四十年后败部复活的钠电池技术路线

四十年后败部复活的钠电池技术路线


  1970年代,当科学家在选择电池材料时,是看著化学元素周期表在选择的。还记得高中时代苦背的「锂钠钾铷铯鍅」吗?锂(Li)与钠(Na)在化学元素周期表上属同一主族,性能相近,在电池原理上两者也相近,都是透过不断在正、负极间来回游动充放电。于是一帮科学家选择了锂电池,另一帮科学家选择了钠电池。

  锂是个游泳健将,而钠在尺寸和重量上都比锂肥了一大圈,也就是个胖子,想也知道,这个胖子自然游不过锂。而且,这个胖子身上太多脂肪,储存的肌肉密度不高,也就是能量密度不够高,所以在电池球赛的第一局,钠电池就输给了锂电池,这一输就是40年。

  但是老天爷是公平的,十年河东、十年河西,根据2020年世界银行的估计,电池材料中最重要的锂金属,若要满足全球现在的需求,需要其地球库存量的五倍,但地球没有那么多。而且开采锂矿时,平均每吨锂需消耗约200万公升的水,锂电池又需要用到稀土,这些问题都让环保人士诟病。为了寻找替代材料,回头发现,钠在地壳中化学元素平均含量是锂的423倍,在地球上分布广泛,多到你家里买的食盐里面都有,价格远远低于锂,于是在40年之后,胖子钠电池卷土重来,败部复活!

钠电池的技术与材料路线:主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜

  跟锂电池、铅酸电池一样,钠电池主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜。因为预期钠电池将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池,这三者彼此竞合,请见下表比较三者的材料异同。

材料 钠电池 锂电池 铅酸电池
正极 层状氧化物 聚阴离子型 普鲁士蓝 钴酸锂 磷酸铁锂 锂三元 二氧化铅
负级 碳基材料 天然石墨(NG)
人造石墨(AG)
电解液 钠、溶剂 锂、溶剂 硫酸、蒸馏水
隔离膜 PE/PP/复合材料 PE/PP/复合材料 PE/玻璃纤维/复合材料
应用场景 预期将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池 3C产品 电动车、储能系统 电动车、储能系统 汽机车的启动电瓶、工业用备用电源如工厂紧急照明、不断电系统等

(表一)钠电池、锂电池与铅酸电池主要材料比较表
资料来源:颜文群整理
 

钠电池正极材料路线有三种,预测最后将是各拥其主

  根据成本及应用场景需要的充放电速度,锂电池不同的正级材料用于不同的应用场景,而钠电池目前有三种正极材料路线,分别是层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝,还没有形成行业共识。目前实在很难看出哪个正极材料将一统江山,因此只要条件许可,公司的策略大概都是全压,小孩子才做选择,大人我全都要!


(图一)钠电池不同的正极材料路线与锂电池的战力表
资料来源:颜文群整理
 

  钠电池的正极材料最后将是各拥其主,因为这几个正极材料的成本都有机会大幅下降,所以只要产品到市场阶段处理得宜,都有机会分到蛋糕。

钠电池负极材料路线有五种,预期将由碳基材料出线

  钠电池的负极材料目前有五种路线:碳基材料、钛基材料、合金材料、有机化合物及其他,其中碳基材料的技术成熟度最高,最有机会出线,率先实现量产。

  钠电池制造过程中,不使用石墨作为负极材料,减少制备石墨时需要的3,000度超高温制程,大幅减少能耗,自然降低碳排放,相比起锂电池更环保。不过碳基材料不就是石墨吗?有什么不同?

钠电池的原理:选用碳基材料让钠电池胜出

  碳是一种收放自如的元素,可以靠烧制的制程挤出很多「座位」,增加电池能量密度。碳源的排列是没有规则性的,当你用几百度去烧制时,就可以成为无定型碳,这就是钠电池在使用的碳基材料。无定型碳的座位没有那么多,通道还算大,比较胖的钠可以通过。比较瘦的锂,则可以通过进一步把无定型碳烧制成很有规则性、座位更拥挤的石墨,从而得到更高的能量密度。

(图二)不同温度下碳的物理形状
资料来源:颜文群

  胖子钠电池替许多企业开拓出新蓝海,又和锂电池供应链非常类似,很多地方可以通用,比同样是锂电池家族的固态电池更容易产能切换,有机会重塑新的产业规则,势必能在未来电池市场占有举足轻重的地位!

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低价抢市!胖子钠电池对锂电池的逆袭

钠电池最大的竞争力可能来自碳中和时代给予它的机遇。极端气候事件频传、能源短缺,都正在迫使制造商找寻产品低碳、甚至零碳的转型机会。钠电池因为不需开采锂矿,在制造过程中,也不使用石墨作为负极材料,因此大幅减少能耗,自然降低碳排放,相比起锂电池更环保。

2022/09/26
一张表看懂胖子钠电池技术与原理

今天我们继续不藏私与你分享钠电池的技术与材料路线。跟锂电池、铅酸电池一样,钠电池主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜。因为预期钠电池将取代铅酸电池的应用场景,也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池,这三者彼此竞合,因此,我用下表整理这三者的材料异同。

2022/10/24
听说最近来了个胖子钠电池,想挑战高富帅的锂电池?

虽然我们说胖子钠电池想挑战高富帅的锂电池,真正要紧张的,其实是铅酸电池。铅酸电池由于挟带非常低廉的成本优势,大量使用在汽机车的启动电瓶、工业用备用电源如工厂紧急照明、不断电系统等,锂电池这么多年也攻不下来。但是胖子钠电池什么没有,就是便宜、便宜、超级便宜,预估一上场就会把很多原先是锂电池在进攻的铅酸电池的市场抢过来。

2022/10/31
【图文分析】这七家钠电池企业最受投资人青睐

胖子钠电池替许多企业开拓出新蓝海,又和锂电池供应链非常类似,很多地方可以通用,比同样是锂电池家族的固态电池更容易产能切换,有机会重塑新的产业规则,势必能在未来电池市场占有举足轻重的地位!从故事中我们学到,往人多的地方投资不一定是好投资,同理可证,当人们称颂一个产业为护国神山,就是产业衰败的征兆,也许这时正是加入电池产业的好时机。

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