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钠离子电池在电网储能领域的应用前景展望

日期:2021-03-24    来源:山东大学材料科学与工程学院、电动学堂  作者:叶佳佳等

能源财经

2021
03/24
14:42
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关键词: 钠离子电池 储能领域 锂离子电池 钠离子电池

引言

现有二次电池技术以锂离子电池和铅酸电池为主导。尽管锂离子电池在电动汽车和便携式电子设备等传统市场上表现出色,但由于其存在成本高、安全性低和使用寿命不足的问题,锂离子电池在大规模电网存储中的部署仍然面临阻力。因此,发展低成本、高性能以及安全性好的替代方案是电网储能的迫切需要。

为了进一步降低储能电池组的成本,减少或消除锂、钴和镍等昂贵元素的使用成为二次电池技术的发展趋势。钠离子电池具有钠元素丰富、低成本和环境友好的优点,可以实现与传统锂离子电池相近的体积能量密度,使其在未来的电网储能市场具有相当的竞争力。未来,商业化的钠离子电池有希望成为锂离子电池在电网储能应用中的替代产品。

针对上述问题,分析了钠离子电池研究现状,对目前钠离子电池用于电网储能面临的障碍进行了重点讨论,为未来钠离子电池研究提供思路。

1、钠离子电池简介

钠离子电池的结构及工作原理如图1所示。钠离子在电解液中可以在正极与负极之间可逆地迁移,正极和负极均由允许钠离子可逆地插入和脱出的插入型材料构成。因此,钠离子电池同锂离子电池一样被称作“摇椅式电池”。由于钠与铝无法形成合金,铝箔可以代替铜箔作为钠离子电池阳极的集流体。这将有助于进一步降低电池成本,提高能量密度。

钠离子电池还具有电化学反应过程中反应动力学较快的优势。特定的材料结构在锂离子或钠离子插入和脱出过程中会产生完全不同的相互作用。由于钠离子的半径比锂离子的半径大,可对正负极材料的配位数、晶格常数、晶体结构等产生较大影响。此外,钠离子电池在电极与电解质界面上进行的电荷转移、脱溶/溶剂化等电化学过程也会发生改变。据计算,钠离子在各种有机溶剂中的脱溶性比锂离子低30%左右。因此,钠离子可以提高电极的反应动力学速率,表现出较小的电荷转移阻抗。

2、钠离子应用于电网储能的优势

2.1原材料成本

锂离子电池和钠离子电池的电极原材料可以分别由碳酸锂(Li2CO3)和碳酸钠(Na2CO3)的前驱体合成。因此,原材料的价格波动会对电池成本产生较大影响。Li2CO3和Na2CO3在过去15年的价格走势如图2所示。图2中数据清楚表明,Na2CO3的价格比Li2CO3低约两个数量级。2019年,Li2CO3的价格为6500$/t而Na2CO3的价格仅为75$/t。此外,两种材料的价格趋势也有所不同。2010年以来,Li2CO3的价格从2590$/t涨至6500$/t,涨幅为151%。同时期Na2CO3的价格仅从64$/t上涨到75$/t,涨幅为17%。Li2CO3较高的价格水平在很大程度上与锂矿资源的地理位置有限有关。

近年来锂离子电池需求的增长导致了价格的明显上涨。相比之下,钠元素在地球上分布广泛。成熟的碱开采行业技术使得Na2CO3的价格在未来可保持相对稳定。在电网储能市场中,成本和产品价格的稳定性对于供应商和客户至关重要。从盈利和效用长期预测的角度上讲,相比于锂离子电池,钠离子电池是电网储能更好的选择。

2.2矿产储量

除了价格因素以外,锂和钠的矿物来源对于锂离子电池和钠离子电池在电网储能中的未来应用也具有一定的影响。智利(860万t)和澳大利亚(280万t)是锂矿储量最大的国家,也是锂矿最大的出口国。紧随其后的是阿根廷和中国。过去的一个世纪证明了化石燃料等关键自然资源在世界各地的政治影响力,充分体现了能源安全对发展中经济体的重要性。

因此,锂和其他重要的能源资源将在未来的经济和地缘政治中扮演同等或更为重要的角色。钠是地球上储量最丰富的元素之一,丰富的钠资源可以保证稳定的生产供应,满快速增长的能源存储需求。

2.3、电芯成本

在电池的实际应用中,我们不仅追求高性能的二次电池技术,更关注电池组在一定能量密度下的成本。因为二次电池的成本直接关系到该储能技术能否可以大规模应用。对于同样容量的单体电池来说,电池成本差异主要在于电芯的原材料和用量的不同。

因此,需要对制造电池电芯的原材料成本进行比较。以110Ah磷酸铁锂电芯为例进行成本计算(见图3),其电芯能量密度为165Wh/kg,而成本为0.54元/Wh。此类电极材料体系能量密度的实现效率约47%。而相比之下,以硬碳为负极的钠离子电池(以120Wh/kg为基础)的成本为0.55元/Wh。

由此可以看出,由于钠离子电池能量密度较低,使得其辅材和制造成本可占到总成本的75%。因此,发展高能量密度和低价格辅材的钠离子电池体系是进一步降低其成本的必然途径。

3、钠离子应用于电网储能的挑战

尽管拥有较大的发展前景,要将钠离子电池应用于电网储能仍需要克服一些障碍,其中包括电解质的稳定性、电极和电解质界面的稳定性、安全问题以及废弃电池的可回收性等几个问题。

3.1、电极成本

尽管有机液体电解质常用于商业化的锂离子电池中,但其针对钠离子电池的配方以及优化的溶剂、盐和添加剂的选择仍有很大的改进空间。

由于钠离子电池在电网储能中的应用要求电池在不同的气候和使用间歇条件下都必须表现出稳定的电化学性能良好,因此,钠离子电池所使用的液体电解质须适应较宽的工作温度范围。与便携式设备中使用的锂离子电池相比,钠离子电池在应用于电网储能时需要考虑液体电解质泄漏和分解产气逸出的可能性。

因此,研究并发展具有较长使用寿命的新型电解质体系至关重要。

3.2、界面稳定性

设计和优化电解质与负极/正极之间的稳定界面对于钠离子电池在电网储能中的性能发挥至关重要。界面的退化和固液界面膜的持续生长会导致电池阻抗随使用时间的延长而增加,影响钠离子电池的倍率能力。

此外,持续的界面反应会导致库伦效率的降低,从而严重限制电池的循环使用寿命。目前,解决该问题的有效方法包括开发对负极和正极具有较高热力学稳定性的电解质配方以及通过在正负极上引入高度稳定的涂层来控制电解质的降解动力学。

3.3、安全问题

在便携式设备中,电池的安全隐患可给用户带来较大不便和潜在的危险。在电网规模上,电池的安全隐患将会造成更为严重的生命损伤和高昂的财产损失,电池起火和爆炸的安全事故将更具灾难性。

因此,在电网格储能的设计中更应格外关注电池系统的安全性。一些关于钠离子电池的报告表明,由于其电极材料具有优异的热稳定性,其比传统的锂离子电池更为安全。尽管如此,在人口密集的城市电网附近部署大规模的电池系统仍需要完全消除火灾和爆炸的风险。

为了实现这一目标,钠离子电池可通过采用不可燃的固态电解质来替代可燃的有机液体电解质,从而形成钠离子固态电池。这种固态电池具有更高的稳定性并且可以在很宽的温度范围内运行,从而大大提高电池组的可靠性和安全性。

3.4、环境影响

由于面临着迅速增长的废弃电池处理问题,当今的锂离子电池产业迫切需要发展新的循环利用方法,从而能够以有限的废物产生和较低的报废成本实现材料的循环利用。

但是,任何有效的可持续策略都需要供应商的共同合作和相关的政策制定者的监管。与锂离子电池相比,钠离子电池在材料化学属性方面具有较大的差异。由于具有更长的预期使用寿命,钠离子电池作为电网储能电池具有较大的优势。尽管如此,对钠离子电池的报废和环境影响进行前瞻性部署是十分必要的。借鉴锂离子电池的处置经验,对钠离子电池各组件的化学成分和元素组成进行分类标记将是行之有效的方法。

4、结语

钠离子电池作为锂离子电池的替代品,其研究发展显示出在电网储能应用中的巨大潜能。通过能量密度、成本和寿命等的评估与钠元素储量和电化学性能分析可知,钠离子电池有望成为锂离子电池在电网储能应用中的替代产品。分析钠离子电池在电网储能应用中推广的主要障碍包括电解质和电极-电解质界面稳定性、安全性以及废旧电池的环境影响。未来钠离子电池在电网储能中的应用需要将研究工作从基础研究转移到应用研究,使钠离子电池产业进一步得到行业投资的支持,以协调一致地推动实际电池及电池组的生产和迭代。 

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