CATL鈉離子電池是一種以鈉離子為電荷載體的電池。它是一種二次電池，與目前最好的可充電電池鋰離子電池相同。它們都是可逆的，通過電極之間負(fù)載的金屬離子嵌入和去除，以轉(zhuǎn)換化學(xué)能和電能。鈉和鋰的化學(xué)性質(zhì)相似，可以重復(fù)使用鋰離子電池的一些生產(chǎn)技術(shù)和系統(tǒng)。CATL鈉離子電池不僅用于提高能量密度和布局供應(yīng)鏈，還用于電動(dòng)兩輪車、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能三個(gè)場(chǎng)景，以及低溫高功率場(chǎng)景。本文將主要討論CATL鈉離子電池的化學(xué)創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

 

CATL鈉離子電池與鋰離子電池產(chǎn)能兼容

鈉和鋰在元素周期表上與堿金屬基團(tuán)相鄰，原子最外層只有一個(gè)電子，它們的化學(xué)性質(zhì)非常相似。以離子為載體的電池也具有類似的原理和結(jié)構(gòu)。大多數(shù)鋰離子電池的生產(chǎn)系統(tǒng)可以在CATL鈉離子電池上重復(fù)使用，并且生產(chǎn)能力可以部分兼容。

CATL鈉離子電池單體的能量密度與磷酸鐵鋰電池的能量密度重疊：

 

 

catl鈉離子電池的理論成本優(yōu)勢(shì)十分突出。根據(jù)相同容量軟包電池的瓦時(shí)成本換算，鈉離子電池BOM的理論成本比鋰離子電池低約30%。

 

 

CATL鈉離子電池的安全性和性能不亞于鋰鐵，這得益于：

● 相對(duì)較低的能量密度和放熱焓

● 它不容易釋放氧氣，也沒有易燃的風(fēng)險(xiǎn)

● 短時(shí)相對(duì)較小的瞬時(shí)電流和溫升

 

目前，CATL鈉離子電池未發(fā)生過充、過放、短路、針刺、擠壓等火災(zāi)爆炸事故。在低溫下，這要?dú)w功于：

● 由于鈉離子的溶劑化能較低，因此具有更好的界面離子擴(kuò)散能力

● 普魯士藍(lán)等特殊正極材料的開放式框架三維框架帶來的大孔徑傳輸通道

● 目前，微納結(jié)構(gòu)和碳涂層大大提高了電子導(dǎo)電性和放電功率。

 

CATL鈉離子電池遵循PBA衍生路線

與HiNa電池的Li摻雜過渡金屬O3型Nax氧化物不同，CATL鈉離子電池遵循PBA衍生物路線。兩者都具有高克容量和高電壓平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，即高能量密度。不同之處在于PBA由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)而具有高動(dòng)態(tài)優(yōu)勢(shì)。

面心立方體的開放式框架結(jié)構(gòu)和三維巨大通道非常有利于鈉離子的快速遷移，經(jīng)過一定量的脫墨后可以可逆地保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當(dāng)然，由于制備工藝的不同，鈉含量和晶體含水量也不同，因此最終的晶體會(huì)發(fā)生畸變，形成單晶或菱面體體系。

2015年，美國的幾個(gè)尖端實(shí)驗(yàn)室與J.B.Goodenough密切合作，開發(fā)了一種名為普魯士白的鈉離子電池正極材料：Na1.92Fe，它實(shí)際上是普魯士藍(lán)鈉的特定成分。由于鈉含量高達(dá)1.92，粉末呈白色，因此被稱為普魯士白。

 

 

2018年，一家名為Novasis Energies的公司推出了一種基于NaxMnFe（CN，在充放電過程中有許多對(duì)可逆的氧化還原反應(yīng)）的軟包裝鈉離子電池。然而，這種材料也存在相當(dāng)致命的缺陷，這也是它長(zhǎng)期未被商業(yè)化使用的原因：

首先，晶體中過多的結(jié)晶水會(huì)占據(jù)鈉離子位點(diǎn)，堵塞相鄰鈉離子的遷移通道，也會(huì)自由進(jìn)入電解質(zhì)，并與其發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)消耗、負(fù)極SEI膜不穩(wěn)定、阻抗增加。

第二，晶體中過多的空位不僅會(huì)阻礙電子的遷移，還會(huì)導(dǎo)致晶格畸變，破壞Ma C｜N Mb橋鍵，從而導(dǎo)致PBA的三維骨架結(jié)構(gòu)坍塌，電池性能下降。

 

CATL鈉離子電池經(jīng)過設(shè)計(jì)和改進(jìn)

CATL鈉離子電池從材料和電極工藝層面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)。

 

材料等級(jí)

在合成普魯士白材料的過程中，CATL研究團(tuán)隊(duì)利用交換反應(yīng)加入一種或多種中性配體L，部分或完全取代結(jié)晶水，從而降低甚至去除了粉末級(jí)結(jié)晶水的含量，經(jīng)驗(yàn)證其吸水率可降低60%。

CATL鈉離子電池研究團(tuán)隊(duì)在普魯士白料的制備中引入羧甲基纖維素鈉，調(diào)節(jié)母液的粘度和沉淀速率，形成了粒徑和比表面積合適的顆粒，獲得了相對(duì)優(yōu)化的放大倍率和循環(huán)性能。同時(shí)，CATL鈉離子電池對(duì)顆粒尺寸和孔隙率進(jìn)行了最合適的設(shè)計(jì)，并保證了循環(huán)穩(wěn)定性。

 

 

為了提高普魯士白材料在非水電解質(zhì)體系中的循環(huán)性能，CATL鈉離子電池引入了一種特殊的電解質(zhì)添加劑：陽離子的電荷/半徑比小于鈉離子，并對(duì)添加劑的含量進(jìn)行了優(yōu)化。

在鈉離子電池的充電和放電過程中，陽離子將優(yōu)先嵌入PBA材料并從PBA材料中分離，因?yàn)殛栯x子具有較小的充電/半徑比。因此，它在插拔過程中對(duì)普魯士藍(lán)材料結(jié)構(gòu)的破壞較小，可以穩(wěn)定普魯士藍(lán)材料的三維骨架結(jié)構(gòu)，使鈉離子電池具有良好的循環(huán)性能。

 

極性切片級(jí)別

CATL鈉離子電池以適當(dāng)?shù)谋壤肓酥睆綖?nm～100nm且具有良好柔韌性的一維碳納米材料，大大降低了膜的電阻，使正極板具有良好的導(dǎo)電性。

CATL鈉離子電池優(yōu)化了導(dǎo)電聚合物與導(dǎo)電劑的配比，使膜電阻降低了70%，獲得了非常優(yōu)異的2C倍率性能。此外，改進(jìn)了普魯士白陰極漿料的混合和涂布工藝，優(yōu)化了活性材料厚度d1與集流體厚度d2的比例，獲得了優(yōu)異的CATL鈉離子電池循環(huán)性能。為了解決小顆粒粉末固有的壓實(shí)密度低的問題，CATL鈉離子電池采用獨(dú)特的雙峰混合匹配方法，將普魯士白正極的壓實(shí)密度提高到2.0g/cc，大大提高了體積和質(zhì)量能量密度。

 

化學(xué)系統(tǒng)級(jí)別

在化學(xué)系統(tǒng)匹配方面，CATL鈉離子電池控制了電池首次充放電時(shí)的容量損失，并在高倍率下實(shí)現(xiàn)了更高的充放電性能，使鈉離子電池具有更高的首次庫侖效率和倍率性能。

 

 

CATL鈉離子電池研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)碳材料，可以使大量鈉離子快速儲(chǔ)存和通過。每克容量可達(dá)350mAh/g，同時(shí)具有良好的可回收性。整體性能指標(biāo)與石墨相當(dāng)。

 

CATL鈉離子電池的優(yōu)點(diǎn)

CATL在整合高度創(chuàng)新的技術(shù)能力的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的鈉離子電池：

● 單電池能量密度：160Wh/kg，當(dāng)前全球水頭水平；

● 在室溫下充電15分鐘，功率可達(dá)80%以上，具有優(yōu)異的快速充電特性；

● 在–20℃的低溫環(huán)境中，保持90%以上的放電保持率和優(yōu)異的低溫功率；

● 系統(tǒng)集成效率可達(dá)80%以上；

● 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并超過中國強(qiáng)動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)的安全要求。

因此，CATL鈉離子電池的能量密度略低于鋰離子電池制造商開發(fā)的商用lifepo4電池，但其在低溫性能和快速充電方面的明顯優(yōu)勢(shì)非常適合高冷地區(qū)的大功率應(yīng)用場(chǎng)景。

 

CATL鈉離子電池采用AB電池結(jié)構(gòu)

采用AB電池結(jié)構(gòu)，是CATL鈉離子電池的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。串聯(lián)和并聯(lián)兩種電池的集成可以快速解決第一代鈉離子電池能量密度低的問題，這也對(duì)BMS系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

 

 

雖然可以在整個(gè)電池電壓范圍內(nèi)匹配，但目前的普魯士白+硬碳電化學(xué)曲線與任何現(xiàn)有的鋰離子電池化學(xué)體系都有明顯的不同。此外，鈉基正極固有的電壓滯后給SOC管理帶來了相當(dāng)大的復(fù)雜性。AB的雙劍組合可以彌補(bǔ)Gen1鈉電池的能量密度不足。其電池組的能量密度提高了25%，發(fā)揮了其高功率和低溫性能的優(yōu)勢(shì)，可以適應(yīng)更多的場(chǎng)景。

根據(jù)CATL發(fā)布的路線規(guī)劃，Gen2鈉電產(chǎn)品將突破200Wh/kg。事實(shí)上，鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相同。加工性能可以完全參考鋰離子電池化學(xué)材料的物理和化學(xué)指標(biāo)，其量產(chǎn)線可以完全兼容。碳中和催生了對(duì)TWh級(jí)電池的需求，多元化的應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)。CATL鈉離子電池的產(chǎn)生將與鋰電池共同保障行業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。