中國能源新突破!或將攻破電動汽車世界級難題,燃油車會被取代?

資訊     2021年10月19日

近年來,石油資源短缺和油價上漲問題日趨嚴重,新能源汽車趁勢迅速走進大眾視野。甚至行業內已達成共識,電動車代表著未來汽車行業的發展方向。作為電動汽車的動力來源,動力電池技術可謂是汽車行業的風向標。

最近,我國電動車電池領域的領頭羊寧德時代,突然宣布鈉離子電池技術獲得突破,性能優勢明顯,不久將投入生產。這一消息可謂是一石激起千層浪,鈉離子電池有何優勢,會不會改變現在的新能源汽車電池行業格局,甚至改變整個汽車行業的格局?

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鋰離子電池的研究和普及

在了解鈉離子之前,讓我們先來看看現在市面上電動汽車常用的鋰離子電池。

在上個世紀 70 年代,鋰離子電池和鈉離子電池還在同一起跑線上,都是科學家研究的重點方向。但是不久科學家就發現,鋰離子電池在性能上具有諸多優勢。

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1.能量密度高

能量密度是指相同重量的電池所具有的能量大小,是衡量電池續航能力的重要指標。電池的正負極材料是影響電池能量密度的關鍵因素。常用作負極的石墨電極,其容量在很早以前就達到了 350mAh/g,正極材料磷酸鐵鋰理論克容量為160mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g,而鈉離子的正極材料是普魯士白,其克容量遠低於磷酸鐵鋰。這使得鋰離子電池的能量密度遠高於鈉離子電池,這就意味著,要達到相同的續航里程,需要配備更多的鈉離子電池。

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2.可使用範圍廣

鋰離子電池由於性能優勢,可以廣泛運用到對重量要求比較敏感的領域。在手機、無人機、電動汽車等大眾領域,鋰電池絕對是不二選擇。而鈉離子電池則只能用於一些不太計較重量的大型儲電設施。

3.循環壽命長

在上個世紀80年代,鋰離子的材料研究率先取得突破,鈷酸鋰和石墨構成了電池陰陽兩極的材料組合,而鈉離子卻始終沒有找到合適的材料,這使得當時商用的鋰離子電池循環壽命能達到鈉離子電池的 10 倍左右。

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於是,鋰離子電池迅速被生產和商用,走進了千家萬戶,直到今天,鋰離子電池依然是電動汽車的首選。

在全球廣泛應用鋰電池之後,問題也接踵而至。有人計算過,如果將地球上的內燃動力都用鋰電池替換,鋰電池是不夠的,主要原因是鋰元素本身的儲量不足。也就是說,鋰電池雖然是系能源,但是由於資源不足,在可持續性上與石油等資源沒有太大區別。我國企業和科學家也認識到了這一點,於是逐步將眼光放回到鈉離子電池的研究上。通過近十年的深入研究發現,鈉離子電池雖然具有一些性能上的劣勢,但是這些劣勢都可以通過改進技術趕超鋰離子,而鈉離子本身卻具有鋰離子無可取代的優勢。

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鈉離子的優勢無可取代

資源與成本

鈉離子電池最明顯的優勢就在於資源的豐富性,這是新能源汽車在未來可以全面取代燃油汽車的前提條件。北京中科海鈉科技有限公司 CEO 唐堃表示,地球上的鋰礦總量不到 7000 萬噸,而鈉元素在整個地球的元素丰度中占 2.3%,是鋰元素的上千倍,可謂取之不盡用之不竭。

同時,中科海鈉研發團隊還設計研發出了一種新型廉價氧化物,作為鈉離子電池的正極材料。相比於鋰電池使用的稀缺資源鈷和鎳,鈉離子電池材料的成本幾乎降低了一倍。

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溫度適應性與安全性

鋰離子電池的三種類型都具有比較致命的缺陷:

錳酸鋰電池低溫性能好,在零下負20度放電能有90%以上的效率,但是高溫性能很差,溫度不能超過80℃,否則就會影響放電效率

鐵鋰電池則恰恰相反,無法適應北方冬季的低溫環境,在高溫下卻能正常運行。

三元鋰電池則是這三種電池中安全性最不穩定的一種,由於其技術尚不成熟,在電動汽車中的應用相對很少。

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而鈉離子電池已經可以做到在零下40度到80度的溫度區間裡工作,完全融合了鋰電池的優點。同時,鈉離子電池允許放電到0伏,也可以允許大電流工作,這就保證了它對高強度的電流具有一定的承受能力,比鋰電池更加安全穩定。

鈉鋰相爭還是鈉鋰共舞

從這三點來看,未來鈉離子取代鋰離子成為電動汽車的首選電池是可以預見的,不過鈉離子想要在短期內完全取代鋰離子卻不現實。因為鈉離子的劣勢主要還是,能量密度低導致的續航能力弱的問題。儘管經過十年研發,寧德時代發布的第一代鈉離子電池,能量密度能夠達到160Wh/kg,但是距離鋰電池的230~250Wh/kg仍有較大差距。

可以說,目前的鈉鋰電池各有優劣,所以科學家就提出了鈉鋰混用的電池組合方法,希望能夠通過優勢互補達成電池組的最佳效果。使得電動汽車的綜合性能更強,實際使用的體驗更舒適。

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電動汽車的飛躍還需時日

電動汽車雖然具有強大的功能,在動力和續航能力上都不遜色於燃油汽車,但是想要實現飛躍取代燃油汽車,仍然還有很長的路要走,尤其是要解決當下電動汽車車主面臨的困擾。

其中最重要也是車主呼聲最高的要數充電問題了。理論上講,如果電動汽車充電5分鐘以內,能夠實現500公里以上的續航,就可以基本取代汽油車,充電3分鐘,續航1000公里以上就可以完全取代汽油車了。

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但是,以我們目前的充電功率來看,要完全達到這樣的水平至少需要10年以上的研發。現在市面上電動汽車的電池大概為80kwh,特斯拉的超級充電樁功率也才80到120千瓦,一台電動汽車想要充滿電至少要1小時,而燃油汽車加油只需要五分鐘時間。另外,即使這麼慢的充電速度也不是所有人隨時隨地都可以用到的。電動汽車停車位和充電樁嚴重不足增加了充電的時間成本,極大地打消了許多人購買電動汽車的慾望。

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對此,有人提出可以增設換電池服務站,汽車電不夠了直接換購電池就可以了。這種方法可行嗎?表面上看這種方法高效實用,但是在實際操作中困難重重。

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首先是最重要的成本問題,據了解,現在新能源汽車廠家給服務站換電池的服務費大概是400元/輛,不知道有多少車主能夠接受換一次電池400元的價格。

其次是電池規格不同。每種車根據性能差異,在設計時油箱大小都各不相同,更別說設計出規格相同的電池了。電池種類差異決定了,電池服務站要麼捨棄一部分服務,要麼增大工作量滿足所有車主的要求同時增加成本。顯然,這兩種方法都不能有效地解決充電問題。

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由此可見,電動汽車雖然擁有廣闊的未來,但是現在還是屬於燃油汽車的時代。

9月17日,寧德時代董事長助理孟祥峰透露,公司旗下首條鈉離子電池生產線將於2022年投產,計劃2023年形成完整的產業鏈。對於鈉離子電池的姍姍來遲,還請各位電動汽車車主給予一定的寬容。畢竟電動汽車行業還在起步階段,國家和科研團隊都需要時間為它的未來尋找到一條最合適的道路。