钠锂之争:谁将主宰新能源汽车的未来？
元素特性使锂变热。
新能源汽车之所以能在深水中通行，其实很好解释:因为不需要像燃油车一样从外界空气中获取氧气作为能量释放反应的氧化剂。在新能源汽车的电池组内部，离子在阴极和阳极之间穿梭，产生电流释放能量。因此，新能源汽车的“高压系统”可以与外界环境完全隔离，一般达到IP67的防水标准，即在水深1米的情况下，可以保证30分钟不漏水。
而新能源汽车的“低压系统”往往没有那么优秀的防水性能，在水中容易出现短路等问题，所以在没有轮胎的情况下，仍然不适合在深水区行驶。
新能源汽车凭借着比燃油车更好的涉水性能，在大众面前一展身手。就像业内流传的一句名言“得电池者得天下”，占新能源汽车制造成本40%左右的动力电池也正处于巨变的风口浪尖。
这让连续四年蝉联动力电池市场份额全球冠军的当代安培科技有限公司依然不敢松懈，于近日发布了最新研发的钠离子电池。那么，作为锂离子电池巨头的当代Amperex科技有限公司，为什么要在这个时候发布钠离子电池呢？与传统锂离子电池相比有哪些优势？动力电池的未来在哪里？
事实上，钠电池的科研几乎与锂电池同时开始。两者都始于20世纪60年代末冷战和石油危机的背景下，人们迫切需要新的储能材料。
第一代锂电池属于锂金属电池，不同于现在的锂离子电池。它在充电时结晶效应极其严重，容易造成内部短路，所以基本上是不可充电电池。
离子电池的本质是金属元素以离子状态在正负电极之间来回穿梭，在这个过程中获得和释放电子，从而形成电流。金属离子只是电子的“搬运工”，使得正负极材料几乎没有损耗，实现了极高的循环寿命。这是现在给电池充电的主要思路。
理想的可充电电池需要实现尽可能小的体积和重量，并且存储和携带更多的能量。所以从元素周期表来看，要做好能量载体，原子的相对质量要小，获得和失去电子的能力要强，电子转移的比例要高。锂是地球上最轻的金属，已经成为制造电池最理想的材料。
同时，锂的同族元素钠和钾也成为研究对象。但是因为钠原子比锂原子多8个电子，所以钠的原子半径比锂的大得多。这使得它在正负极材料之间嵌入和脱离时会占用更多的空间，需要使用比锂离子电池正负极嵌入孔更大更坚固的材料。
而且比锂重很多，使得钠电池的储能密度低于锂电池。这一系列问题使得钠离子电池在电池研究的浪潮中一度被人们遗忘。锂电池在1980年代后期迎来了技术突破，以锂离子为基础的“摇椅电池”取代了之前的锂金属电池体系，在短短几十年内完全占领了消费电子市场，成为新能源汽车动力电池的主流解决方案。
担心“能量储存耗尽”
但50年前第一批研究锂电池的科学家大概不会想到，地球并不是一个锂资源丰富的星球。地壳中锂的含量只有0.0065%，70%在南美洲，存在分布不均的问题。
类似的问题还有，锂离子电池负极的另一种不可或缺的元素钴的情况也不乐观。主要分布在刚果(金)(52%)和澳大利亚(17%)，面积为0.005438+0%。在全球范围内，锂电池产量不断创新高，锂电池整体价格大幅下降，但用于生产锂电池电极的原材料价格迅速飙升。“储量枯竭”正成为许多业内人士真正关心的问题。
锂离子电池面临着一个绝大多数商品永远不会遇到的挑战:随着产量的增加，价格不可能继续下降，反而可能大幅上涨。在这种形势下，用上百种手机电池材料造一辆车的新能源车企如坐针毡。
所以近年来，各大新能源车企除了造车，最大的可能就是降低电池组中锂钴含量，收购上游矿企股份，大力发展锂以外的下一代储能系统。
在此背景下，早年被忽视的钠离子电池在2010年后成为研究热点。与稀有的锂不同，钠在地壳中的质量比为2.75%，是锂的400倍。氯化钠作为食盐的主要成分，价格不到碳酸锂的1/10。
“钠锂混合搭配”
中国作为全球最大的新能源汽车市场，在钠离子电池的研究方面也处于领先地位。在当代Amperex科技有限公司之前，中科院物理所研究的钠离子电池已于去年投入量产，但能量密度仍然较低，约为145Wh/kg。
当代安培科技有限公司第一代钠离子电池的能量密度达到160Wh/kg。虽然160Wh/kg的能量密度在300Wh/kg的三元锂电池面前真的不算高，甚至低于磷酸铁锂电池，但已经是世界上钠离子电池储能密度最高的水平了。
此外，当代Amperex科技有限公司的钠离子电池在常温下可充电15分钟，电量可达80%以上；而且在-20摄氏度的低温环境下，还具有90%以上的放电保持率，远好于该条件下三元锂电池70%的水平。
钠离子电池也能通过业内最严格的针刺测试，基本可以算是磷酸铁锂电池的“快充”和“增强低温性能”版本。钠离子电池具有较高的安全性和成本优势，可作为磷酸铁锂电池的替代品，广泛应用于低端电动汽车、商用电动公交车甚至两轮电瓶车等多个领域。
发布会上，当代安培科技有限公司还提出了将钠离子电池和三元锂电池按照2 1的比例混合的技术方案。通过优秀的BMS(电池管理系统)逻辑，可以精确控制两块电池的放电水平曲线，使得钠离子电池搭载在对续航要求更为严苛的高端电动车上成为可能。
多技术解决方案出现
按照国家2030年碳排放达到峰值，2060年碳中和的思路，西部对太阳能、风能等清洁能源的需求也在扩大。但与火电不同，清洁能源可以根据负荷动态调整发电量。如果产生的电没有及时使用，只能作为“弃电”处理。
据了解，2018年，我国光、风、水用电量为1022亿千瓦时，浪费巨大。为了将清洁能源产生的电力稳定地接入电网，需要建立大规模的“储能电站”。
以前段时间在广东阳江建成的国内最大的抽水蓄能电站为例。它的基本原理是利用城市电波谷中多余的电来抽水。把水抽到高处后，在电波高峰时段释放出来发电。这可以看作是一个巨型充电电池，在电网中承担着调峰填谷和应急备用的任务。
这样的任务也可以通过将其提供给具有低成本、相对高能量密度和对环境温度不敏感的钠离子电池来完成。
那么，钠离子电池是新能源汽车的未来吗？事实上，包括三元锂电池和磷酸铁锂电池在内，现在新能源汽车的主流动力电池解决方案都属于“液体电池”的范畴，即需要液体“电解液”作为离子可以畅通无阻流动的介质。
其实动力电池还有另外一种“固态电池”方案，顾名思义，就是利用室温下呈固态的电解液作为传递离子的介质。一般认为液体电池的储能密度上限为350Wh/kg，而固体电池的能量密度有望达到65，438+0，000 Wh/kg。
固体电解质非常稳定，基本消除了热失控爆炸的风险，被业界认为是未来动力电池的发展方向。国内众多电池厂商也布局赛道多年。目前，固态电池新材料的理论研究论文也遍地开花。我相信固态电池的时代离我们并不遥远。
此前，新能源汽车行业有一个大胆的预测，即新能源汽车全面替代燃油汽车的拐点将在动力电池能量密度达到400Wh/kg之后到来。目前，世界上许多国家也宣布将2030年作为全面禁止销售和生产燃油汽车的时间节点。
我想用当代Amperex科技有限公司创始人兼董事长曾玉群在钠离子电池大会上的一句话来结束文章:“我们认为，电化学世界就像一个能量立方体，未知远大于已知。”相信人类终将克服动力电池发展的种种困难，让世界全面进入清洁能源时代。
作者|马殿秋
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