四十年後敗部復活的鈉電池技術路線

四十年後敗部復活的鈉電池技術路線


  1970年代,當科學家在選擇電池材料時,是看著化學元素週期表在選擇的。還記得高中時代苦背的「鋰鈉鉀銣銫鍅」嗎?鋰(Li)與鈉(Na)在化學元素週期表上屬同一主族,性能相近,在電池原理上兩者也相近,都是透過不斷在正、負極間來回游動充放電。於是一幫科學家選擇了鋰電池,另一幫科學家選擇了鈉電池。

  鋰是個游泳健將,而鈉在尺寸和重量上都比鋰肥了一大圈,也就是個胖子,想也知道,這個胖子自然游不過鋰。而且,這個胖子身上太多脂肪,儲存的肌肉密度不高,也就是能量密度不夠高,所以在電池球賽的第一局,鈉電池就輸給了鋰電池,這一輸就是40年。

  但是老天爺是公平的,十年河東、十年河西,根據2020年世界銀行的估計,電池材料中最重要的鋰金屬,若要滿足全球現在的需求,需要其地球庫存量的五倍,但地球沒有那麼多。而且開採鋰礦時,平均每噸鋰需消耗約200萬公升的水,鋰電池又需要用到稀土,這些問題都讓環保人士詬病。為了尋找替代材料,回頭發現,鈉在地殼中化學元素平均含量是鋰的423倍,在地球上分布廣泛,多到你家裡買的食鹽裡面都有,價格遠遠低於鋰,於是在40年之後,胖子鈉電池捲土重來,敗部復活!

鈉電池的技術與材料路線:主要材料也是正極、負極、電解液、隔離膜

  跟鋰電池、鉛酸電池一樣,鈉電池主要材料也是正極、負極、電解液、隔離膜。因為預期鈉電池將取代鉛酸電池的應用場景,也將挑戰電動車、儲能系統使用的鋰電池,這三者彼此競合,請見下表比較三者的材料異同。

材料 鈉電池 鋰電池 鉛酸電池
正極 層狀氧化物 聚陰離子型 普魯士藍 鈷酸鋰 磷酸鐵鋰 鋰三元 二氧化鉛
負級 碳基材料 天然石墨(NG)
人造石墨(AG)
電解液 鈉、溶劑 鋰、溶劑 硫酸、蒸餾水
隔離膜 PE/PP/複合材料 PE/PP/複合材料 PE/玻璃纖維/複合材料
應用場景 預期將取代鉛酸電池的應用場景,也將挑戰電動車、儲能系統使用的鋰電池 3C產品 電動車、儲能系統 電動車、儲能系統 汽機車的啟動電瓶、工業用備用電源如工廠緊急照明、不斷電系統等

(表一)鈉電池、鋰電池與鉛酸電池主要材料比較表
資料來源:顏文群整理
 

鈉電池正極材料路線有三種,預測最後將是各擁其主

  根據成本及應用場景需要的充放電速度,鋰電池不同的正級材料用於不同的應用場景,而鈉電池目前有三種正極材料路線,分別是層狀氧化物、聚陰離子型、普魯士藍,還沒有形成行業共識。目前實在很難看出哪個正極材料將一統江山,因此只要條件許可,公司的策略大概都是全壓,小孩子才做選擇,大人我全都要!


(圖一)鈉電池不同的正極材料路線與鋰電池的戰力表
資料來源:顏文群整理
 

  鈉電池的正極材料最後將是各擁其主,因為這幾個正極材料的成本都有機會大幅下降,所以只要產品到市場階段處理得宜,都有機會分到蛋糕。

鈉電池負極材料路線有五種,預期將由碳基材料出線

  鈉電池的負極材料目前有五種路線:碳基材料、鈦基材料、合金材料、有機化合物及其他,其中碳基材料的技術成熟度最高,最有機會出線,率先實現量產。

  鈉電池製造過程中,不使用石墨作為負極材料,減少製備石墨時需要的3,000度超高溫製程,大幅減少能耗,自然降低碳排放,相比起鋰電池更環保。不過碳基材料不就是石墨嗎?有什麼不同?

鈉電池的原理:選用碳基材料讓鈉電池勝出

  碳是一種收放自如的元素,可以靠燒製的製程擠出很多「座位」,增加電池能量密度。碳源的排列是沒有規則性的,當你用幾百度去燒製時,就可以成為無定型碳,這就是鈉電池在使用的碳基材料。無定型碳的座位沒有那麼多,通道還算大,比較胖的鈉可以通過。比較瘦的鋰,則可以通過進一步把無定型碳燒製成很有規則性、座位更擁擠的石墨,從而得到更高的能量密度。

(圖二)不同溫度下碳的物理形狀
資料來源:顏文群

  胖子鈉電池替許多企業開拓出新藍海,又和鋰電池供應鏈非常類似,很多地方可以通用,比同樣是鋰電池家族的固態電池更容易產能切換,有機會重塑新的產業規則,勢必能在未來電池市場佔有舉足輕重的地位!

  看完這篇文章相信可以幫助你脫離一知半解,不再靠著吸收碎片化的知識或資訊,片面解讀鈉電池。邀請你註冊登入成為綠學院用戶,綠色產業最前沿的趨勢、商機、人脈、資金一鍵抵達,也歡迎參加產業小聚,認識更多A咖!

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低價搶市!胖子鈉電池對鋰電池的逆襲

鈉電池最大的競爭力可能來自碳中和時代給予它的機遇。極端氣候事件頻傳、能源短缺,都正在迫使製造商找尋產品低碳、甚至零碳的轉型機會。鈉電池因為不需開採鋰礦,在製造過程中,也不使用石墨作為負極材料,因此大幅減少能耗,自然降低碳排放,相比起鋰電池更環保。

2022/09/26
一張表看懂胖子鈉電池技術與原理

今天我們繼續不藏私與你分享鈉電池的技術與材料路線。跟鋰電池、鉛酸電池一樣,鈉電池主要材料也是正極、負極、電解液、隔離膜。因為預期鈉電池將取代鉛酸電池的應用場景,也將挑戰電動車、儲能系統使用的鋰電池,這三者彼此競合,因此,我用下表整理這三者的材料異同。

2022/10/24
聽說最近來了個胖子鈉電池,想挑戰高富帥的鋰電池?

雖然我們說胖子鈉電池想挑戰高富帥的鋰電池,真正要緊張的,其實是鉛酸電池。鉛酸電池由於挾帶非常低廉的成本優勢,大量使用在汽機車的啟動電瓶、工業用備用電源如工廠緊急照明、不斷電系統等,鋰電池這麼多年也攻不下來。但是胖子鈉電池什麼沒有,就是便宜、便宜、超級便宜,預估一上場就會把很多原先是鋰電池在進攻的鉛酸電池的市場搶過來。

2022/10/31
【圖文分析】這七家鈉電池企業最受投資人青睞

胖子鈉電池替許多企業開拓出新藍海,又和鋰電池供應鏈非常類似,很多地方可以通用,比同樣是鋰電池家族的固態電池更容易產能切換,有機會重塑新的產業規則,勢必能在未來電池市場佔有舉足輕重的地位!從故事中我們學到,往人多的地方投資不一定是好投資,同理可證,當人們稱頌一個產業為護國神山,就是產業衰敗的徵兆,也許這時正是加入電池產業的好時機。

2022/11/07

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No.199 綠學院作東!儲能業和保險業大和解
2024-12-09 每次在《電力交易專案經理即戰力實務班》課堂討論儲能案場投融資時,保險永遠是最熱門的話題。儲能專案經理覺得保險公司過於保守,明明電池照正確程序維運很安全、根本不會沒事燒起來,但保險公司聽到儲能就避之唯恐不及,這個也不能保、那個只理賠一半。偏偏沒有保險,儲能案場就很難取得銀行融資,沒錢專案也推進不了,於是專案經理只能眼睜睜看著保險費兩年漲十倍,根本漫天要價啊!
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