隨著汽車行業(yè)電氣化趨勢逐步深入，動力電池的技術(shù)發(fā)展也開始日益加速。目前市面上的新能源車型基本搭載的都是以鋰離子為電荷載體的動力電池，一時間，鋰資源可謂是供不應(yīng)求，價格也是水漲船高，從而導(dǎo)致鋰離子電池的制造成本不斷攀升。事實上，由于全球鋰礦資源十分有限，市場上一直都在積極探尋鋰離子電池的替代品。其中，鈉離子電池在近兩年關(guān)注度提升，特別是進(jìn)入2023年以后，行業(yè)內(nèi)關(guān)于鈉離子電池“上車”的消息接踵而來。那么，鈉離子電池為何會受到如此關(guān)注?相比鋰離子電池，它又有哪些優(yōu)劣勢?
一、鈉離子電池是何方神圣?
事實上，鈉離子電池的研發(fā)是同鋰離子電池同時開始的，只不過當(dāng)時由于技術(shù)瓶頸以及性能上的差距，導(dǎo)致其一直沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，一些技術(shù)瓶頸逐步被攻破，鈉離子電池的能量密度也在不斷增加，續(xù)航里程也有所突破。此外，由于地球上鈉礦的儲量遠(yuǎn)高于鋰礦，制造鈉離子電池的成本相比鋰離子電池要低很多，因此由鈉代替鋰成為新的動力電池技術(shù)路線。
1、概念及工作原理
鈉離子電池與鋰離子電池十分相似，都是靠金屬離子在電池內(nèi)移動實現(xiàn)充放電。同時，它們都屬于二次電池，民間也稱它們?yōu)槌潆婋姵?，說白了就是可以反復(fù)使用的化學(xué)電池類型。鈉離子電池與鋰離子電池的主要區(qū)別之一就是電荷載體不同，鈉離子電池中的電極材料為鈉鹽。
鈉離子電池和鋰離子電池的工作原理非常相似。充電時，鈉離子從正極活性材料晶格中脫出，正極電極電勢升高，同時鈉離子進(jìn)一步在電解液中遷移至負(fù)極表面并嵌入負(fù)極活性材料晶格中。在該過程中電子則由外電路從正極流向負(fù)極，引起負(fù)極電極電勢降低，從而使得正負(fù)極之間電壓差升高而實現(xiàn)鈉離子電池的充電;放電時，鈉離子和電子的遷移則與之相反，鈉離子從負(fù)極脫出經(jīng)電解液后重新嵌入正極活性材料晶格中。電子則經(jīng)由外電路從負(fù)極流向正極，為外電路連接的用電設(shè)備提供能量做功，完成電池的放電和能量釋放。
相比傳統(tǒng)鋰離子電池，鈉離子電池除了電解液的不同以外，還有一點重要的區(qū)別就是正極材料的不同，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這三種類型。其中普魯士正極是由鈉和鐵氰根組成的化合物，通常呈藍(lán)色，具有高電壓和高能量密度的特點，并且制備工藝簡單，成本較低;層狀氧化物正極由鈉和氧化銅、鐵、錳、鎳等金屬組成，具有高能量密度和循環(huán)壽命較長等特點;聚陰離子正極材料為磷酸鐵鈉和磷酸釩鈉等，具有較高的安全性和長壽命的特質(zhì)。
二、鈉離子電池的優(yōu)勢與短板
1、鈉離子電池的優(yōu)勢
·成本低，價格穩(wěn)定
鈉在地殼中的儲量約為2.36%，是鋰的400多倍，算是儲量極為豐富的金屬且分布廣泛。同時，鈉離子電池正極不需要使用稀有貴金屬如鈷、鎳等，制備相對簡單，進(jìn)一步降低了制造成本和對資源的依賴。此外，由于鈉離子電池與鋰離子電池工作原理、結(jié)構(gòu)類似，所以可以利用現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，也能節(jié)約一部分設(shè)備投入。
相對于常見的鋰離子電池，鈉離子電池在低溫狀態(tài)下有著更好的性能。由于鈉離子電池的電解液和電極材料中，采用了一些物理性質(zhì)更加穩(wěn)定的材料，因此在極端低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)優(yōu)異。另外，其低溫狀態(tài)下的電池容量保持率還高于同等環(huán)境下的磷酸鐵鋰電池，簡單來說，就是“掉電”不會像磷酸鐵鋰電池那么快。
·安全性能好，極端條件下不易出現(xiàn)熱失控
鈉離子電池的安全性較高，原因是鈉離子電池的內(nèi)阻較高，短路時發(fā)熱量少、溫升較低，不易出現(xiàn)熱失控。同時，在過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試中也表現(xiàn)出了相當(dāng)高的穩(wěn)定性。此外，鈉離子電池還可以實現(xiàn)0V運輸，這就大大降低了其運輸中的風(fēng)險。相比之下，目前市面上搭載三元鋰電池的車型在發(fā)生碰撞時出現(xiàn)自燃的事故比比皆是。
·充電速度快
在快充能力方面，鈉離子電池的充電時間更快，以寧德時代第一代鈉離子電池為例，常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上。相比較而言，目前量產(chǎn)的三元鋰電池即使是在直流快充的加持下，將電量從20%充至80%通常需要30分鐘的時間，磷酸鐵鋰則需要45分鐘左右。所以在補(bǔ)能效率方面，鈉離子電池也有著明顯的優(yōu)勢。
2、鈉離子電池的短板
·循環(huán)壽命短
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。另外，按照10年以上甚至20年以上的儲能要求來看，目前鈉離子電池的循環(huán)壽命仍無法滿足。
·能量密度低
這也是鈉離子電池現(xiàn)階段技術(shù)突破的難點，目前鈉離子電池的表現(xiàn)相比常見的鋰離子電池，仍處于劣勢。根據(jù)已知數(shù)據(jù)，寧德時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，而鋰離子電池陣營中的三元鋰已經(jīng)做到300Wh/kg了。
·上游原材料產(chǎn)業(yè)鏈不完善
目前，其相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈并不完善。在正負(fù)極材料方面，電池級原料(碳酸鈉、氧化鐵)還未達(dá)到成熟的商業(yè)化，而負(fù)極則受到了由于碳源無主流原料的產(chǎn)品限制。在電解液方面，鈉鹽同樣還沒有成熟的商業(yè)化產(chǎn)品，好在鈉鹽的合成相對簡單，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的可能性強(qiáng)。
·專業(yè)技術(shù)人才短缺
鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展正處于初級階段，無論是研發(fā)、生產(chǎn)還是維修售后，其相關(guān)人才都非常稀缺。這主要是由于該技術(shù)門檻較高、維修難度大以及培養(yǎng)周期長等原因造成。因此，目前鈉離子電池相關(guān)的人才供需矛盾比較懸殊，市場上急需更多的專業(yè)技術(shù)人才。
三、鈉離子電池在汽車中的應(yīng)用
1、鈉離子電池適用于何種汽車?有哪些車型即將搭載?
·鈉離子電池適用于何種汽車?
通過上述分析我們可以看出，鈉離子電池近年來雖然關(guān)注度日益增加，但短期內(nèi)市場層面仍不會形成爆發(fā)式增長。原因在于，鈉離子電池能量密度低、循環(huán)壽命短等問題難以在短期內(nèi)實現(xiàn)重大突破。結(jié)合鈉離子電池的上述特點、新能源車型發(fā)展現(xiàn)狀以及時下市場環(huán)境來看，鈉離子電池在目前來看，更適合被裝配在續(xù)航里程較短、價格門檻更低的純電動微型車或小型車上。
·有哪些車型即將搭載?
目前，車用鈉離子電池已經(jīng)逐步實現(xiàn)了落地，距離大家最近的就是已經(jīng)現(xiàn)身工信部第372批《道路機(jī)動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中的江鈴羿馳玉兔和奇瑞QQ冰淇淋，這兩款車型分別搭載了孚能科技和寧德時代的鈉離子動力電池組，其中江鈴羿馳玉兔續(xù)航有望達(dá)到300km。此外，江淮釔為3以及比亞迪海鷗等車型，在未來也有望開始搭載鈉離子電池。
2、在汽車領(lǐng)域，鈉離子電池還有哪些發(fā)展空間?
現(xiàn)階段，由于鈉離子電池的一些特性，導(dǎo)致其只能應(yīng)用在低端純電動汽車市場中，因鈉離子電池的能量密度是上限的，很難獲得重大技術(shù)突破。那如果鈉離子電池想往高端汽車市場發(fā)展呢?或許走混動路線是個不錯的選擇，首先當(dāng)然還是成本低，其次混動車型無須太大的電池容量，再有就是其具備的充電速度快、安全性高等優(yōu)勢。另外，鈉離子電池低溫性能好的特點也令其在寒冷地區(qū)的適用性更強(qiáng)。
此外，鈉離子和鋰離子混搭使用也是一種新的技術(shù)路線，這樣混搭的好處是可以提高電池系統(tǒng)的能量密度，使鈉離子電池的應(yīng)用有望擴(kuò)展到500km續(xù)航的車型。此前，寧德時代官方稱其首創(chuàng)了一種電池包集成技術(shù)，即在單個電池包中布置兩種不同電芯，既可以是鐵鋰+三元，也可以是鋰電池+鈉電池，被稱為“AB電池系統(tǒng)解決方案”，這種方案此前已經(jīng)在蔚來品牌的量產(chǎn)車型中得到了驗證，其使用的75kWh三元鐵鋰電池包，就是混裝了磷酸鐵鋰電芯和少部分三元鋰電芯。
總結(jié)：
鈉離子電池并非新鮮產(chǎn)物，早在20世紀(jì)70年代就已開展研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新能源車型所采用的動力電池性能注定會越來越好，但大前提仍然還是取決于化學(xué)電池的核心材料的特性。鈉離子電池在成本、安全性以及充電效率方面，都有著不錯的表現(xiàn)。當(dāng)然，它還存在著一些不足，但還是可以在某些方面加以深度運用，隨著電池技術(shù)不斷突破，鈉離子電池未來有望在汽車領(lǐng)域大放異彩。
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