几秒钟就充满电！科学家研发全新钠电池，比加油更快
2024-04-23
最近科学家研发出一种全新电池，几秒钟就能充满，比加油还要快，嗖~的一下，就满了。全新电池一旦量产落地，意味着充电焦虑时代彻底成为过去式。这项最新的研发成果，发表在顶尖学术期刊《能量储存材料》上，韩国科技先进研究院（KAIST）材料科学与工程系 Jeung Ku Kang 教授领导的这项研究。
而且全新电池并不是三元聚合物锂电池，而是被高性能电车不看好的钠离子电池。现在新研发出的电池层出不穷，但基本都是在电池的正负极材质上“下功夫”。这次韩国科学技术院（KAIST）的研发团队也不例外，这款钠离子电池里集成了通常的电池阳极材料和适用于超级电容器的新型阴极。不过钠离子电池基本都有硬伤，比如功率输出偏低、循环寿命短，存储性能受限和充电时间较长等一系列问题。韩国科技先进研究院（KAIST）材料科学与工程系联合研发的这款钠离子电池，却解决了以往不少的弊端，既能实现大容量存储，还能快速充放电，仅需几秒就能充满电。根据Jeung Ku Kang的表述，这款钠离子电池迄今最高的能量密度为247WH/kg，对比目前市面上的量产锂电池，这样的密度数据已经相当优秀了。其快速充电功率密度高达34,748 W/kg，已经达到了电池类反应的100倍以上，并且在 5000 次充放电循环后，还具有100%库仑效率的循环稳定性。不难发现，这款钠离子电池同时实现了高能量密度和高功率密度。之所以能出现这样的效果，意味着解决了电池负极材料充电慢以及其超级电容器正极材料容量相对较低的问题。Jeung Ku Kang的团队分别在正极和负极上用了两种不同的金属有机框架，并通过优化合成了一种混合型的电池。其负极材料，是由铁基金属有机骨架（MOF）/氧化石墨烯异质结构通过石墨碳形成和硫化合成而来的，以铁基金属有机骨架/氧化石墨烯异质结为原料，通过石墨炭生成和硫化反应合成了超细硫化铁掺杂了碳/石墨烯(FS/C/G)的负极材料。然后将这种负极材料嵌入到由金属有机框架衍生出的多孔碳中。他们通过试验发现，循环超细硫化铁在化学反应中被重新定标为具有Fe空位和多价Fe/Fe状态的低结晶度导电碎片，这种极小的导电碎片，能够实现高容量/高速率的性能。同时，他们还合成了高容量的正极材料，以分子筛咪唑骨架(ZIF)为原料，通过热解辅助微孔和KOH辅助中孔形成制备了三维多孔掺杂氧碳的正极材料。这种 ZIF 衍生的多孔碳 (ZDPC) 的表面积达到了3972 m/g，这比传统ZDC的表面积多约 20 倍。更大的表面积也增加了钠离子们通过的效率，从而提升了能量速率。而这种正负极材料的搭配能够平衡并缩小能量存储速率的差异，从而创建出高性能的钠离子存储系统。而且这种新型的高容量正极材料则平衡并缩小了能量存储速率差异。2022年，钠离子电池概念开始爆火。宁德时代等头部电池厂商相继推出钠离子电池，并表示将致力于钠电池上下游的产业化。和锂离子电池一样，钠离子电池也是一种二次电池（充电电池）。它们的工作原理也很相似，主要区别在于电荷载体的不同和正极材料的不同。钠离子电池中的电极材料为钠盐。锂离子电池中的电极材料为锂盐。钠离子电池的正极材料目前主要分为普鲁士正极、层状氧化物正极和聚阴离子正极三种类型。而锂离子的正极材料主要分为锰酸锂、磷酸铁锂、钴酸锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂五种。目前钠离子电池所用的电极材料钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。另外，钠离子电池采用铁锰镍基为正极材料，相比较锂离子电池三元正极材料来说，原料成本可以降低一半。并且钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，这样可以减轻10%左右的重量，并降低8%左右的成本。除了成本更低以外，钠离子电池还具有性能更稳定，更不易耗电、更不易出现热失控等优势。尤其是在低温环境下，钠离子电池的电池容量保持率甚至还高于同等环境下的磷酸铁锂电池，可以在-40℃到 80℃的温度区间内正常工作，在-20℃的环境下容量保持率接近90%，更不易产生续航焦虑。在安全方面，钠离子电池在过充、过放、短路、针刺、挤压等测试中表现出了相当高的稳定性。它还可以实现0V运输，大大降低了其运输中发生自燃的风险。在充电补能方面效率也很高，常温下，钠离子电池只需15分钟便可将电量补充到80%。优势明显，缺点也同样很明显。比如目前磷酸铁锂电池的循环寿命已经达到了6000次，而钠离子电池的循环寿命只能达到2000-3000次，距离前者还有很大的差距。能量密度低也是钠离子电池现阶段技术突破的难点，根据已知数据，宁德时代的第一代钠离子电池的能量密度虽然已经达到了160Wh/kg，而锂离子电池阵营中的三元锂已经做到300Wh/kg了。综上所述，在对重量和能量密度要求不高的情况下，钠离子电池可以算得上是锂电池的“平替”。所以在新能源汽车领域，钠离子电池一般被应用在微型车和小型车上。目前已知的搭载钠离子电池的品牌有奇瑞新能源、江铃新能源以及江淮汽车旗下新能源汽车品牌江淮钇为。早在2023年4月，宁德时代就对外宣布，其钠离子电池将首发落地奇瑞车型。同时，奇端将联合宁德时代推出电池品牌“ENER-Q”。2023年12月28日，江铃集团新能源搭载孚能科技钠离子电池的钠电车型正式下线。江铃易至EV3（青春版）251km版本成为了全球首款交付的钠电车型。目前已投产的钠离子电池能量密度在140-160Wh/kg之间。2024年1月5日，江淮钇为正式向用户交付全球首款钠电池量产车型花仙子。它采用了蜂窝电池安全结构，整个电池包容量23.2kWh，CLTC续航里程达到230km，百公里电耗水平接近10度电。据悉，交付的钠电版花仙子搭载的由中科海钠供应的32140钠离子圆柱电芯，该款电芯单体容量12Ah，能量密度≥140Wh/kg，采用铜基层状氧化物＋硬碳的技术路线，具备安全性高、能量密度高、低温性能好、循环寿命长等优势。针对钠离子电池的劣势，2024年2月，东北大学谢宏伟团队在国际知名期刊ACS Energy Letters上刊发文章，表明合成出一种纳米石墨片作为储钠负极材料，为高倍率、长循环的钠离子电池负极开发提供了一种新的设计思路，为钠离子电池在大规模储能领域的实际应用创造了机会，将会更进一步推动钠离子电池产业化布局。随着锂电池成本的逐年升高，其低温状态下的性能也越来越无法满足行业内的需求后。在“天下苦锂”的背景下，行业开始寻找更优的电池方案，渐渐地，钠离子电池和固态锂电池逐渐成为了备受关注的两大候选者。特别是最近的两年，业内厂商和车企们竞相布局固态锂电池，甚至频频传来产业化落地的消息，已经有不少车型提前上车，让2024年大有成为固态电池元年的意味。比如，智己L6率先搭载了行业首个量产的900V超快充固态电池；在去年年底，蔚来在ET7上就搭载了150kWh半固态电池，实测续航超1000公里。不久前，蔚来汽车也宣布150kWh超长续航电池包正式步入量产阶段，计划在第二季度上线投入使用。虽然以上两款固态电池在随后不久纷纷被证伪，并不是纯正的固态电池，而是介于固态锂电池和液态锂电池的之间的半固态电池。但“白马也是马”，不难看出，固态电池已经处于量产爆发的前夜。但反观钠电池的发展，其出现并非近年之事，而是早在锂电池问世30多年前便已存在。然而即便是如此早早问世，钠电池并未得到市场的广泛认可。其主要原因在于能量密度远低于锂电池，导致无法满足实际应用的需求。虽然近年来锂盐价格的暴涨催生了钠电池的发展，但其能量密度仍然是其面临的致命弱点之一。而且钠电池的制造成本目前仍然较高，生产工艺也相对复杂，这也制约了其在市场上的竞争力。不过全新的钠离子电池如果能量产，将会把新能源汽车带到一个全新的阶段，几秒就能充满电，还要什么自行车？
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