數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)到2025年，包括鋰離子摩托車電池和儲能在內(nèi)的電動兩輪、低速電動車三大場景的國內(nèi)需求將達(dá)到123GWh。

目前，除了兩輪車鉛酸電池的份額外，磷酸鐵鋰電池在這三個領(lǐng)域基本呈現(xiàn)主導(dǎo)趨勢。因?yàn)殇囯x子電池不僅能量密度有優(yōu)勢，而且安全環(huán)保。完整的鈉離子電池系統(tǒng)是合適的選擇

 

鈉離子電池單元能量密度

一方面，鈉離子電池單體能量密度（70~200Wh/kg）與磷酸鐵鋰電池的能量密度（150~210Wh/kg）重疊：

 

 

鈉離子電池的成本優(yōu)勢

另一方面，理論成本優(yōu)勢溢出屏幕：以中科海納的計(jì)算數(shù)據(jù)為例，根據(jù)相同容量的軟包電池的瓦時成本，鈉離子電池BOM的理論成本比鋰離子電池低約30%。

 

 

安全和性能

此外，相比鐵和鋰在安全性和性能方面完全沒有劣勢。

● 相對較低的能量密度和放熱焓。

● 它不容易釋放氧氣，也沒有易燃風(fēng)險。

● 瞬時電流和溫度上升在短時間內(nèi)相對較小。目前，鈉離子電池不存在過充電、過放電、短路、針刺、擠壓等引起的火災(zāi)爆炸現(xiàn)象。

 

受益于低溫條件

1） 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。

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

3） 目前，微納結(jié)構(gòu)和碳涂層大大提高了電子導(dǎo)電性，放電功率相對優(yōu)異。

 

然而，寧德時代的野心顯然更廣，不僅要提高能源密度，布局供應(yīng)鏈，還涉及電動兩輪、電動汽車和儲能三大場景，還需要鋰和鈉相互結(jié)合，彌補(bǔ)地面和空氣的不足，以降低溫度和高功率場景

 

技術(shù)創(chuàng)新

化學(xué)創(chuàng)新

與中科海納摻鋰過渡金屬的O3型Nax[Li-Cu-Fe-Mn]O2氧化物不同，寧德時代走的是鈉基普魯士藍(lán)類似物（以下簡稱PBA）衍生物的路線。

兩者都具有高克容量和高電壓平臺的優(yōu)勢，這意味著高能量密度。不同之處在于PBA特殊的晶體結(jié)構(gòu)所帶來的高動力學(xué)優(yōu)勢。PBA的一般化學(xué)式應(yīng)寫成AMa[Mb（CN）6]1-y?y·nH2O，其中A是堿金屬元素，Ma和Mb分別是與C和N配位的過渡金屬元素，\9109是缺陷空位。

非常具有觀賞性的是，Ma和Mb以及-C lect N-根據(jù)Ma-C lect N-Mb構(gòu)型排列成三維立方體結(jié)構(gòu)，Ma和Mb分別位于面心立方體的頂點(diǎn)。

通過邊緣上的-C lect N-連接，Na+占據(jù)了立方空隙的位置，晶體的表面和內(nèi)部通常存在晶體水。

 

 

這樣的面心立方開放框架框架和三維巨型通道非常有利于鈉離子的快速遷移，并且在一定量的脫嵌后可以可逆地保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

當(dāng)然，由于制備過程的不同，鈉元素的含量和結(jié)晶水的含量也不同，因此最終的晶體會發(fā)生一定程度的扭曲，形成單晶或菱形體系。

 

 

2015年，美國的幾個尖端實(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[Fe（CN）6]。

這實(shí)際上是鈉基普魯士藍(lán)的一種特殊成分。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）6正極的軟包裝鈉離子電池，用Mn元素取代了Ma位置的Fe元素。對于Ma和Mb的選擇，更合理的解決方案是使用Mn和Fe元素。

其中，Mn和N處于高自旋狀態(tài)，F(xiàn)e和C處于低自旋狀態(tài)，在充放電過程中表現(xiàn)出多對可逆的氧化還原反應(yīng)。

但這種材料也有相當(dāng)致命的缺陷，這就是為什么它在很長一段時間內(nèi)都無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用的原因：

1） 晶體中過多的結(jié)晶水會占據(jù)鈉離子位置，堵塞相鄰鈉離子的遷移通道，也會釋放到電解質(zhì)中，并與之發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電解質(zhì)消耗、負(fù)極SEI膜不穩(wěn)定和阻抗增加。

2） 晶體中過多的空位會阻礙電子的遷移，導(dǎo)致晶格畸變，破壞Ma-C lect N-Mb橋鍵，進(jìn)而導(dǎo)致PBA的三維框架坍塌，從而導(dǎo)致電池性能下降。

 

在此背景下，寧德時代從材料和極片工藝層面進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)和改進(jìn)：

 

（1） 材料等級

在發(fā)明專利CN108946765B中，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)添加了一種或多種中性配體L。部分或完全取代了結(jié)晶水，從而降低甚至去除了粉末水平的結(jié)晶水含量。已經(jīng)證實(shí)，吸水率可以降低60%。

 

 

為了最大限度地提高普魯士白材料的克容量，并增加與電解質(zhì)的接觸表面，以降低電荷轉(zhuǎn)移的內(nèi)阻，通常會增加粉末顆粒的比表面積。

然而，如果比表面積過大，材料的吸附能力將顯著提高，從而在充放電過程中吸水破壞了結(jié)構(gòu)并豐富了副反應(yīng)產(chǎn)物，使材料失去活性，導(dǎo)致電性能惡化。

在發(fā)明專利CN109728296B中，寧德時代的研究團(tuán)隊(duì)在普魯士白材料的制備中引入了羧甲基纖維素鈉，以調(diào)節(jié)母液的粘度和沉淀速率，并形成了具有非常合適的粒度和比表面積的顆粒，并獲得了相對優(yōu)化的速率和循環(huán)性能。

 

同時，為了確保材料不會因孔隙率過大而面臨電解質(zhì)副反應(yīng)腐蝕的風(fēng)險，也不會因孔隙率太小以及極片冷壓過程中的斷帶和透光等加工問題而導(dǎo)致潤濕性差。

寧德時代研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)明專利CN109841832B中對顆粒尺寸和孔隙率進(jìn)行了最合適的設(shè)計(jì)，并確保了循環(huán)穩(wěn)定性。

在鈉電荷的充放電過程中，堿金屬陽離子被提取并插入PBA的三維結(jié)構(gòu)中，必然會引起晶格常數(shù)的變化。很容易導(dǎo)致PBA整體骨架的循環(huán)穩(wěn)定性降低和壽命衰減。

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，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)明專利CN109088068B中引入了一種特殊類型的電解質(zhì)添加劑：陽離子的電荷/半徑比小于鈉離子的電荷/徑比。電荷/半徑比，并針對其添加含量進(jìn)行了優(yōu)化。

在鈉離子電池的充放電過程中，陽離子會優(yōu)先嵌入和脫嵌到PBA材料中。由于陽離子的電荷/半徑比較小，因此在嵌入和脫嵌過程中對普魯士藍(lán)材料的結(jié)構(gòu)損傷較小。可以穩(wěn)定類普魯士藍(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。

 

（2） 桿件水平

普魯士藍(lán)材料本身具有較差的電子傳導(dǎo)性和較低的電導(dǎo)率。傳統(tǒng)的導(dǎo)電劑不能降低膜的電阻，導(dǎo)致電性能完全崩潰。在本發(fā)明專利CN109841806B。

寧德時代研究團(tuán)隊(duì)引入了合適比例的一維碳納米材料，直徑為5nm至100nm，具有良好的柔韌性。在普魯士藍(lán)材料顆粒的表面和二次顆粒的內(nèi)部形成了良好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。減少了局部“死區(qū)”的問題，大大降低了膜的電阻，使正極片具有良好的導(dǎo)電性。

在發(fā)明專利CN109920979A中，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)甚至優(yōu)化了導(dǎo)電聚合物和導(dǎo)電劑的比例，使膜電阻降低了70%，并獲得了非常優(yōu)異的2C倍率性能。

此外，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)還改進(jìn)了普魯士白陰極漿料的攪拌和涂覆工藝，改善了陰極活性層的曲折度和遠(yuǎn)離集電體方向的粗糙度，并優(yōu)化了活性材料厚度d1和集電體厚度d2的比例，以獲得優(yōu)異的循環(huán)性能。

 

 

為了具體改善小顆粒粉末固有的壓實(shí)密度低的問題，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)采用了獨(dú)特的雙峰混合匹配方法，一次粒徑為1~5μm，二次粒徑0.02~0.8μm。普魯士白陰極片的壓實(shí)密度提高到2.0g/cc，這使得體積和質(zhì)量能量密度盡可能地最大化。

 

（3） 化學(xué)系統(tǒng)等級

在化學(xué)體系匹配方面，寧德時代研究團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了正負(fù)極中值粒徑A/B、孔隙率P1/P2和面密度C/D比這三個關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)。因此，控制了電池的第一次充電和放電中的容量損失，并且電池在高速率下具有高的充電和放電性能。結(jié)果，鈉離子電池具有高的第一庫侖效率和倍率性能。

寧德時代研究團(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，可以儲存大量鈉離子并快速通過?？巳萘靠蛇_(dá)350mAh/g，具有良好的可循環(huán)性。

 

基于高度創(chuàng)新的技術(shù)能力的整合，CATL開發(fā)了一種具有獨(dú)特優(yōu)勢的鈉離子電池。

●電池能量密度：160Wh/kg，為目前世界領(lǐng)先水平

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

●在-20°C的低溫環(huán)境下，放電保持率保持在90%以上，低溫功率優(yōu)異。

●系統(tǒng)集成效率可達(dá)80%以上

?優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，超過國家動力電池強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)的安全要求

 

綜上所述，寧德時代第一代鈉離子電池產(chǎn)品的能量密度略低于商用磷酸鐵鋰電池，但其在低溫性能和快速充電方面的明顯優(yōu)勢顯而易見，非常適合高寒地區(qū)的大功率應(yīng)用場景。

 

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

使用AB電池結(jié)構(gòu)，這是寧德時代的獨(dú)創(chuàng)，它相互補(bǔ)充，相互補(bǔ)充。1+1>2的buff加成。

將兩個電池串并聯(lián)集成，可以快速解決第一代鈉離子電池能量密度低的問題。當(dāng)然，這也非?？简?yàn)BMS系統(tǒng)。

盡管它可以在全電池電壓范圍（2.5~4.2V）內(nèi)匹配，但目前的普魯士白+硬碳電化學(xué)曲線（至少兩個平臺電位）與任何現(xiàn)有的鋰離子電池化學(xué)性質(zhì)都有顯著不同。（三元斜線，鐵鋰單平臺），再加上鈉基陰極固有的電壓滯后，這勢必給SOC管理帶來相當(dāng)大的復(fù)雜性。

然而，基于目前寧德時代高通量仿真平臺強(qiáng)大的計(jì)算能力，以及電池開發(fā)團(tuán)隊(duì)的經(jīng)驗(yàn)迭代和鋰電池領(lǐng)域不同系統(tǒng)的結(jié)合，山人應(yīng)該有自己的聰明想法。

 

 

AB和雙劍的結(jié)合可以很好地彌補(bǔ)Gen1鈉電池的能量密度不足。電池組的能量密度提高了25%，并發(fā)揮了高功率和低溫性能的優(yōu)勢，可以適應(yīng)更多的場景。

從寧德時代宣布的路線計(jì)劃來看，第二代鈉電池產(chǎn)品將激增至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)，兩者的量產(chǎn)線可以完全兼容，這是對公司提高產(chǎn)能和質(zhì)量控制能力的考驗(yàn)。

在中國新能源電池的標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量保證方面，寧德時代已經(jīng)在盡自己的一份力量。碳中和引發(fā)了對TWh級電池的需求，多樣化的應(yīng)用場景正在出現(xiàn)。