动力电池系列5——材料体系演进之钠离子电池

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昨天和大家分享了动力电池系列的第四部分：材料体系演进之富锂锰基

今天和大家分享第五部分：材料体系演进之钠离子电池

钠离子电池工作原理与锂离子电池相似，都为“摇椅式”电池。充电过程中， Na +从阴极脱出并嵌入阳极，同时电子通过外部电路，此时阳极处于低电势富钠态，阴极处于高电势贫钠态，嵌入阳极的 Na+越多，充电容量越高；放电时，发生相反的过程，Na+从负极脱出，嵌入正极，正极回到富钠态，回到正极的 Na +越多，放电容量越高。

钠离子电池工作原理：

与锂离子电池构造相同，钠离子电池主要由正极、负极、电解质和隔膜组成。

1、正极材料

主流钠离子材料包括金属氧化物、聚阴离子型化合物、以及普鲁士 蓝类化合物。其中商业化价值最大的正极材料为金属氧化物与普鲁士蓝类化合物。

金属氧化物具有成本低、较高比容量等优势，但由于金属氧化物结构稳定性较差，循环过程中容易发生结构无定型化，电池的循环稳定性与倍率性较差。

普鲁士蓝类化合物具有三维立体开放结构和有利的间隙位置，允许碱离子的可逆脱嵌，具有成本低、稳定性高、电化学性能好的优点，但制备过程中存在配位水含量难以控制等问题。

2、负极材料

目前常用的钠离子负极材料为硬碳和软碳材料。

硬碳材料具有高可逆比容量、低电压等优点，但硬碳的制备成本较高，产碳率相对较低，难以实现工业化生产。软碳材料具有缺陷少、结晶度高、电导率高等特点，且具有良好的速率性能与循环稳定性，缺点仍然是成本高，难以工业化。

3、电解质

与锂离子电池电解质相同，钠离子电池电解质分为液体电解质、固液复合电解质、固态电解质。

受锂离子电池上游供给紧张与原材料价格上涨的影响，钠离子电池产业化加速落地，2021 年 7 月宁德时代发布第一代钠离子电池。

1）、性能超预期，高寒及高功率应用场景下优势显著。

根据宁德时代发布的数据，第一代钠离子电池电芯单体能量密度达到 160Wh/kg，为目前全球最高水平。同时具备优异的快充性能，常温下充电 15 分钟即可达到 80%电量；且在-20℃的低 温环境下具有 90%以上的放电保持率；此外，系统集成效率可达 80%。

2）、关键辅料实现技术突破，为产业化奠定基础。

正极材料方面，使用普鲁士白和层状氧化物两种创新型材料，克容量可达 160mAh/g，与现有锂离子正极材料相当，并对材料体相结构进行电荷重排，解决了在循环过程中容量衰减的问题；负极材料方面，开发了能够让钠离子自由穿梭且具有独特孔隙结构的硬碳材料，克容量可达 350mAh/g，与现有石墨相当；电解液方面，采用适配上述材料的新型电解液体系，可与目前锂离子电池制造工艺及设备兼容。

公司积极布局钠离子电池领域，计划于 2023 年形成基本产业链，下一代钠离子电池能量密度将突破 200Wh/kg。

3）采用 AB 电池解决方案，拓宽下游应用场景。

创新性地将钠离子与锂离子电池按照一定比例和排列同时集成到电池系统中，并使用 BMS 算法对不同电池体系进行均衡控制，既弥补了钠离子电池的能量密度短板，也发挥了其在低温及高功率场景下的优势。

第一代钠离子电池性能优越：

AB 电池解决方案实现优势互补：

钠的地壳元素含量排名第六，为2.75%；是含量仅为 0.0065%的锂元素的 400 多倍；同时，钠元素均匀分布于全球各地，不受到地域限制。此外，钠离子电池的正负极集流体均可以使用较为便宜的铝箔，进一步降低了电池的成本。根据中科海钠测算，钠离子电池的材料成本相较于锂电池可以降低 30%-40%。

钠元素资源丰度高：

钠离子电池材料体系：

由于钠离子电池具有成本低、安全性高、低温情况下表现好等优势，目前已初步应用于储能和低速动力领域，如：储能电站、5G 通讯基站、低速四轮车、电动两轮车。随着钠离子电池的大规模产业化后，有望进一步对目前磷酸铁锂和铅酸电池应用广泛的上述领域进行替代。

钠离子电池的性能优势：

动力电池系列的第五部分的内容就分享到这里，明天和大家分享第六部分的内容：封装方式演进之4680 大圆柱

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