【研究背景】现如今的钠离子电池不仅可以用于大规模储能应用，还可以用于行驶里程160-280英里之间的5座电动汽车。由此观之，钠离子电池技术将极大缓解目前锂离子电池中普遍存在的里程焦虑和原料短缺等问题。基于此，Faradion有限公司&英国谢菲尔德创新中心Ashish Rudola和Jerry Barker在Nature Energy上发表题为“Opportunities for moderate-range electric vehicles using sustainable sodium-ion batteries”的评论性文章，叙述了当前钠离子电池的技术水平及其对电动车行驶里程的影响。 【图文导读】图1碳酸锂、碳酸钠、钴和镍在过去五年的收盘价。 自1991年开始商业化以来，锂离子电池一直面临着成本、资源可用性和能量密度多因素的制衡。这种平衡随着Co价格上涨及高Ni正极材料的应用被打破，由此诞生了NCM和NCA正极材料。从钴酸锂，到低镍掺杂体系，再到高镍正极，其中的关键问题在于钴的价格及由此产生的伦理及环境问题，如图1所示，作者总结几种关键正极原材料近五年的收盘价格。随着剔除Co元素的技术接近瓶颈，低量密度的LiFePO4 (LFP)材料在未来的许多应用中愈发具有吸引力，包括5座电动汽车(eV)。然而，最近的研究表明：除非采取有效的缓解替代战略，锂元素将面临严重的供应短缺。 图2最先进的钠离子电池技术能量密度和循环寿命。 在过去十年中，随着技术的不断突破，钠离子电池的比能量逐渐提升，图2比较了一系列钠离子电池公司报道的现阶段钠电比能量及其和锂离子电池的对比差异。其中几家公司已经宣布，在电池水平上，钠离子电池的比能量与基于LFP的锂离子电池的比能量相似，这已经完全避免了Li和Co的使用。值得一提的是，Gotion等公司已经引入了合金化(Si基)负极和预锂化策略，以进一步提高LFP基电池的比能量，如前所述，类似的方法也可以应用于钠离子电池。如图2所示，几家公司生产的钠离子电池的循环寿命超过3000次，即使是基于氧化物的正极体系，也能基本接近基于LFP的锂离子电池。此外，钠离子电池具备本征的高倍率性能，这是由于所有高能量密度钠离子电池中均使用的硬碳负极，以及一般情况下钠离子的电极过程动力学更快所致，这也是钠离子电池技术能够在不到十年的时间内迅速提高其性能指标(如能量密度)的重要原因之一。 图3电池的化学性质如何影响电动汽车的行驶里程。 图3比较了一些目前可用的量产电动汽车(五座乘用车)电池组，数据汇总充分考虑了电池组的比能量(Wh/kg)和根据全球轻型汽车统一测试程序(WLTP)标准计算的电动汽车的行驶里程。可以观察到，各种基于NMC锂离子电池的电动车一次充电可以行驶约300英里，特斯拉Model 3(使用NCA化学)可以行驶约350英里。 目前，各公司的钠离子电池可以发挥150-160 Wh/kg左右的能量密度，与比亚迪LFP电池的比能量相似。图3还展示了电动汽车的预期行驶里程，采用类似的CTP工程（电池-模组整合技术），车辆总重量和尺寸相似，但采用了钠离子技术。研究表明：如果一个特别为移动应用设计的钠离子电池组能够达到80 Wh/kg，那么基于此制造的电动汽车一次充电可以提供160英里的行驶里程；如果钠离子电池组可以在近期内提升到120 Wh/kg，则可以增加到240英里。 【总结和展望】在过去的十年中，钠离子电池取得了迅猛的发展，在全领域逐步实现商业化。正如最近所强调的，在20世纪90年代末至2010年代初，由于公共和私营组织的基础化学和材料科学研究和开发的不断推进，锂离子电池的成本基本实现减半，而规模经济大约可时期降价30%。因此，由几家钠离子公司提供的钠电成本美元/千瓦时价格很可能在未来也会显著下降(伴随着能量密度和循环寿命的增强)。考虑到钠离子化学的可持续性和成本优势，在未来基于钠离子电池的电动汽车在中等里程的应用中也很有优势。 【原文链接】Ashish Rudola, Ruth Sayers, Christopher J. Wright & Jerry Barker. Opportunities for moderate-range electric vehicles using sustainable sodium-ion batteries. Nature Energy (2023).