一張表看懂胖子鈉電池技術與原理

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   (photo by iStock)     

       胖子鈉電池第一篇文章靠著標題成功預言,逆襲了固態電池文章,兩天衝幾十萬瀏覽量。大概因為受到市場歡迎,我特別注意到現在媒體在談電池技術時,多已經開始使用行內人的邏輯結構與語言,有時看到媒體寫的文章用字,都覺得有熟悉感。作為一個材料人,我蠻相信人們終究會發現,「我們每個人的身上都有1%的綠學院」,談論跟技術有關的專業時,一定要談邏輯而不是談感情。

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

       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。

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

       我預測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

       從胖子鈉電池的故事中我們學到,一個人的潛力不是你表面上看到的這樣,一個人真正的對手也不是你表面上看到的那樣,即使在經濟衰退的悲觀預期氛圍下,仍要保持自信,別把自己玩小了。

(本文協同作者為劉烈凱,現任榮炭科技研發經理)

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