锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

数据显示，预计到2025年，包括锂离子摩托车电池和储能在内的电动两轮、低速电动车三大场景的国内需求将达到123GWh。

目前，除了两轮车铅酸电池的份额外，磷酸铁锂电池在这三个领域基本呈现主导趋势。因为锂离子电池不仅能量密度有优势，而且安全环保。完整的钠离子电池系统是合适的选择

 

钠离子电池单元能量密度

一方面，钠离子电池单体能量密度（70~200Wh/kg）与磷酸铁锂电池的能量密度（150~210Wh/kg）重叠：

 

 

钠离子电池的成本优势

另一方面，理论成本优势溢出屏幕：以中科海纳的计算数据为例，根据相同容量的软包电池的瓦时成本，钠离子电池BOM的理论成本比锂离子电池低约30%。

 

 

安全和性能

此外，相比铁和锂在安全性和性能方面完全没有劣势。

● 相对较低的能量密度和放热焓。

● 它不容易释放氧气，也没有易燃风险。

● 瞬时电流和温度上升在短时间内相对较小。目前，钠离子电池不存在过充电、过放电、短路、针刺、挤压等引起的火灾爆炸现象。

 

受益于低温条件

1） 由于钠离子的溶剂化能较低，因此具有更好的界面离子扩散能力。

2） 普鲁士蓝等特殊阴极材料的开放式框架三维框架带来的大孔径传输通道。

3） 目前，微纳结构和碳涂层大大提高了电子导电性，放电功率相对优异。

 

然而，宁德时代的野心显然更广，不仅要提高能源密度，布局供应链，还涉及电动两轮、电动汽车和储能三大场景，还需要锂和钠相互结合，弥补地面和空气的不足，以降低温度和高功率场景

 

技术创新

化学创新

与中科海纳掺锂过渡金属的O3型Nax[Li-Cu-Fe-Mn]O2氧化物不同，宁德时代走的是钠基普鲁士蓝类似物（以下简称PBA）衍生物的路线。

两者都具有高克容量和高电压平台的优势，这意味着高能量密度。不同之处在于PBA特殊的晶体结构所带来的高动力学优势。PBA的一般化学式应写成AMa[Mb（CN）6]1-y⎕y·nH2O，其中A是碱金属元素，Ma和Mb分别是与C和N配位的过渡金属元素，\9109是缺陷空位。

非常具有观赏性的是，Ma和Mb以及-C lect N-根据Ma-C lect N-Mb构型排列成三维立方体结构，Ma和Mb分别位于面心立方体的顶点。

通过边缘上的-C lect N-连接，Na+占据了立方空隙的位置，晶体的表面和内部通常存在晶体水。

 

 

这样的面心立方开放框架框架和三维巨型通道非常有利于钠离子的快速迁移，并且在一定量的脱嵌后可以可逆地保持结构稳定性。

当然，由于制备过程的不同，钠元素的含量和结晶水的含量也不同，因此最终的晶体会发生一定程度的扭曲，形成单晶或菱形体系。

 

 

2015年，美国的几个尖端实验室与J.B.Goodenough密切合作，开发了一种名为普鲁士白的钠离子电池正极材料：Na1.92Fe[Fe（CN）6]。

这实际上是钠基普鲁士蓝的一种特殊成分。由于钠含量高达1.92，粉末呈白色，因此被称为普鲁士白。2018年，一家名为Novasis Energies的公司推出了一种基于NaxMnFe（CN）6正极的软包装钠离子电池，用Mn元素取代了Ma位置的Fe元素。对于Ma和Mb的选择，更合理的解决方案是使用Mn和Fe元素。

其中，Mn和N处于高自旋状态，Fe和C处于低自旋状态，在充放电过程中表现出多对可逆的氧化还原反应。

但这种材料也有相当致命的缺陷，这就是为什么它在很长一段时间内都无法实现商业应用的原因：

1） 晶体中过多的结晶水会占据钠离子位置，堵塞相邻钠离子的迁移通道，也会释放到电解质中，并与之发生副反应，导致电解质消耗、负极SEI膜不稳定和阻抗增加。

2） 晶体中过多的空位会阻碍电子的迁移，导致晶格畸变，破坏Ma-C lect N-Mb桥键，进而导致PBA的三维框架坍塌，从而导致电池性能下降。

 

在此背景下，宁德时代从材料和极片工艺层面进行了创新设计和改进：

 

（1） 材料等级

在发明专利CN108946765B中，宁德时代研究团队添加了一种或多种中性配体L。部分或完全取代了结晶水，从而降低甚至去除了粉末水平的结晶水含量。已经证实，吸水率可以降低60%。

 

 

为了最大限度地提高普鲁士白材料的克容量，并增加与电解质的接触表面，以降低电荷转移的内阻，通常会增加粉末颗粒的比表面积。

然而，如果比表面积过大，材料的吸附能力将显著提高，从而在充放电过程中吸水破坏了结构并丰富了副反应产物，使材料失去活性，导致电性能恶化。

在发明专利CN109728296B中，宁德时代的研究团队在普鲁士白材料的制备中引入了羧甲基纤维素钠，以调节母液的粘度和沉淀速率，并形成了具有非常合适的粒度和比表面积的颗粒，并获得了相对优化的速率和循环性能。

 

同时，为了确保材料不会因孔隙率过大而面临电解质副反应腐蚀的风险，也不会因孔隙率太小以及极片冷压过程中的断带和透光等加工问题而导致润湿性差。

宁德时代研究团队在发明专利CN109841832B中对颗粒尺寸和孔隙率进行了最合适的设计，并确保了循环稳定性。

在钠电荷的充放电过程中，碱金属阳离子被提取并插入PBA的三维结构中，必然会引起晶格常数的变化。很容易导致PBA整体骨架的循环稳定性降低和寿命衰减。

为了提高普鲁士白材料在非水电解质体系中的循环性能，宁德时代研究团队在发明专利CN109088068B中引入了一种特殊类型的电解质添加剂：阳离子的电荷/半径比小于钠离子的电荷/径比。电荷/半径比，并针对其添加含量进行了优化。

在钠离子电池的充放电过程中，阳离子会优先嵌入和脱嵌到PBA材料中。由于阳离子的电荷/半径比较小，因此在嵌入和脱嵌过程中对普鲁士蓝材料的结构损伤较小。可以稳定类普鲁士蓝材料的三维骨架结构，使钠离子电池具有良好的循环性能。

 

（2） 杆件水平

普鲁士蓝材料本身具有较差的电子传导性和较低的电导率。传统的导电剂不能降低膜的电阻，导致电性能完全崩溃。在本发明专利CN109841806B。

宁德时代研究团队引入了合适比例的一维碳纳米材料，直径为5nm至100nm，具有良好的柔韧性。在普鲁士蓝材料颗粒的表面和二次颗粒的内部形成了良好的导电网络。减少了局部“死区”的问题，大大降低了膜的电阻，使正极片具有良好的导电性。

在发明专利CN109920979A中，宁德时代研究团队甚至优化了导电聚合物和导电剂的比例，使膜电阻降低了70%，并获得了非常优异的2C倍率性能。

此外，宁德时代研究团队还改进了普鲁士白阴极浆料的搅拌和涂覆工艺，改善了阴极活性层的曲折度和远离集电体方向的粗糙度，并优化了活性材料厚度d1和集电体厚度d2的比例，以获得优异的循环性能。

 

 

为了具体改善小颗粒粉末固有的压实密度低的问题，宁德时代研究团队采用了独特的双峰混合匹配方法，一次粒径为1~5μm，二次粒径0.02~0.8μm。普鲁士白阴极片的压实密度提高到2.0g/cc，这使得体积和质量能量密度尽可能地最大化。

 

（3） 化学系统等级

在化学体系匹配方面，宁德时代研究团队优化了正负极中值粒径A/B、孔隙率P1/P2和面密度C/D比这三个关键设计指标。因此，控制了电池的第一次充电和放电中的容量损失，并且电池在高速率下具有高的充电和放电性能。结果，钠离子电池具有高的第一库仑效率和倍率性能。

宁德时代研究团队开发了一种具有独特孔隙结构的硬质碳材料，可以储存大量钠离子并快速通过。克容量可达350mAh/g，具有良好的可循环性。

 

基于高度创新的技术能力的整合，CATL开发了一种具有独特优势的钠离子电池。

●电池能量密度：160Wh/kg，为目前世界领先水平

●在室温下充电15分钟，功率可达到80%以上，具有优异的快速充电特性

●在-20°C的低温环境下，放电保持率保持在90%以上，低温功率优异。

●系统集成效率可达80%以上

•优异的热稳定性，超过国家动力电池强标准的安全要求

 

综上所述，宁德时代第一代钠离子电池产品的能量密度略低于商用磷酸铁锂电池，但其在低温性能和快速充电方面的明显优势显而易见，非常适合高寒地区的大功率应用场景。

 

结构创新

使用AB电池结构，这是宁德时代的独创，它相互补充，相互补充。1+1>2的buff加成。

将两个电池串并联集成，可以快速解决第一代钠离子电池能量密度低的问题。当然，这也非常考验BMS系统。

尽管它可以在全电池电压范围（2.5~4.2V）内匹配，但目前的普鲁士白+硬碳电化学曲线（至少两个平台电位）与任何现有的锂离子电池化学性质都有显著不同。（三元斜线，铁锂单平台），再加上钠基阴极固有的电压滞后，这势必给SOC管理带来相当大的复杂性。

然而，基于目前宁德时代高通量仿真平台强大的计算能力，以及电池开发团队的经验迭代和锂电池领域不同系统的结合，山人应该有自己的聪明想法。

 

 

AB和双剑的结合可以很好地弥补Gen1钠电池的能量密度不足。电池组的能量密度提高了25%，并发挥了高功率和低温性能的优势，可以适应更多的场景。

从宁德时代宣布的路线计划来看，第二代钠电池产品将激增至200Wh/kg。事实上，钠离子电池的工作原理与锂离子电池相同。

加工性能可以完全参考锂离子电池化学材料的物理和化学指标，两者的量产线可以完全兼容，这是对公司提高产能和质量控制能力的考验。

在中国新能源电池的标准化和质量保证方面，宁德时代已经在尽自己的一份力量。碳中和引发了对TWh级电池的需求，多样化的应用场景正在出现。