嗖~ 的一下就滿了
作者｜王磊 劉雅杰
編輯｜秦章勇
不要半小時(shí)，不要十分鐘，甚至不需要 1 分鐘。
最近科學(xué)家研發(fā)出一種全新電池，幾秒鐘就能充滿，比加油還要快，嗖~ 的一下，就滿了。
全新電池一旦量產(chǎn)落地，意味著充電焦慮時(shí)代徹底成為過(guò)去式。
這項(xiàng)最新的研發(fā)成果，發(fā)表在頂尖學(xué)術(shù)期刊《能量?jī)?chǔ)存材料》上，韓國(guó)科技先進(jìn)研究院（KAIST）材料科學(xué)與工程系 Jeung Ku Kang 教授領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究。
而且全新電池并不是三元聚合物鋰電池，而是被高性能電車不看好的鈉離子電池。
01 、有望代替鋰離子電池
現(xiàn)在新研發(fā)出的電池層出不窮，但基本都是在電池的正負(fù)極材質(zhì)上“下功夫”。
這次韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也不例外，這款鈉離子電池里集成了通常的電池陽(yáng)極材料和適用于超級(jí)電容器的新型陰極。
不過(guò)鈉離子電池基本都有硬傷，比如功率輸出偏低、循環(huán)壽命短，存儲(chǔ)性能受限和充電時(shí)間較長(zhǎng)等一系列問(wèn)題。
韓國(guó)科技先進(jìn)研究院（KAIST）材料科學(xué)與工程系聯(lián)合研發(fā)的這款鈉離子電池，卻解決了以往不少的弊端，既能實(shí)現(xiàn)大容量存儲(chǔ)，還能快速充放電，僅需幾秒就能充滿電。
根據(jù) Jeung Ku Kang 的表述，這款鈉離子電池迄今最高的能量密度為 247WH/kg，對(duì)比目前市面上的量產(chǎn)鋰電池，這樣的密度數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)秀了。
其快速充電功率密度高達(dá) 34,748 W / kg，已經(jīng)達(dá)到了電池類反應(yīng)的 100 倍以上，并且在 5000 次充放電循環(huán)后，還具有 100% 庫(kù)侖效率的循環(huán)穩(wěn)定性。
不難發(fā)現(xiàn)，這款鈉離子電池同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高能量密度和高功率密度。
之所以能出現(xiàn)這樣的效果，意味著解決了電池負(fù)極材料充電慢以及其超級(jí)電容器正極材料容量相對(duì)較低的問(wèn)題。
Jeung Ku Kang 的團(tuán)隊(duì)分別在正極和負(fù)極上用了兩種不同的金屬有機(jī)框架，并通過(guò)優(yōu)化合成了一種混合型的電池。
其負(fù)極材料，是由鐵基金屬有機(jī)骨架（MOF）/氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過(guò)石墨碳形成和硫化合成而來(lái)的，以鐵基金屬有機(jī)骨架 / 氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)為原料，通過(guò)石墨炭生成和硫化反應(yīng)合成了超細(xì)硫化鐵摻雜了碳 / 石墨烯 (FS / C / G) 的負(fù)極材料。然后將這種負(fù)極材料嵌入到由金屬有機(jī)框架衍生出的多孔碳中。
他們通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，循環(huán)超細(xì)硫化鐵在化學(xué)反應(yīng)中被重新定標(biāo)為具有 Fe 空位和多價(jià) Fe / Fe 狀態(tài)的低結(jié)晶度導(dǎo)電碎片，這種極小的導(dǎo)電碎片，能夠?qū)崿F(xiàn)高容量 / 高速率的性能。
同時(shí)，他們還合成了高容量的正極材料，以分子篩咪唑骨架 (ZIF) 為原料，通過(guò)熱解輔助微孔和 KOH 輔助中孔形成制備了三維多孔摻雜氧碳的正極材料。這種 ZIF 衍生的多孔碳 (ZDPC) 的表面積達(dá)到了 3972 m / g，這比傳統(tǒng) ZDC 的表面積多約 20 倍。
更大的表面積也增加了鈉離子們通過(guò)的效率，從而提升了能量速率。
而這種正負(fù)極材料的搭配能夠平衡并縮小能量存儲(chǔ)速率的差異，從而創(chuàng)建出高性能的鈉離子存儲(chǔ)系統(tǒng)。而且這種新型的高容量正極材料則平衡并縮小了能量存儲(chǔ)速率差異。
這也是這款電池能進(jìn)行快速充放電的關(guān)鍵。
02、道路曲折，前途光明
2022 年，鈉離子電池概念開(kāi)始爆火。寧德時(shí)代等頭部電池廠商相繼推出鈉離子電池，并表示將致力于鈉電池上下游的產(chǎn)業(yè)化。
和鋰離子電池一樣，鈉離子電池也是一種二次電池（充電電池）。它們的工作原理也很相似，主要區(qū)別在于電荷載體的不同和正極材料的不同。鈉離子電池中的電極材料為鈉鹽。鋰離子電池中的電極材料為鋰鹽。
鈉離子電池的正極材料目前主要分為普魯士正極、層狀氧化物正極和聚陰離子正極三種類型。而鋰離子的正極材料主要分為錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰五種。
目前鈉離子電池所用的電極材料鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲(chǔ)量更豐富，價(jià)格更低廉。另外，鈉離子電池采用鐵錳鎳基為正極材料，相比較鋰離子電池三元正極材料來(lái)說(shuō)，原料成本可以降低一半。并且鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，這樣可以減輕 10% 左右的重量，并降低 8% 左右的成本。
除了成本更低以外，鈉離子電池還具有性能更穩(wěn)定，更不易耗電、更不易出現(xiàn)熱失控等優(yōu)勢(shì)。尤其是在低溫環(huán)境下，鈉離子電池的電池容量保持率甚至還高于同等環(huán)境下的磷酸鐵鋰電池，可以在-40℃到 80℃的溫度區(qū)間內(nèi)正常工作，在-20℃的環(huán)境下容量保持率接近 90%，更不易產(chǎn)生續(xù)航焦慮。
在安全方面，鈉離子電池在過(guò)充、過(guò)放、短路、針刺、擠壓等測(cè)試中表現(xiàn)出了相當(dāng)高的穩(wěn)定性。它還可以實(shí)現(xiàn) 0V 運(yùn)輸，大大降低了其運(yùn)輸中發(fā)生自燃的風(fēng)險(xiǎn)。
在充電補(bǔ)能方面效率也很高，常溫下，鈉離子電池只需 15 分鐘便可將電量補(bǔ)充到 80%。
優(yōu)勢(shì)明顯，缺點(diǎn)也同樣很明顯。比如目前磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命已經(jīng)達(dá)到了 6000 次，而鈉離子電池的循環(huán)壽命只能達(dá)到 2000-3000 次，距離前者還有很大的差距。
能量密度低也是鈉離子電池現(xiàn)階段技術(shù)突破的難點(diǎn)，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池的能量密度雖然已經(jīng)達(dá)到了 160Wh/kg，而鋰離子電池陣營(yíng)中的三元鋰已經(jīng)做到 300Wh/kg了。
綜上所述，在對(duì)重量和能量密度要求不高的情況下，鈉離子電池可以算得上是鋰電池的“平替”。所以在新能源汽車領(lǐng)域，鈉離子電池一般被應(yīng)用在微型車和小型車上。
目前已知的搭載鈉離子電池的品牌有奇瑞新能源、江鈴新能源以及江淮汽車旗下新能源汽車品牌江淮釔為。
早在 2023 年 4 月，寧德時(shí)代就對(duì)外宣布，其鈉離子電池將首發(fā)落地奇瑞車型。同時(shí)，奇端將聯(lián)合寧德時(shí)代推出電池品牌“ENER-Q”。
2023 年 12 月 28 日，江鈴集團(tuán)新能源搭載孚能科技鈉離子電池的鈉電車型正式下線。江鈴易至 EV3（青春版）251km 版本成為了全球首款交付的鈉電車型。目前已投產(chǎn)的鈉離子電池能量密度在 140-160Wh/kg之間。
2024 年 1 月 5 日，江淮釔為正式向用戶交付全球首款鈉電池量產(chǎn)車型花仙子。它采用了蜂窩電池安全結(jié)構(gòu)，整個(gè)電池包容量 23.2kWh，CLTC 續(xù)航里程達(dá)到 230km，百公里電耗水平接近 10 度電。
據(jù)悉，交付的鈉電版花仙子搭載的由中科海鈉供應(yīng)的 32140 鈉離子圓柱電芯，該款電芯單體容量 12Ah，能量密度≥140Wh/kg，采用銅基層狀氧化物＋硬碳的技術(shù)路線，具備安全性高、能量密度高、低溫性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。
針對(duì)鈉離子電池的劣勢(shì)，2024 年 2 月，東北大學(xué)謝宏偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊 ACS Energy Letters 上刊發(fā)文章，表明合成出一種納米石墨片作為儲(chǔ)鈉負(fù)極材料，為高倍率、長(zhǎng)循環(huán)的鈉離子電池負(fù)極開(kāi)發(fā)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，為鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造了機(jī)會(huì)，將會(huì)更進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局。
03 、誰(shuí)會(huì)是未來(lái)電池的主流？
隨著鋰電池成本的逐年升高，其低溫狀態(tài)下的性能也越來(lái)越無(wú)法滿足行業(yè)內(nèi)的需求后。
在“天下苦鋰”的背景下，行業(yè)開(kāi)始尋找更優(yōu)的電池方案，漸漸地，鈉離子電池和固態(tài)鋰電池逐漸成為了備受關(guān)注的兩大候選者。
特別是最近的兩年，業(yè)內(nèi)廠商和車企們競(jìng)相布局固態(tài)鋰電池，甚至頻頻傳來(lái)產(chǎn)業(yè)化落地的消息，已經(jīng)有不少車型提前上車，讓 2024 年大有成為固態(tài)電池元年的意味。
比如，智己 L6 率先搭載了行業(yè)首個(gè)量產(chǎn)的 900V 超快充固態(tài)電池；在去年年底，蔚來(lái)在 ET7 上就搭載了 150kWh 半固態(tài)電池，實(shí)測(cè)續(xù)航超 1000 公里。不久前，蔚來(lái)汽車也宣布 150kWh 超長(zhǎng)續(xù)航電池包正式步入量產(chǎn)階段，計(jì)劃在第二季度上線投入使用。
雖然以上兩款固態(tài)電池在隨后不久紛紛被證偽，并不是純正的固態(tài)電池，而是介于固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池的之間的半固態(tài)電池。
但“白馬也是馬”，不難看出，固態(tài)電池已經(jīng)處于量產(chǎn)爆發(fā)的前夜。
但反觀鈉電池的發(fā)展，其出現(xiàn)并非近年之事，而是早在鋰電池問(wèn)世 30 多年前便已存在。然而即便是如此早早問(wèn)世，鈉電池并未得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。
其主要原因在于能量密度遠(yuǎn)低于鋰電池，導(dǎo)致無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。雖然近年來(lái)鋰鹽價(jià)格的暴漲催生了鈉電池的發(fā)展，但其能量密度仍然是其面臨的致命弱點(diǎn)之一。
而且鈉電池的制造成本目前仍然較高，生產(chǎn)工藝也相對(duì)復(fù)雜，這也制約了其在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
不過(guò)全新的鈉離子電池如果能量產(chǎn)，將會(huì)把新能源汽車帶到一個(gè)全新的階段，幾秒就能充滿電，還要什么自行車？
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：超電實(shí)驗(yàn)室 （ID：SuperEV-Lab），作者：王磊 劉雅杰
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