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车东西（chedongxi） 文 | 小路 随着时间推移至夏季，外界气温越来越高，电动汽车因动力电池自燃起火事件时有发生，甚至出现致人死亡的事件，电池安全也因此得到越来越多的关注。 现阶段电动汽车企业为追求较远的续航里程，普遍使用三元锂电池，而该型电池因为内部存在价格昂贵的钴元素和锂元素，价格一直居高不下，每千瓦时的制造成本普遍在1000元以上。除此之外，三元锂电池的安全稳定性也饱受诟病。 如何使电动汽车的动力电池兼顾安全、成本和能量密度，一直困扰着各大动力电池供应商、电动汽车车企、高校和科研院所。那么是否有这么一种技术，可以保证车辆安全性和的同时进一步降低生产制造成本？ 近期，一个来自伦敦的研发团队成功研发了经过500次充放电而不损失电池容量的钠离子电池，该团队成功研发的钠离子电池或将解决三元锂电池的不稳定和价格高的问题。除伦敦的研发团队外，美国华盛顿州立大学也对钠离子电池展开了相关研究，攻克了阻止钠离子流动的钠晶体堆积问题。 据了解，钠离子电池现在最大的技术难题和缺陷是能量密度较低，至少是比不上三元锂电池的，但是与磷酸铁锂电池相比，两者不相上下。伦敦的科研团队称，他们正在攻克这一难题。 那么钠离子电池到底是什么，又有哪些技术特点？是否会成为下一代主流电池技术呢？
▲伦敦科研团队研发的钠离子电池工作原理 一、三元锂电池价格高，安全性差 钠离子电池或将成为未来主流 据了解，目前，大多数车企普遍选择了能量密度更高的三元锂电池，动力电池供应商还在不断地增加电池内部镍元素的含量以求拥有更高的能量密度，实现更远的续航里程。 有研究表明，三元锂电池正极材料中的镍元素富集使得电池的容量保持能力和热稳定性会出现下滑。 具体来说就是，当NCM（镍钴锰）三元锂电池正极材料中的镍元素含量超过60%，NCA（镍钴铁）三元锂电池正极材料中的镍元素含量超过80%，在经过一定次数的循环使用后，电池正极会出现大量微裂纹，电极的阻抗增大，电极开始析出氧气，一旦电池内部温度达到250℃~350℃，三元锂电池内部的化学成分会开始分解。 三元锂电池正极出现大量微裂纹直接影响到电池的使用寿命，电极析出氧气则极易导致电池热失控的发生，进而引发电池的起火爆炸。 不仅如此，三元锂电池的造价也是居高不下是因其内部含有钴元素，而钴的全球储量仅为720万吨，这使得该型电池每千瓦时的生产价格普遍在1000元以上。 三元锂电池虽然提升了电池的能量密度，但制造成本高、安全性差。今年入夏以来，国内就已经发生了多起电动汽车自燃的事故，5月26日在深圳福田区甚至发生了电动汽车起火致人死亡的惨剧。据统计，其中大部分的自燃事故车辆搭载的是三元锂电池。
▲搭载三元锂电池的车辆自燃 另一种主流的电池是磷酸铁锂电池，相较于三元锂电池该型电池不含镍元素，所以安全性高、循环使用寿命长，但是180kWh/kg的电芯能量密度与三元锂电池的240kWh/kg存在较大差距。此外因为磷酸铁锂电池不含钴元素，比亚迪公司和宁德时代公司已经将该型电池每千瓦时的生产成本控制在600元以内。 磷酸铁锂电池虽然保证了电池的安全性和较低制造成本，但能量密度低的问题又凸显出来。 综上，一直以来国内外的动力电池供应商、车企、高校和科研院所都被动力电池的安全、价格和能量密度之间的平衡问题所困扰。 与锂离子电池结构和工作原理相似的钠离子电池进入科学家的视野，钠离子电池是一种可循环充放电的二次电池，该电池具有安全稳定性高和使用维护方便等优势，或将帮助解决动力电池所遇到的问题。 二、多国研究发展钠离子电池 英国法拉第公司开始落地商用 据悉，已经多个国家的科研团队对钠离子电池技术展开相关研究，其中其中英国法拉第公司已经宣布与印度重型商用运输科技公司IPL展开合作。 在可预见的未来，锂离子电池的全面应用会造成锂元素储量减少，其价格也会随之升高，而钠元素在自然界中储量丰富，制造和获取手段也更加简单、成本也更低。 据统计，全球锂资源储量约为1350万吨，探明储量约为3978万吨，年产量3900吨，而全球钠资源储量约为160亿吨以上，年产量20万吨。如此丰富的储量和巨大的开采量，钠将助力动力电池进一步降低电池制造成本。 另外，在电池的使用维护方面，钠离子电池不需要担心电池过度充电与过度放电的问题。 面对钠离子电池的优秀特性，各国研发团队的进展如何了？以下是钠离子电池技术研究的具体信息。 2020年6月1日美国华盛顿州立大学（WSD）和太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员联合宣布，成功研发了含钴的钠离子电池，并且已经解决了钠离子电池会在电池阴极形成阻止钠离子流动的钠晶体堆积的问题。 美国华盛顿州立大学研究小组负责人宋俊华（音译：Song Junhua）表示，钠晶体堆积问题的解决将为钠离子电池的发展铺平道路，他们对电池阴极与电解质之间的化合反应了解的更加透彻，为将来钠离子电池向无钴化发展提供了可靠的依据。”
▲宋俊华和其团队所研制的钠离子电池 2020年6月3日，英国伦敦的研发团队研发成功了含有机物的钠离子电池，该有机物是一种碳氢化合物，主要的作用是固定钠离子，这样就使得钠离子电池更加稳定，实现更长的使用寿命。该团队称，他们对研发成功的钠离子电池原型进行了500次的充放电测试，该电池的电池容量并未有任何的衰减。 另外，伦敦科研团队称，得益于内部的化合物一次性可携带两个电子，钠离子电池比锂离子电池的充电速度更快。然而，钠离子电池的充电速度到底有多快，该团队并未给出具体数据。 国内的高校以及科研院所也对钠离子电池展开了相关研究，其中南京理工大学研发了结构稳定的锰基正极材料，钠离子电池充放电1000次后，比容量保持率高达94.6%，而电池行业一般的比容量保持率标准约为80%。 如果说这些都是实验室成果未落地商用，那么英国法拉第公司作为一家钠离子电池制造供应商就成了第一个“吃螃蟹”的公司。2020年6月15日，英国法拉第公司宣布与印度商用车运输科技IPL公司开展合作，由法拉第公司向IPL公司提供钠离子电池。 法拉第公司表示，“钠离子电池技术提供了与传统化学相似的性能，电芯能量密度达150kWh/kg~160kWh/kg，同时用更丰富的钠替代了昂贵的材料，如钴和锂。与锂离子电池不同的是，这些电池具有优异的热稳定性和安全性。” 三、钠离子电池能量密度较低 不适用传统负极材料 钠离子虽然具有安全、稳定和成本低等诸多优点，但凡事有利就有弊，该型电池也存在能量密度不足和不能使用石墨做负极的问题。 伦敦研发团队负责人称，虽然他们成功研发了有机的钠离子电池解决了电池的寿命和容量衰减问题，但是在电池的能量密度方面一直没有进展，接下来会想办法提高钠离子电池的能量密度。 不只是能量密度的问题，钠离子电池的内部结构虽然与锂电池的结构类似，但是一直作为电池负极的石墨并不能应用于钠离子电池上，这是因为钠离子半径比锂离子半径大，钠离子的嵌入在热力学上没有任何优势，从而造成大量电池能量浪费，电池实际输出电能大幅减少。 若电池的负电极材料问题得到解决，或许钠离子的能量密度将得到大幅提升。 外媒对钠离子电池发表评论称，“虽然钠离子电池与锂离子电池十分相似，但锂离子电池的发展路线并不一定适用钠离子电池，比如石墨在锂离子电池上取得了商业上的成功，却并不适用于钠离子电池。每种电池技术都需要找到适合的技术方案，比如电池的正负极等。在解决电池负极材料之后，钠离子电池技术或将成为一种新的商业技术方案。” 钠离子电池的研发成功使得电池的安全问题和造价问题得以解决，该电池或将为电池技术带来一条新的技术路线甚至成为未来电池技术的主流路线。 结语：电池技术不断发展 多种技术路线并存 通过提高三元锂电池中的镍含量，确实解决了汽车的动力电池的能量密度低问题，电池安全问题也随之而来。如今关注的焦点又放在了磷酸铁锂电池上，宁德时代、比亚迪等动力电池供应商和车企在此领域展开新一轮的厮杀。 国外通用汽车公司联合动力电池供应商LG化学在三元锂电池的基础上添加了铝元素以增强电池的稳定性和安全性。 除了深耕在传统动力电池路线方面技术，今年早些时候，长城蜂巢能源发布了自家的无钴电池；近日，华盛顿州立大学联合太平洋西北国家实验室成功研发了经1000次充放电后损失20%电池容量的含钴钠离子电池；之后不久，英国伦敦研发团队又宣布经500次充放电后，容量不受损伤的钠离子电池研制成功。 可见，电池技术在不断发展，已经形成了多种技术路线并存的局面。最新的钠离子电池虽然存在能量密度不足的问题，但是经过科研人员的不懈努力，钠离子电池或将在电池的安全、价格和使用寿命之间达到一种平衡，从而促进汽车电动化的发展。 |
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