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直击长沙|兴储世纪刘杨:钠离子电池—重芯储发

作者:中国储能网新闻中心 来源:中国储能网 发布时间:2022-12-20 浏览:

中国储能网讯:11月24-26日,由湖南省工业和信息化厅、湖南省商务厅、长沙市人民政府、中国化学与物理电源行业协会储能应用分会联合主办,100余家机构共同支持的湖南(长沙)电池博览会暨第二届中国国际新型储能技术及工程应用大会在长沙圣爵菲斯大酒店召开。此次大会主题是“新能源、新机遇、新高度”。

会议期间,组委会邀请了兴储世纪科技股份有限公司副总裁、成都研究院副院长刘杨分享主题报告《钠离子电池—重芯储发》。以下是发言主要内容:

刘杨:以锂离子电池成本拆解为例,原材料中,60%是由正极材料所占据的。如果我们用钠离子电池替换锂离子电池,可以将正极材料原料成本可以大幅下降,而整体材料成本大概可以下降30~40%左右。

简单说一下钠离子电池的正极材料。正极材料目前以三个体系为主,分别是过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子。目前来讲,过渡金属氧化物是一个首选材料,因为众多厂家都选用过渡金属氧化物。它是一个层状结构,非常类似于我们今天用的锂电池的三元材料。普鲁士蓝化合物它的结构是一个非常开放的三维网状结构,有利于钠离子电的脱嵌。聚阴离子材料跟磷酸铁锂的结构非常相似,是一个橄榄石结构,其三维通道非常有利于钠离子的脱嵌。

首先我们看一下这三个材料各自的优优缺点。

正极材料,过渡金属氧化物,首先它具有比较高的理论能量密度和比较高的电压平台,但是在循环过程当中,它存在着一个不可逆的相变,进而导致它的循环稳定性较差。通常来说O3的结构它具有很高的钠含量,它相对应的能量密度非常高。而P2结构它的钠含量相对较少,循环稳定性,它整个在钠的传导过程当中,它所需要克服的势垒较低,所以它具有较好的循环稳定性和倍率性。

普鲁士蓝化合物具有比较高的开放的三维网状结构,同时它所应用的元素包括铁和锰都是成本比较低廉的元素,因此它的整个材料的成本控制非常好。除此之外,材料稳定性也非常优异。但是它的主要劣势在于,在制备的过程当中,它的配备水难以控制,因此会导致循环稳定性比较差一些。

钠离子聚阴离子材料跟磷酸铁锂也很相似,它的特点是热稳定性非常好,而且结构稳定性也比较优异,电压平台高。它的劣势在于能量密度较低,且导电性较差。

我们可以看到右面这个图(如图)。在不同的正极材料体系当中,包括层状氧化物、聚阴离子和普鲁士蓝,它跟磷酸铁锂的能量密度应该是非常相似的。

负极材料主要包括三个方面,分别是碳基材料、合金类材料和钛基氧化物。碳基材料目前是一个主流的选择,主要是以无定形碳,包括层间距比较大的软碳和硬碳。它这种无序排列会提供很大的储钠的一个点位,因此是一个首选。合金类的化合物,它是指那些可以与钠发生反应的元素。在这个过程当中,具体的化学反应方程式显示如下,大家可以看到(如图)。钛基氧化物目前它并非是一个主流的选择,它主要是一个层状或者隧道型的钛基氧化物。

我们看一看负极这几个具体的特点。

碳基氧化物包括硬碳和软碳,硬碳是指那些难以石墨化的,并且具有很大的层间距。它可形成很多的石墨微晶的无序堆积,可以提供很多的储钠点位。它的比容量通常来说是在250~350mAh/g,它的主要缺点是首效比较低一些,大概在80~90%之间。软炭是指那些比较易石墨化的,它的结构应该介乎于硬碳和石墨之间,它的有序度更高一些。主要优点是成本比较低廉,容量应该是逊色于硬碳的。

合金类,它的特点非常鲜明,优点和缺点都非常鲜明。比如说它的理论的容量非常高,但是伴随着比较大的体积膨胀。

钛基氧化物,它跟我之前说的非常相似,它的结构非常稳定,循环性能比较好,但是它现在并不是一个主流的负极材料选择。

钠离子电池优化。我简单说一下正极材料的主流的选择,过渡金属氧化物。因为之前我也提到了,钠离子电池尤其是过渡金属氧化物,它在循环的过程当中会产生不可逆的相变。我们怎么抑制这种相变的产生?可以通过多相金属来合成一个层状氧化物,来抑制这种不可逆相变的形成,从而提高它的循环性能。

第二种,我们都知道,过渡金属在正极材料当中提供了氧化还原反应,并为正极材料提供容量。同时我们也可以考虑类似于富锂的富钠正极材料,使得阴离子也就是氧离子的还原活性提供额外的一个容量,进一步提升钠离子电池的能量密度。

举一个简单的例子。这是我们早些年做的一个研究成果,它是用镍、锰、钛、镁及其他的过渡金属氧化物合成一个比较复杂的化合物,它的克容量大概在155mAh/g,放电平台在3.2V,整个材料的能量密度大概在500Wh/kg。我们可以看到这半电池和全电池的结果当中,它有非常好的一个容量保持率,尤其在高低温性能上,它的容量保持率也非常优秀。

下一个是负极材料,这里我着重讲的是硬碳材料。硬碳材料,我们第一个系列是通过将两种硬碳前驱体进行混合,高温碳化,得到的“系列一”,它主要有以下这些特点:全电池克容量可以达到320mAh/g。振实密度可以达到1.05g/cm3每立方厘米。我们将a和 b物质按不同比例来进行混合,中间的实线是日本可乐丽的一个振实密度,可以看到按照不同比例的混合,我们振实密度可以达到一个动态分布。1.05g/cm3目前应该是比较高的一个振实密度,这样比较高的振实密度可以大大提升整个钠离子电池的能量密度。同时在最右面是一个全电池(如图)的比较。绿色的线是我们混合的硬碳材料,而黑色的线是日本可乐丽的硬碳材料。在全电池的表现当中,混合硬碳表现更加优异,在100次循环它的容量衰减率只有0.2%,而我们看到黑色的日本可乐丽硬碳它大概有5~7%的容量衰减率。

第二个是一个硬碳复合材料。从左边SEM(图)当中可以看到我们的中间是一个硬碳颗粒,外围包覆的是纳米锡材料。我们知道锡材料可以跟钠进行反应,同时它的最大问题是它的体积膨胀,所以说我们把锡金属进行纳米化包覆在这个硬碳材料当中,所以我们得到的克容量在全电池当中可以达到420mAh/g。同时在全电池当中,我们可以看到放电平台也有一定提升,放电平台提升可以再进一步的提高整个电池的能量密度。

最后我介绍一下我们兴储世纪的钠离子电池。兴储世纪科技股份有限公司成立于2007年,是全球知名的智能微电网解决方案提供商。我们在四川、甘肃等偏远地区完成了很多新能源储能项目建设,同时我们的业务遍布巴基斯坦,目前我们正在积极开拓美洲和欧洲市场。兴储世纪的离网光储智能微电网项目的建设规模已位居全球前列,我们是巴基斯坦光伏发电领域第一大能源独立发电商(IPP),是巴基斯坦知名的新能源品牌。2022年我们发布了钠离子电池的规划路线,在今年早些的时候,我们首先完成了钠离子电池的体系确立、组合优化,包括18650圆柱形电池的小试。目前我们正在进行大尺寸电池的市场验证,同时进行了关键材料开发和配套。在未来的两年之内,我们会不断地优化我们产品,包括材料、产品规格以及储能装置的验证工作。最终在2025年,我们将推出自己的钠离子电池电芯,包括不同规格、不同型号的。最终的产品会用到我们自己的储能产品上面。

我简单介绍一下我们自己的储能产品。

首先这款产品叫做Panda,它是户用储能系统。从这个图(如图)当中,我们可以看到它由三部分组成,分别是逆变器、多控系统和电池模块。在之后的钠离子电池量产化,我们的电池模块就采用我们自己钠离子电池电芯,每一个电池模块大概为3.8度电。这个系列产品安装维护非常的便捷快速简单,主要是面向户用储能。

下一款产品是我们公司的明星产品,叫做Scopio(音)。这款产品已大量应用在我国无电偏远山区和巴基斯坦的储能项目。(如图)从右面的图我们可以看到,这些是我们非常成功的一些储能项目。整个产品分为电控柜和电池柜两个部分,这两个部分应该说可以进行分布式级联应用,整个电池柜和电控柜它的体积非常小,便于运输,尤其在交通欠发达的地区优势更为明显。

最后一款产品是我们公司的集装箱式产品。这款集装箱产品叫Blue,我们分为20尺和40尺的。我简单举个例子,这款是40尺的(如图),根据不同场景和设计的要求,我们可以把它做到2MWh和2.8MWh,它主要面向的项目是大型储能装置。

最后我简单说一下我个人对钠离子电池产业以及未来的展望。目前钠离子电池还有一定的技术挑战,首先是关键材料性能有待提升。我们知道有三个体系,哪个体系能够脱颖而出,现在还没有确定。技术成本优势有待实现,目前我们的生产工艺成熟度还不是特别高,也没有出现规模效应。最后一点是技术标准有待制定,使得钠离子电池更加规范化安全地使用。钠离子电池产业化目前还处于研发和产业化初期,预计在2023年可以形成产业链,预计在2025年钠离子电池的产业化进程正式开启。

对于应用市场,钠离子电池的主要应用市场还是在储能领域。预计在2025年之后,钠离子新增的电化学储能将超过传统的抽水储能,主要用于发电车的新能源消纳和电网侧的调峰调频,预计在2025年电化学储能累计装机量就超过50GWh。除此之外,其他的领域类似于低速力电动车,也是钠离子电池的另外一个战场。在这个领域当中,钠离子电池有望对铅酸电池进行部分替代。

以上就是我的简短报告。谢谢大家。

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关键字:钠离子

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