美国固态钠电池研发获新突破

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12月19日，美国马里兰大学宣布，该校能源创新研究所教授Eric Wachsman领导的团队开发出一种性能优于当前钠离子电池的新型固态钠离子电池架构。


它使用了更稳定的陶瓷固态电解质，相较于液体电解质，这种电解质不易燃，安全性更强。其采用了钠金属作为负极，使得电池能够获得更高的能量密度。


钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。相较于锂离子电池，钠离子电池具有资源储备量丰富、成本低等优势，但在能量密度方面落后于锂离子电池。


钠离子电池与锂离子电池多采用液态电解质，容易出现漏液、燃烧等问题，而使用固态电解质取代易燃的有机液态电解液，可有效提高电池的安全性，这类电池也被称为固态电池。固态电解质的开发是此项技术的主要难点。


马里兰大学称，上述固态钠离子电池特殊的负极和电解质材料使得其负极界面的电阻有效降低至3.5 Ωcm2，有利于钠离子的快速传输。


该电池每平方厘米的表面上能够创纪录地通过40 mA的电流，满足高速充放电的需求。同时，它还能够在每平方厘米的表面上储存和释放10.8 AH的电荷，能够满足电池长时工作的需求。


为验证该新型固态钠离子电池架构的性能，马里兰大学的研究人员将软包电池外壳、磷酸钒钠正极与钠金属负极和陶瓷固态电解质组装在一起，在室温下实现了2C速率循环，这意味着电池能够在半小时内充满或放完电。


固态电池和钠离子电池都被视作下一代电池技术，两者的组合此前也已进入国内电池研发人员的视野。


2020年，中科院大连化学物理研究所公布了一款具有高能量密度、长寿命等特点的全固态钠离子电池，由二维材料与能源器件研究组研究员吴忠帅团队等人共同研制。


该款软包钠离子电池在平铺和弯折状态下循环535次后，仍可保持355 Wh/kg的能量密度。软包是电池的三种封装方式之一，其他封装方式还包括方形和圆柱。


今年9月，中国科学院物理研究所(北京凝聚态物理国家研究中心)胡勇胜团队发现了一类新型粘弹性无机玻璃固体电解质，克服了有机聚合物固态电池界面化学稳定性较差、无法与高电压正极兼容等问题，使得固态钠离子电池能够耐受高压，并保持良好的循环率。


10月，中国科学院青岛能源所发文称，崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心成功研制出了固态钠离子电池，其电芯能量密度超140 Wh/kg，已实现在二轮电动车的示范应用。该团队未来还将重点针对低速电动车、新能源汽车48 V电源系统、家庭储能等领域继续开展研发工作。


国内的固态钠离子电池研发成果大多公布了能量密度等关键参数，但界面资讯未能查询到马里兰大学所发布成果的同类数据，因此无法直接对比产品的性能高低。


截至目前，固态钠离子电池在产业化层面并未大范围铺开。仅有广州昊威新能源科技有限企业(下称昊威新能源)公布了这项技术的量产投资计划。


今年9月，该企业宣布将在重庆投资100亿元，建设固态方形钠离子电池生产线项目，年产能30 GWh。昊威新能源注册成立于2021年，何怀福持有该企业全部股权。


比克电池则在今年7月透露，正在探索钠离子电池性能改善的新路径，即“半固态+钠电”的组合，目前已开启中试样品阶段。半固态电池是液态电池和全固态电池的折中方案，其电解质形态介于液态和固态之间。


宁德时代(300750.SZ)、比亚迪(002594.SZ)等电池龙头并未公布在固态钠离子电池技术路线方面的研发成果。


宁德时代于2021年7月发布了第一代钠离子电池，该产品其采用了液态电解质，能量密度为160 Wh/kg，接近磷酸铁锂电池。后者是目前主流的锂电池技术。


高工产研GGII曾分析称，“现阶段，(半)固态钠离子电池仍处于开发初期，随着专利技术储备增加与突破，(半)固态钠离子电池有望在2026-2027年实现规模量产。”