正负极、电解质、添加剂和粘接剂等关键技术方面申请了50余项发明专利(已授权30余项,其中3项获得美国、欧盟和日本授权),在Science正刊、Nature、Science 子刊及Joule学术杂志发表论文10篇。团队开发出的具有自主知识产权的Cu基层状氧化物正极材料和低成本无烟煤基负极材料,均为国际首创。

2015年:18650规格钠离子电池问世

2015年11月30日,法国国家科学研究中心的研究人员们在可充电电池材料上取得了一项重大进步,他们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池,其能量密度可与磷酸铁锂等锂离子电池相匹敌。这是最早的钠离子电池规范。

注:“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上。


研究人员对原型钠离子电池完成电化学测试以评估其性能

2017年:首家钠电池公司成立

2017年国内第一家专注于钠离子电池研发和生产的公司中科海钠科技有限责任公司成立,公司的核心技术来自于中科院物理所清洁能源实验室,是中科院物理所的科技成果转化项目。


根据其官网介绍,自2011年起,由中科院物理所胡勇胜研究员带领的研发团队,基于物理所三十多年对锂电池的研究积累,致力于研发低成本、安全环保、高性能钠离子电池技术。在2017年公司成立之时组建的团队中,中科物理所的陈立泉院士担任公司首席顾问,中科院物理所的胡勇胜、唐堃、李洪分别担任董事长和CEO、监事。后面三人均为陈立泉的学生。

虽然核心团队整体来看偏科研,不过令人惊喜的是,中科海钠的产业化进展其实很迅速。

中科海钠的钠电池在循环 200 次后容量保持率大于 90%

中科海钠的钠电池在循环 200 次后容量保持率大于 90%

2021年:工信部支持钠电池发展

钠离子电池热潮背后,有政策助力的功劳。2021年8月,工业和信息化部答复政协第十三届全国委员会第四次会议第4815号(工交邮电类523号)提案称,将组织有关标准研究机构适时开展钠离子电池标准制定,并在标准立项、标准报批等环节予以支持。

在这份答复全国政协委员高亚光的函件中,工信部称锂离子电池、钠离子电池等新型电池是“推动新能源产业发展的压舱石”,是“实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一”,并表示将在“十四五”相关规划等政策文件中加强布局,从促进前沿技术攻关、完善配套政策、开拓市场应用等多方面着手,做好顶层设计,健全产业政策,统筹引导钠离子电池产业高质量发展。

同年,中科海钠推出了全球首套 1MWh 钠离子电池光储充智能微网系统,并成功投入运行;随后,宁德时代推出能量密度达到 160Wh/kg,15 分钟可充满 80% 的电量,-20℃可放出 90%电量的钠离子电池。至此,钠离子电池即将迈入到商业化阶段,大规模量产在即。


1 MWh 钠离子电池储能系统投入运行

2022年:各公司持续加码

今年以来,国内初创企业及传统锂电企业都在持续加码布局钠电池产业链。目前国内布局钠电池领域的初创企业主要包括中科海钠、众钠能源、钠创能源等;传统锂电企业主要包括宁德时代、贝特瑞、杉杉股份、天赐材料、多氟多、翔丰华、鹏辉能源等。

正极材料方面,众钠能源百吨级正极材料线已经于2022年3月份投产;华阳股份2000吨/年钠电池正极材料项目已于2022年3月投产;处于送样阶段的企业包括当升科技;具有中量试生产技术的企业为厦钨新能,已完成百公斤级的钠电材料试生产工作;此外,格林美已经做好批量生产钠离子电池材料的准备;七彩化学和美联新材共同投建年产18万吨电池级普鲁士蓝(白)项目;百合花已掌握普鲁士蓝(白)核心技术。

铁基普鲁士蓝材料典型形貌

铁基普鲁士蓝材料典型形貌

负极材料方面,华阳股份2000吨/年钠电池负极材料项目已于2022年3月投产;贝特瑞硬碳负极材料已开发至第五代,可应用于钠电池中;杉杉股份已拥有软硬碳方面的技术积累和量产能力;翔丰华高性能硬碳负极材料正在由相关客户测试中;百合花在进行钠离子电池正负极材料的研究开发。

主流钠电池负极材料对比

主流钠电池负极材料对比

电解液方面,钠创能源已完成5000吨电解液的生产工艺包设计,并在已拥有钠电池电解液量产技术,且具备六氟磷酸钠量产能力;多氟多已具备年产千吨的六氟磷酸钠生产能力,且公司产品已实现批量生产销售;传艺科技于9月发布公告称拟设立控股孙公司江苏传艺钠电新材料有限公司,并以其为投资主体拟投资建设一期5万吨/年、二期10万吨/年的钠电池电解液项目。

钠电池方面,中科海钠1GWh钠电池生产线于2022年7月在安徽投产;华阳股份1GWh钠离子电芯生产线于同年9月投产,目前正积极推进1GWh钠离子电池PACK生产线项目,预计于2022年内投产;多氟多控股子公司焦作新能源已具备1GWh钠电池产能。目前拥有在建钠电池生产线的企业包括宁德时代和传艺科技。此外,众钠能源、鹏辉能源、派能科技、维科技术均在积极布局钠电池领域。

总结

锂离子电池的飞速发展必然会导致锂资源的紧缺,从而影响其储能价格和大规模持续供给。金属钠价格低廉、储量丰富,且与锂电位相近,以其作为电极材料构成的钠离子电池在大规模储能应用中将有很大的发展潜力。各大巨头的入局,更是在一定程度上肯定了钠离子电池的未来。

钠离子电池

目前随着不断的探索,钠离子电池的应用场景和发展思路已逐步清晰明了。业界认为,对钠离子电池电极材料和电解质材料的研究是推动其成熟发展的核心,对其工艺技术的开发是推广其实际规模应用的关键。

如果您想了解更多,欢迎关注12月25-27日在珠海举办的“2022年全国新能源粉体材料暨增效辅材创新发展论坛(第二届)”,届时来自桂林电子科技大学新能源材料与器件专业系主任王凤博士,将现场分享报告《长循环、低成本钠离子电池研发与产业化》的报告,欢迎各位企业家朋友前来学习!



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