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作者｜王磊 劉雅杰
編輯｜秦章勇
不要半小時，不要十分鐘，甚至不需要 1 分鐘。
最近科學(xué)家研發(fā)出一種全新電池，幾秒鐘就能充滿，比加油還要快，嗖~ 的一下，就滿了。
全新電池一旦量產(chǎn)落地，意味著充電焦慮時代徹底成為過去式。
這項最新的研發(fā)成果，發(fā)表在頂尖學(xué)術(shù)期刊《能量儲存材料》上，韓國科技先進(jìn)研究院（KAIST）材料科學(xué)與工程系 Jeung Ku Kang 教授領(lǐng)導(dǎo)的這項研究。
而且全新電池并不是三元聚合物鋰電池，而是被高性能電車不看好的鈉離子電池。
01、有望代替鋰離子電池現(xiàn)在新研發(fā)出的電池層出不窮，但基本都是在電池的正負(fù)極材質(zhì)上“下功夫”。
這次韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的研發(fā)團(tuán)隊也不例外，這款鈉離子電池里集成了通常的電池陽極材料和適用于超級電容器的新型陰極。
不過鈉離子電池基本都有硬傷，比如功率輸出偏低、循環(huán)壽命短，存儲性能受限和充電時間較長等一系列問題。
韓國科技先進(jìn)研究院（KAIST）材料科學(xué)與工程系聯(lián)合研發(fā)的這款鈉離子電池，卻解決了以往不少的弊端，既能實現(xiàn)大容量存儲，還能快速充放電，僅需幾秒就能充滿電。
根據(jù) Jeung Ku Kang 的表述，這款鈉離子電池迄今最高的能量密度為 247WH/kg，對比目前市面上的量產(chǎn)鋰電池，這樣的密度數(shù)據(jù)已經(jīng)相當(dāng)優(yōu)秀了。
其快速充電功率密度高達(dá) 34,748 W / kg，已經(jīng)達(dá)到了電池類反應(yīng)的 100 倍以上，并且在 5000 次充放電循環(huán)后，還具有 100% 庫侖效率的循環(huán)穩(wěn)定性。
不難發(fā)現(xiàn)，這款鈉離子電池同時實現(xiàn)了高能量密度和高功率密度。
之所以能出現(xiàn)這樣的效果，意味著解決了電池負(fù)極材料充電慢以及其超級電容器正極材料容量相對較低的問題。
Jeung Ku Kang 的團(tuán)隊分別在正極和負(fù)極上用了兩種不同的金屬有機框架，并通過優(yōu)化合成了一種混合型的電池。
其負(fù)極材料，是由鐵基金屬有機骨架（MOF）/氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過石墨碳形成和硫化合成而來的，以鐵基金屬有機骨架 / 氧化石墨烯異質(zhì)結(jié)為原料，通過石墨炭生成和硫化反應(yīng)合成了超細(xì)硫化鐵摻雜了碳 / 石墨烯 (FS / C / G) 的負(fù)極材料。然后將這種負(fù)極材料嵌入到由金屬有機框架衍生出的多孔碳中。
他們通過試驗發(fā)現(xiàn)，循環(huán)超細(xì)硫化鐵在化學(xué)反應(yīng)中被重新定標(biāo)為具有 Fe 空位和多價 Fe / Fe 狀態(tài)的低結(jié)晶度導(dǎo)電碎片，這種極小的導(dǎo)電碎片，能夠?qū)崿F(xiàn)高容量 / 高速率的性能。
同時，他們還合成了高容量的正極材料，以分子篩咪唑骨架 (ZIF) 為原料，通過熱解輔助微孔和 KOH 輔助中孔形成制備了三維多孔摻雜氧碳的正極材料。這種 ZIF 衍生的多孔碳 (ZDPC) 的表面積達(dá)到了 3972 m / g，這比傳統(tǒng) ZDC 的表面積多約 20 倍。
更大的表面積也增加了鈉離子們通過的效率，從而提升了能量速率。
而這種正負(fù)極材料的搭配能夠平衡并縮小能量存儲速率的差異，從而創(chuàng)建出高性能的鈉離子存儲系統(tǒng)。而且這種新型的高容量正極材料則平衡并縮小了能量存儲速率差異。
這也是這款電池能進(jìn)行快速充放電的關(guān)鍵。
02、道路曲折，前途光明2022 年，鈉離子電池概念開始爆火。寧德時代等頭部電池廠商相繼推出鈉離子電池，并表示將致力于鈉電池上下游的產(chǎn)業(yè)化。
和鋰離子電池一樣，鈉離子電池也是一種二次電池（充電電池）。它們的工作原理也很相似，主要區(qū)別在于電荷載體的不同和正極材料的不同。鈉離子電池中的電極材料為鈉鹽。鋰離子電池中的電極材料為鋰鹽。
鈉離子電池的正極材料目前主要分為普魯士正極、層狀氧化物正極和聚陰離子正極三種類型。而鋰離子的正極材料主要分為錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰五種。
目前鈉離子電池所用的電極材料鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。另外，鈉離子電池采用鐵錳鎳基為正極材料，相比較鋰離子電池三元正極材料來說，原料成本可以降低一半。并且鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，這樣可以減輕 10% 左右的重量，并降低 8% 左右的成本。
除了成本更低以外，鈉離子電池還具有性能更穩(wěn)定，更不易耗電、更不易出現(xiàn)熱失控等優(yōu)勢。尤其是在低溫環(huán)境下，鈉離子電池的電池容量保持率甚至還高于同等環(huán)境下的磷酸鐵鋰電池，可以在-40℃到 80℃的溫度區(qū)間內(nèi)正常工作，在-20℃的環(huán)境下容量保持率接近 90%，更不易產(chǎn)生續(xù)航焦慮。
在安全方面，鈉離子電池在過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試中表現(xiàn)出了相當(dāng)高的穩(wěn)定性。它還可以實現(xiàn) 0V 運輸，大大降低了其運輸中發(fā)生自燃的風(fēng)險。
在充電補能方面效率也很高，常溫下，鈉離子電池只需 15 分鐘便可將電量補充到 80%。
優(yōu)勢明顯，缺點也同樣很明顯。比如目前磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命已經(jīng)達(dá)到了 6000 次，而鈉離子電池的循環(huán)壽命只能達(dá)到 2000-3000 次，距離前者還有很大的差距。
能量密度低也是鈉離子電池現(xiàn)階段技術(shù)突破的難點，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，寧德時代的第一代鈉離子電池的能量密度雖然已經(jīng)達(dá)到了 160Wh/kg，而鋰離子電池陣營中的三元鋰已經(jīng)做到 300Wh/kg了。
綜上所述，在對重量和能量密度要求不高的情況下，鈉離子電池可以算得上是鋰電池的“平替”。所以在新能源汽車領(lǐng)域，鈉離子電池一般被應(yīng)用在微型車和小型車上。
目前已知的搭載鈉離子電池的品牌有奇瑞新能源、江鈴新能源以及江淮汽車旗下新能源汽車品牌江淮釔為。
早在 2023 年 4 月，寧德時代就對外宣布，其鈉離子電池將首發(fā)落地奇瑞車型。同時，奇端將聯(lián)合寧德時代推出電池品牌“ENER-Q”。
2023 年 12 月 28 日，江鈴集團(tuán)新能源搭載孚能科技鈉離子電池的鈉電車型正式下線。江鈴易至 EV3（青春版）251km 版本成為了全球首款交付的鈉電車型。目前已投產(chǎn)的鈉離子電池能量密度在 140-160Wh/kg之間。
2024 年 1 月 5 日，江淮釔為正式向用戶交付全球首款鈉電池量產(chǎn)車型花仙子。它采用了蜂窩電池安全結(jié)構(gòu)，整個電池包容量 23.2kWh，CLTC 續(xù)航里程達(dá)到 230km，百公里電耗水平接近 10 度電。
據(jù)悉，交付的鈉電版花仙子搭載的由中科海鈉供應(yīng)的 32140 鈉離子圓柱電芯，該款電芯單體容量 12Ah，能量密度≥140Wh/kg，采用銅基層狀氧化物＋硬碳的技術(shù)路線，具備安全性高、能量密度高、低溫性能好、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢。
針對鈉離子電池的劣勢，2024 年 2 月，東北大學(xué)謝宏偉團(tuán)隊在國際知名期刊 ACS Energy Letters 上刊發(fā)文章，表明合成出一種納米石墨片作為儲鈉負(fù)極材料，為高倍率、長循環(huán)的鈉離子電池負(fù)極開發(fā)提供了一種新的設(shè)計思路，為鈉離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的實際應(yīng)用創(chuàng)造了機會，將會更進(jìn)一步推動鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局。
03 、誰會是未來電池的主流？隨著鋰電池成本的逐年升高，其低溫狀態(tài)下的性能也越來越無法滿足行業(yè)內(nèi)的需求后。
在“天下苦鋰”的背景下，行業(yè)開始尋找更優(yōu)的電池方案，漸漸地，鈉離子電池和固態(tài)鋰電池逐漸成為了備受關(guān)注的兩大候選者。
特別是最近的兩年，業(yè)內(nèi)廠商和車企們競相布局固態(tài)鋰電池，甚至頻頻傳來產(chǎn)業(yè)化落地的消息，已經(jīng)有不少車型提前上車，讓 2024 年大有成為固態(tài)電池元年的意味。
比如，智己 L6 率先搭載了行業(yè)首個量產(chǎn)的 900V 超快充固態(tài)電池；在去年年底，蔚來在 ET7 上就搭載了 150kWh 半固態(tài)電池，實測續(xù)航超 1000 公里。不久前，蔚來汽車也宣布 150kWh 超長續(xù)航電池包正式步入量產(chǎn)階段，計劃在第二季度上線投入使用。
雖然以上兩款固態(tài)電池在隨后不久紛紛被證偽，并不是純正的固態(tài)電池，而是介于固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池的之間的半固態(tài)電池。
但“白馬也是馬”，不難看出，固態(tài)電池已經(jīng)處于量產(chǎn)爆發(fā)的前夜。
但反觀鈉電池的發(fā)展，其出現(xiàn)并非近年之事，而是早在鋰電池問世 30 多年前便已存在。然而即便是如此早早問世，鈉電池并未得到市場的廣泛認(rèn)可。
其主要原因在于能量密度遠(yuǎn)低于鋰電池，導(dǎo)致無法滿足實際應(yīng)用的需求。雖然近年來鋰鹽價格的暴漲催生了鈉電池的發(fā)展，但其能量密度仍然是其面臨的致命弱點之一。
而且鈉電池的制造成本目前仍然較高，生產(chǎn)工藝也相對復(fù)雜，這也制約了其在市場上的競爭力。
不過全新的鈉離子電池如果能量產(chǎn)，將會把新能源汽車帶到一個全新的階段，幾秒就能充滿電，還要什么自行車？
本文來自微信公眾號：超電實驗室 （ID：SuperEV-Lab），作者：王磊 劉雅杰
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