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!

延伸閱讀

替你按照時間順序整理好跟此名詞有關的全系列專欄文章,保證立刻提升功力
系列文章

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...

系列文章

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...

系列文章

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...

系列文章

【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...