◇北京京能清潔能源有限公司西北分公司 王一帆

我國有大量鈉資源，無需像鋰離子電池一樣從外國進(jìn)口大量鋰礦，是一種很有發(fā)展前景的新型儲(chǔ)能電池。本文首先進(jìn)行鈉離子電池的工作原理分析，然后介紹鈉電池用與儲(chǔ)能電站的場(chǎng)景及優(yōu)點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)性及鈉離子電池發(fā)展前景表明鈉離子電池是大型新能源儲(chǔ)能電站的優(yōu)秀備選，最后對(duì)鈉離子電池行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布了中國碳中和目標(biāo)，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。2020年全世界制造了接近300GWh的鋰電池，并且到2025年預(yù)計(jì)制造1000Gwh，鋰電池的需求增長速度超乎想象。2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和，光伏、核電、風(fēng)能等新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域已經(jīng)迎來井噴式增長。如此巨大的市場(chǎng)需求背后，我國的鋰資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用。中國缺鋰礦而中美競爭，關(guān)系惡化，斷供的危險(xiǎn)如果發(fā)生后果無法預(yù)期，因此，發(fā)展鈉離子電池是必要的，不論是為了遠(yuǎn)期的儲(chǔ)能市場(chǎng)的巨量規(guī)模需求，還是為了近期國際關(guān)系動(dòng)蕩帶來的鋰資源不確定性。

1 鈉離子電池工作原理

鈉離子電池的結(jié)構(gòu)及工作原理與鋰離子電池相同，鈉離子電池的構(gòu)成主要包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體。原理與鋰離子電池相似，充電：Na+從正極脫出，經(jīng)電解液到達(dá)負(fù)極，與此同時(shí)過渡金屬元素升價(jià)，向集流體轉(zhuǎn)移e-，經(jīng)外部電路到達(dá)負(fù)極；Na+經(jīng)負(fù)極表面SEI層后，獲得電子，成為Na嵌入負(fù)極。放電過程想法。不同點(diǎn)在于，Li+的六配位半徑76pm，Na+的六配位半徑102pm?；趥€(gè)頭更大的Na+的鈉離子電池，正極、負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)與鋰離子電池差異很大。電解液同樣基于碳酸酯溶劑，從LiPF6換成NaPF6。NaPF6的物料成本理論上低于LiPF6。雖然目前由于產(chǎn)業(yè)鏈配套的原因，成本并無優(yōu)勢(shì)，但是電解液的特性影響了隔膜的選型。鋰離子電池的隔膜必須擁有比較大的孔徑以讓溶劑化的Li+攜帶溶劑分子快速通過，而鈉離子電池的隔膜則不用考慮這一點(diǎn)，對(duì)隔膜幾乎沒有選擇性，孔小一些大一些無所謂從而降低成本[2]。

鋰離子可以正極采用較為便宜的鋁箔作為集流體，但負(fù)極必須用更貴銅箔作為集流體，而鈉離子電池則正極和負(fù)極均可以采用較為便宜的鋁箔作為集流體。因此，發(fā)展鈉離子電池大型新能源儲(chǔ)能電站有著良好的前景。

2 使用鈉離子電池儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)

2.1 資源儲(chǔ)量及價(jià)格優(yōu)勢(shì)

目前探查的鋰元素在地殼中含量約為0.007%，而鈉資源相反，地殼中含量約為2.64%，且分布平均。2022年碳酸鋰價(jià)格為45萬元/噸，且鋰離子電池負(fù)極電位低，必須使用不被腐蝕的銅箔；碳酸鈉2000/噸，鈉離子電池的負(fù)極電位高，不會(huì)腐蝕鋁箔。上游探明鋰礦其實(shí)量很大，然而鋰礦集中在南美洲和國外其他地區(qū)，擴(kuò)產(chǎn)的速度實(shí)在太慢了，完全跟不上下游暴增的產(chǎn)能規(guī)劃和需求。從這個(gè)角度上看，鈉電的驅(qū)動(dòng)力不是大自然中的“鋰礦”不夠，而是全球鋰化工產(chǎn)業(yè)鏈的“產(chǎn)能”不夠。并且，這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈復(fù)雜，我國每年使用的鋰資源80%以上需要進(jìn)口。相對(duì)而言，負(fù)極石墨(Gr)，隔膜聚乙烯聚丙烯(PE PP)，電解液六氟磷酸鋰(LiPF6)和碳酸酯(EC DEC)，粘結(jié)劑聚偏氟乙烯(PVDF)和羧甲基纖維素(CMC)，銅箔，鋁箔的產(chǎn)業(yè)鏈的擴(kuò)增速度比鋰鹽強(qiáng)不少，至少原材料國內(nèi)可控。鈉電產(chǎn)業(yè)鏈里的鈉鹽，碳酸鈉2000/噸，硬碳源于無煙煤，量管夠，且無需購買，不用受制于人。

2.2 安全性優(yōu)勢(shì)

由于鈉離子電池電芯的內(nèi)阻較低，在環(huán)境溫度較高的情況下工作容易出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)熱失控導(dǎo)致起火。鈉離子電池相反，電芯內(nèi)阻較大，工作時(shí)瞬時(shí)放熱量小，便于進(jìn)行熱管理。且鈉離子電池在擠壓、穿刺短路等實(shí)驗(yàn)中不起火不爆炸。鋰離子電池在充電過程中富余的鋰離子會(huì)慢慢在負(fù)極表面沉淀形成鋰枝晶，鋰枝晶的生長過程中會(huì)刺穿隔膜到達(dá)正極造成導(dǎo)致內(nèi)部短路，這可能會(huì)造成災(zāi)難性事故。因?yàn)殁c金屬的自擴(kuò)散系數(shù)高，在某些電解質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生的鈉枝晶會(huì)被溶解，所以鈉離子電池很難產(chǎn)生穩(wěn)定的鈉枝晶。

2.3 高低溫性能優(yōu)勢(shì)

鋰離子電池和鈉離子電池的電解液同樣基于碳酸酯溶劑，Na+半徑是Li+的約1.3倍，帶一個(gè)正電荷時(shí)，Li+的電荷密度是Na+的2.4倍，因此更容易被碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯中酯基上的孤電子對(duì)吸引絡(luò)合，溶劑化程度高。產(chǎn)生的[Li(EC/DEC)n]+離子團(tuán)，降低Li+的離子遷移能力的同時(shí)在電解液活性物質(zhì)界面，先“解絡(luò)合”，然后Li+單獨(dú)的進(jìn)固體電解質(zhì)界面相，這就Li+在最為關(guān)鍵的液固相界面處的遷移嚴(yán)重遲滯。Na+則不管是離子電導(dǎo)率，還是在界面處的遷移速率均很快，那么同樣的溫度下，倍率可以比Li+更高。另外，更為重要的，在極寒條件下，鈉離子電池依然可以進(jìn)行充放電，而鋰離子可以正常放電，充電就必須使用0.5C了。

3 大型鈉離子電池新能源儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)

目前鋰離子電池能量密度約為190Wh/kg，鈉離子電池約為150Wh/kg。鈉元素是元素周期表第十一位，鋰元素位于元素周期表第三位因此在同樣體積下鈉離子電池比鋰離子電池重約3倍。但是因?yàn)閮?chǔ)能電站中儲(chǔ)能電池?zé)o需移動(dòng)，所以能量密度的劣勢(shì)可以通過增加鈉離子電池的數(shù)量來解決。

大型鈉離子電池新能源儲(chǔ)能電站的優(yōu)勢(shì)如下所示。目前國家新能源發(fā)電能力極不均勻，西部地區(qū)有著良好的風(fēng)光資源，風(fēng)力、光伏發(fā)展迅速。但是西北地區(qū)人口遠(yuǎn)不如南方，西部城市用電量遠(yuǎn)低于南方城市。導(dǎo)致西北地區(qū)發(fā)電量遠(yuǎn)超用電量，自身消化不掉，而送出線路有上限。導(dǎo)致在大負(fù)荷天氣經(jīng)常限電，尤其是前兩年搶裝潮導(dǎo)致大電量遠(yuǎn)大于需求，這幾年限電損失越來越嚴(yán)重。大型新能源儲(chǔ)能電站可以在大負(fù)荷時(shí)將發(fā)電時(shí)送出一半，小負(fù)荷時(shí)通過儲(chǔ)能電池持續(xù)輸出。有效幫助電網(wǎng)進(jìn)行負(fù)荷管控。同時(shí)，因?yàn)橛写笕萘績?chǔ)能電池，可以省去占用蓄電池和通訊蓄電池，在發(fā)生意外失電后，有充足時(shí)間進(jìn)行檢查。同時(shí)儲(chǔ)能電站送出負(fù)荷經(jīng)過儲(chǔ)能電池輸出平滑。鈉離子電池成本低，相較于鈉離子電池在建造GW級(jí)以上儲(chǔ)能電站時(shí)電池支出減少可達(dá)50%。

4 結(jié)束語

鈉離子電池已經(jīng)展示了在大型儲(chǔ)能電站領(lǐng)域提質(zhì)增效的巨大潛力。低容O3-相鈉三元體系的循環(huán)性能非常優(yōu)異，1C/1C 100% DOD有望達(dá)到6000次，與4.1V鋰三元、磷酸鐵鋰類似；如果限制到80%DOD，則可以達(dá)到10000次；如果考慮到大規(guī)模儲(chǔ)能電站的高功率需求和半充滿使用工況，其服役時(shí)間與磷酸鐵鋰相似。目前，銅鐵錳層狀氧化物等的度電成本分別為0.5元/Wh，與磷酸鐵鋰的成本比無較大提升。但鈉離子電池技術(shù)還未成熟，上下游產(chǎn)業(yè)鏈、電池管理系統(tǒng)、制造技術(shù)等還有極大的提升空間。接下來國家大力扶持新能源儲(chǔ)能和企業(yè)開始轉(zhuǎn)型研發(fā)鈉離子電池將會(huì)使整個(gè)行業(yè)快速進(jìn)步，待行業(yè)成熟了鈉離子電池在安全性和成本上的優(yōu)勢(shì)就會(huì)體現(xiàn)出來。