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宁德时代下一代钠离子电池已有破局之道?将采用无负极技术?

2022-01-13 13:11
锦缎
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宁德时代下一代钠离子电池已有破局之道?

遵循这个线索,我们开始去从前瞻性技术研发中寻找未来可能的答案,翻遍行业龙头公司已公开的专利内容后,宁德时代2021年获批的一个名为“钠金属电池、电化学装置”的专利进入了我们的视线,尤其是其中提到的“无负极金属电池”,属实是初次遇见。正是这样,无负极金属电池技术引起了我们的高度重视。

“无负极”和“金属”这两个关键词,都带有颠覆性的隐喻,而且所针对的材料是市场以前极少关注的。从字面来看,不仅仅是此前我们关注的钠离子电池,可能这是针对材料和工艺的一次重大创新。

我们决定一探究竟。

图2:宁德时代发明专利“钠金属电池、电化学装置”,资料来源:宁德时代专利说明书

【1】正极主导的电池创新,但革新负极更具紧迫性和颠覆性

能量密度提升是电池的第一性原理。在电池的四大材料——正极、负极、隔膜、电解液——中,过去十年,能量密度的进步主要是正极材料的优化和制造水平的提升贡献的。

以大家耳熟能详的锂电池为例,能量密度的进步主要是正极材料的优化和制造水平的提升贡献的。展开来说,锂电池的正极材料从磷酸铁锂迭代到NCM333,再到NCM523、NCM622、NCM811,其能量密度的提升成为大家津津乐道的微创新话题。

正极因此成了市场讨论的几乎唯一焦点,但凡你跟人讨论负极,可能对方就失去了兴趣,这玩意儿有啥好聊的,好像是其他都在变,只有石墨恒久远。负极历史上的确一直默默无闻。但是和拼积木是一个道理,电池的能量密度是由四大材料综合来决定的,负极理论上应该有更大的作为。

从1991年锂电池商业化以来,石墨一直是最广泛使用的负极材料,科学家们试验了各种方法对石墨进行改性,但是石墨的性能底子摆在那,目前高端产品已经达到360mAh/g,已经无限接近石墨材料的理论比容量上限372mAh/g。

有人会问,正极材料可以各种选择,负极怎么老是死磕石墨?残酷的现实是,负极的创新极其困难,一般10-20年才有一次重大突破。所以你看上一代负极已经够得到天花板了,下一代负极还远在规模化量产途中。

而残酷的现实是,负极的创新往往决定了电池技术最重要的更新迭代。当下,我们亟需更高能量密度的负极来应对未来需求。

【2】负极金属电池技术是什么黑科技?

看到“无负极”,想必很多人都惊呆了,没有负极的电池还叫电池吗?此前有特斯拉的“无极耳”技术,现在宁德时代突然来个“无负极”。这年头没点化学基础还真没法投资新能源了。

其实无负极是行业术语,通俗的说,无负极金属电池是指生产制造过程中不添加负极活性材料,仅采用负极集流体作为名义上的负极。但这负极集流体不具备负极的功能,只有在首次充电完成后,正极材料中的金属迁移到负极集流体的表面,负极集流体上形成的金属层才是真正意义上的负极。

或者我们可以将无负极理解为生产制造过程中无负极,负极是在电池组装完成、首次充电后出现的。可能这还是太过抽象,我们以电池原理图展开做进一步说明。

在电池生产制造过程中,正极材料和正极集流体(铝箔)压在一起,负极这边是石墨和负极集流体(铜箔)压在一起,最后正负极再以叠片或者卷绕的方式“结合”。整个生产过程中,石墨负极是全程在线。

再讲到电池的工作原理,充电过程是正极材料中的离子(如锂离子、钠离子)穿过隔膜到达负极的石墨,电子则从正极集流体出发沿着外电路一路快跑到负极集流体,放电过程是反向的,离子和电子如此来回循环,就完成了电池一次次的充放电。

图3:电池示意图,资料来源:锦缎研究院

那换成无负极金属电池后,情况会有哪些变化呢?其实正极这边没有很大变化,就是负极不再有石墨,只剩负极集流体(铜箔)。在电池生产过程中,由于没有负极材料相伴左右,孤零零的铜箔就“自封”为负极,直至电池组装完成。

接着离子的第一次发现之旅开启,它从正极出发,以金属的形式沉积到负极集流体,在负极集流体上形成金属层,这时候名不副实的铜箔将负极名号“让位”给了金属层。随后的放电过程中,离子从负极集流体上“逃”出来,返回它的“出生地”,如此电池完成了首次充放电循环,负极也就出现了。

图4:无负极金属电池示意图,资料来源:锦缎研究院

而这种形式的新技术,被命名为无负极金属电池技术。这项黑科技,最大的好处是可以大幅提升能量密度,而这不正好可以解决钠离子电池低能量密度的痛点么,我们似乎看到了下一代钠离子电池的破局曙光。

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