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···工程21(2023)36意见和评论钠离子电池:碳中性世界吴凯a,窦新伟b,张欣欣a,b,欧阳楚英a,b,ca当代安培科技有限公司(CATL),中国b福建省能源器件科技创新实验室(21 C实验室),宁德352100&c江西师范大学物理系,南昌330022漫步在三都湾畔,望着蔚蓝的大海和绿色的山脉,一个问题浮现在脑海中:如何在满足人类换句话说,我们如何才能确保在不久的将来建立一个汽车中立的世界?需要在不同方面做出许多努力来澄清答案,但有一点是明确的:一个可持续和高效的储能系统是必要的。钠离子电池(SIB)作为锂离子电池(LIB)的补充技术,由于其独特的特性(包括低成本和绿色理念)而获得了极大的此外,这些确切的性质使钠离子技术具有足够高的潜力来解决碳中和问题。钠(Na)在电池技术中的历史可以追溯到1968年,当时福特集团发明了一种以Na-B 00-Al 2 O3为固体电解质的高温Na-S电池[1]。当所谓的1981年,Delmas首次报道了NaCoO2的钠化/再钠化行为,从而揭示了可用于SIB阴极的层状氧化物材料[2]。在过去的40年中,已经对用于SIB阴极、阳极和电解质的新材料进行了充分的研究随着越来越多的研究人员致力于这一领域,关于SIB的科学研究由于这项研究及其丰富而出色的研究成果,SIB终于接近商业化。近年来,来自不同国家的公司和初创公司声称已经接近实现SIB商业化,其技术路线图各不相同。在英国,Faradion发表了以Ni-Mn-Fe层状氧化物作为阴极、硬碳作为阳极的棱柱形钠离子电池法国初创公司Tiamat利用国家科学研究中心(CNRS)的技术,发布了18 650个圆柱形电池,采用Na3V2(PO4)3阴极和硬碳阳极,在10 C下显示出良好的倍率性能[4]。在美国,Novasis与夏普实验室合作,专注于普鲁士蓝阴极和硬碳阳极技术[5]。另一家美国初创公司NatronEnergy公司还开发了具有对称普鲁士蓝电极和水基电解质的快速充电钠离子技术[6]。中国的研究机构和公司也在同一时期参与了SIB的进展。海纳电池开发了Cu-Fe-Mn层状氧化物阴极和软碳阳极的SIB钠能源公司也专注于层状氧化物阴极,但元素为 辽宁星空正在研制普鲁士蓝阴极[9]。研究人员根据其应用环境选择了不同类别的阴极材料。层状氧化物阴极容量相对较高,适用于电动汽车,普鲁士蓝阴极由于其良好的功率性能,非常适合小型储能电站的要求。此外,聚阴离子阴极显示出 具 有 吸 引 力 的 长 期 能 量 存 储 能 力 。 当 代 安 培 科 技 有 限 公 司(CATL)于2021年7月发布了其第一代SIB,其采用普鲁士白(Na2 Mn[Fe(CN)6])催化剂和硬碳阳极(图1)。 1);他们的产品具有160 W h kg-1的容量和出色的快速充电和低温能力[10]。在回顾了SIB令人兴奋的科学和工业进展之后,一个问题仍然存在:我们如何确定SIB是否是最适合碳中和时代的技术?答案就在上文所述的文献中。值得注意的是,SIB技术中涉及的大多数元素(包括钠)既丰富又廉价。此外,铝(Al)集电器可以用在阳极侧和阴极侧上,以避免需要相对昂贵和稀有的铜(Cu)箔。因此,可以说SIB技术的关键理念是低成本和可持续性。虽然低成本的重要性在材料水平上很容易理解,但钠离子技术是否也能在系统水平上保持其成本优势可能会受到质疑。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的一个研究小组在2018年进行了成本计算,表明SIB技术在未来的成本方面将具有巨大的优势,特别是在锂短缺和相关价格上涨的情况下。https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.04.0112095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engK. Wu,X.Dou,X.Zhang等人工程21(2023)3637·······图1.一、CATLLFP:LiFePO4。根据我们内部的评估,当碳酸锂的材料成本达到100 CNY kg-1左右时,SIB的成本优势不管是幸运还是不幸,锂的价格最近一直在以令人难以置信的速度上涨。除了锂之外,钴是另一个关键元素,可以使用SIB技术来避免使用。KIT研究[11]表明,如果所有内燃机(ICE)车辆都被电池电动汽车(BEV)取代,我们可能会有足够的锂,但只要所有电化学能源单元都基于锂技术,我们肯定会遇到钴短缺。事实上,避免使用锂和钴的优势不仅与其成本有关;有强有力的证据表明,由于这种避免,SIB的供应链比LIB安全得多锂和钴分别集中在南美洲和刚果。阿根廷、玻利维亚、智利等国正在形成所谓的最近的新闻清楚地表明,能源安全依赖于安全的供应链。SIB的低成本和供应链安全都植根于其丰富的原材料。此外,SIB相对良好的环境影响是另一个关键优势,将其定义为碳中和时代的技术。最近的科学研究已经完成,以评估SIB技术的不同方面[12],例如关键材料的能源需求估计,电池水平的生命周期分析(LCA)和生产工艺兼容性。特别是,碳足迹,这通常是根据全球变暖潜能值(GWP)根据LCA方法产生的,已经成为高度关注。为了满足碳中和的要求,有必要研究和理解CO2当量(eq.)在整个SIB供应链的关键组件或方面的生命周期中排放。一个更现实和与经济相关的动机是,更多相关的标准或政策正在公布或制定中,一项技术的环境影响将影响其碳税或碳交易。第26届会议《联合国气候变化框架公约》(COP26)的缔约方发布了《格拉斯哥气候公约》,该公约“保持1.5 °C的目标”[13]。我们在遏制全球变暖的目标上取得的这一重大成功使整个世界承担了更多的责任,从而为电池行业提供了巨大的动力。欧洲议会在2020年提出了一项针对电池的新法规草案,要求在2024年之前在标签上注明容量超过2 kW h的电池的碳足迹。在本文发表的那一年可持续发展尽职调查,以检查员工权利和环境影响的记录[14]。中国还于2020年发布了第与第一版路线图相同,新版路线图强调了“低碳排放”的概念为了支持碳中和,甚至只是考虑遵守即将出台的政策和法规的最低要求,非常有必要及时进行电池价值链碳足迹验证和验证方法研究。由于其低成本和可持续性的优势,SIB被认为是一种非常有前途的储能技术,特别是对于风能和光伏发电。考虑到其安全的供应链,SIB对A级纯电动汽车表现出高度的兼容性;特别是随着电池交换解决方案(用充电电池替换放电的模块化电池)的成熟,例如CATL的EVOGO电池交换解决方案,SIB可以作为Choco-SEB(交换电动块)工作,允许不同功能单元的灵活组合(图1)。 2)的情况。钠离子在常规电解质中也固有地表现出比锂离子更高的去溶剂化能力[16];因此,与硬碳阳极和普鲁士白阴极的独特结构一起,SIB在电池水平上表现出优异的功率能力。因此,SIB被认为是叉车、电动工具和车辆12 V/48 V起动、照明和点火(SLI)电池与铅酸蓄电池相比,SIB具有更长的使用寿命(超过8年对2年)和更高的能量密度(160 W·h·kg-1对40 W·h·kg-1)。随着汽车智能化程度的不断提高,动力电池在汽车功能中所占的份额将通过这种方式,SIB为未来的车辆智能概念提供了更多的空间。钠离子技术的商业化进程绝不是一家公司的单打独斗,而是需要整个价值链的充分协调。据谨慎估计,到2025年,将需要至少50GW h的SIB。为了实现这一目标,必须在不久的将来建立一个成熟和经济的原材料供应这为市场上的所有参与者提供了一个重大机会,同时也带来了相应的高风险。因此,我们期待市场对这项新技术有更宽容和理性的看法。没有一种电池技术可以满足不同应用的所有需求,因此每种技术都可以在特定的利基市场中占有一席之地。在全社会的努力下,我们相信钠离子技术将很快为加速世界碳中和做出贡献K. Wu,X.Dou,X.Zhang等人工程21(2023)3638图二. SIB的可能应用包括用于风能/太阳能发电站和家庭/商业用途的能量存储系统(ESS),用于车辆的启动,照明和点火(SLI)电池,用于A级BEV和踏板车的牵引电池,交换模式以及叉车和电动工具等电力应用致谢本工作得到了国家自然科学基金(12174162和51962010)的资助引用[1] Yu Yao YF,Kummer JT.β-氧化铝的离子交换性能和离子扩散速率。核化学杂志1967;29(9):2453-75.[2] 陈文辉,陈文辉,等.钠在 钴青铜中的电化学嵌入.固态离子1981;3-4:165-9.[3] 运 输 应 用 [ 因 特 网 ] 。 Sheffield : Faradion;c2011 可 查 阅 :https://faradion.co.uk/applications/transport-applications/。[4] TIAMAT-亚眠:TIAMAT; c2021 [引用日期:2022年3月30日]。可从以下网址获得:http:www.tiamat-energy.com/en/。[5] Bauer A,Song J,Vail S,Pan W,Barker J,Lu Y.非水钠离子电池技术的规模化和商业化。Adv EnergyMater 2018;8(17):1702869.[6] 电动汽车快速充电解决方案[互联网]。Santa Clara:Natron Energy; c2012可从:https://natron.energy/ev-fast-收费。[7] Na-ion [Internet].Liyang:HiNa BATTERY; c2017 [cited 2022 Mar 30].可从以下网址获得:https://www.hinabattery.com/en/index.php? catid=12。[8] Coreproducts [Internet]. Shaoxing:NATRIUM; c2017 [cited 2022 Mar 30].可从以下网址获得:http://natriumenergy.cn/Content/1984004.html[9] WangW,Gang Y,Hu Z,Yan Z,Li W,Li Y,et al. 用于钠离子电池的富钠菱面普鲁士蓝的可逆结构演化。 NatCommun 2020;11(1).[10] 钠离子电池发布会[互联网]。宁德:Natron Energy; 2021年7月29[引用日期2022年3月30日]。可查阅:https://www.catl.com/technologybrand/6251.html。[11] 杨伟杰,王伟杰,王伟杰.钠离子电池的成本与资源分析。Nat Rev Mater2018;3(4):18013。[12] Peters J,Buchholz D,Weil M,Passerini S.钠离子电池的生命周期评价。能源环境SCI2016;9:1744。[13] 格拉斯哥气候协定。主席的提议[因特网]。纽约市:联合国; 2021年7月29日[引用2022年3月30日]。可从以下网址获得:unfccc.int/documents/311127[14] 欧洲联盟委员会。欧洲议会和理事会关于电池和废电池的法规提案,废除指令2006/66/EC 并 修 订 法 规 ( EU ) No 2019/1020 。 布 鲁 塞 尔 , COM 798/3(2020)。[15] 中国汽车工程学会节能与新能源汽车技术路线图2.0。报道北京:中国汽车工程学会; 2020年10月[16] Babu CS,Carmay L.离子水合理论:分子动力学模拟与实验的启示。物理化学杂志B 1999;103(37):7958-68.
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