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特斯拉宁德电池好吗「标续model3电池」

时间:2023-01-11 16:16:34来源:

宁德时代发布了新一代钠离子电池。

众所周知,目前最主流的电池是锂离子电池,原因有很多,比如锂最轻,以及锂可以形成最高的电池电压。但锂的缺点也很明显:地球上的储量太少,因此价格很高。于是,钠离子电池的概念应运而生。

钠离子电池并不是新鲜概念。早在20世纪70年代就有类似的概念提出,毕竟这个思路太自然不过了——钠和锂是最接近的碱金属元素,而且钠在地球上的储量实在非常多,这个看看家里的盐罐子就知道。

但是钠也存在一些与锂不同的性质:钠比锂的电位稍微“正”了一点,因此电池的能量密度会降低一点;

(从这张图里还可以看到其他有研究潜力的电池体系,如钾离子电池,钙离子电池,镁离子电池等)

另外,钠比锂的原子尺寸也大了一点,也重了一点。

也因此导致了锂离子与钠离子电池的诸多不同。

首先是两者使用的材料不同。由于原子尺寸大了一点,容易卡在材料内部出不来,可以供锂离子存储的正负极材料通常无法供钠离子使用。因此关键在于开发新体系的正负极材料,正如宁德时代董事长曾毓群所说,“有人在议论,电池的化学体系已经很难创新了,只能在物理结构上做些改进;我们认为电化学的世界,就像能量魔方,未知远远大于已知,我们乐此不疲地探索其中的奥秘。” 在这里,也对这些孜孜不倦研发材料的科学家和工程师们表达我们的敬意。

在多种钠离子电池用正极材料体系中,宁德时代选择了“普鲁士白”体系。这类材料具有克容量较高,不含贵重金属因此价格很低,以及电压平台很高等优点:

可见材料为白色粉末状。

Mn掺杂使得材料电压平台(相对于钠金属)高达3.7V,有助于实现电池的高能量密度

但其缺点也很明显:其本身的晶体结构不是很稳定,会在循环中发生结构变化,导致循环容量衰减;同时,普鲁士白材料难以完全去除结晶水,会在循环中发生水与负极的副反应,引起电池产气。从某种意义上来说,由于结晶水恰恰是稳定普鲁士白晶体结构的关键,这两个缺点难以同时解决,如何平衡这两个问题,就成为了钠离子电池应用的关键。

也正因此,此前基本没有厂商发布过循环可超过千次的普鲁士白类正极材料。宁德时代自称解决了这个问题,其通过材料计算方法进行了大量尝试后对实验方向进行了指导。至于其所使用的具体途径,包括材料表面修饰和体相的改进,可以通过查阅其近期专利寻找线索。宁德时代此次发布的克容量160mAh/g与磷酸铁锂材料的克容量接近。但发布会并未提及电池循环寿命,因此还有待进一步了解。

钠电的负极材料也与锂离子电池不同。绝大多数锂离子电池之所以使用石墨作为负极材料,是因为锂离子可以与石墨形成LiC6结构的稳定插层化合物。但石墨无法用于钠电:其无法与钠形成稳定结构的化合物(这并非是由于钠离子尺寸比锂离子大,因为令人费解的是,比钠离子更大的钾离子却可以与石墨良好兼容,其中的原因尚未得到解释)。

因此,钠电的负极材料研究共识为采用另一些层间距更大的碳材料,如中科海钠发布的无烟煤基,以及此次宁德时代发布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同时实现了与石墨接近的克容量(350mAh/g)发挥,同时由于层间距较大等因素,原子可以快速进出层间,使得电池快充与低温充放电成为可能。

硬碳储存钠的优势就在于其晶面间隙大,缺陷位置较多,因此可以容纳较多的钠。同时作为碳材料之一与石墨工艺接近,也因此成为了最主流的钠电负极材料:

但实际上硬碳是一个比石墨门类广泛得多的领域(所谓硬碳,即由于碳材料结构混乱,高温烧结仍然不会形成石墨的层状结构,如上图。无烟煤基碳材料本质上也可以归类为硬碳),此次发布会实际上并未透露所使用硬碳的具体信息。此外,由于硬碳材料较低的首次库伦效率,会导致电池的容量低于同等条件下的锂离子电池。

电解液语焉不详。其可能与锂离子电池使用的电解液差别不大,不过对于特殊的正负极材料需要使用特殊的添加剂及溶剂,以避免发生正极材料溶出等问题。

其余,隔离膜,壳体,集电体等结构可以与锂离子电池相同。也因此,钠离子电池可以使用与锂离子电池接近的工艺路线进行生产,降低了工艺开发与设备改造的相应成本。这里还有钠离子电池的另一个特点:由于锂会与铝箔发生反应引起合金化,因此锂离子电池负极必须使用耐还原的铜作为集电体,而铜的密度是铝的三倍多,增加了电池的重量同时提高了电池成本。钠电中则不会有此问题,正负极都可以使用更轻更廉价的铝作为集电体,也有助于提升电池重量能量密度并降低成本。

其次,至于锂电、钠电混用的BMS,个人认为其更接近于模组层面的并联,通过控制充放电模式来分别对锂电或钠电模组进行控制。否则,由于锂电与钠电的不一致,会导致系统难以稳定工作。

综上分析,如果宁德时代的发布会内容为真实的,则其确实将钠离子电池商用化推进了一步,但即使是从最基础的材料层面分析,仍然远不足以称其为一个成熟可用的体系。其优点在于,由于使用正负极材料容量均与磷酸铁锂电池类似,因此可以将其视为一种 “成本较低,容量稍低,能量密度稍低,循环性能未提供数据”的低成本磷酸铁锂电池,其优异的低成本优势可在中低端领域发挥特长,取代锂离子电池。但不足之处仍然很多而且短期内难以克服,如循环性能尚不清楚,能量密度仍然较低等,可认为其短时间内可能会应用于两轮电动车等产品,而在电动汽车及储能等应用尚需要进一步完善。这也就解释了为何此次发布的电池包括圆柱电池和硬壳电池。

另外此次宁德时代仅透露了其电池的能量密度为160Wh/kg,却并未提及另一个同样重要的指标:体积能量密度。

由于汽车尺寸的限制,电池包的体积能量密度越高则可以容纳更大容量的电池。这也是比亚迪发布刀片电池和宁德时代发布CTP电池的原因:通过省去电池的模组结构提高电池的体积利用率。也正因此,比亚迪高调宣传其刀片电池可以实现体积能量密度提高50%(280Wh/L)的巨大优势。

而这恰恰是钠离子电池的另一个巨大短板所在:由于所用材料普鲁士白(1.8g/cm3)与硬碳材料(1g/cm3)的压实密度都远低于磷酸铁锂(2.4g/cm3)与石墨(1.7g/cm3)等材料,同时使用了更轻但更厚的铝箔作为负极集电体,因此相同容量下电池的体积会远大于锂离子电池,粗略计算有磷酸铁锂电池的1.4倍左右(同体积容量是锂离子电池的70%)。

这一点是由所使用材料体系决定的,因此短期内无解决的迹象。

以model3为例子,其NEDC里程为468km,若全部更换为钠离子电池,其里程会下降到约327.6km左右,考虑到冬季加热需求,冬季续航可能仅剩262.8km。但同样地,其电芯的BOM成本也能降低约20%。

我们按照目前最新的电芯成本来看,方形磷酸铁锂的价格为617元/kwh,特斯拉Model 3标准续航升级版55度电芯的成本为33935元,如替换成钠离子电池,电量按照70%计算为38.5kwh,成本降低20%为493.6元/kwh,实际成本下降到19003.6元。(降低14931.4元)

——这么看来,假设把当前Model 3的电池改为钠离子电池,我们可以获得一台22.09万,续航330km的model3,再考虑到这台车的续航和标准续航版相比差异实在太大,以及特斯拉一直有大约20%的卖车毛利,所以这台车特斯拉牺牲下毛利,是可以做到19.99万的。

而根据很多专业机构的预测,随着特斯拉第二工厂的建立、产能进一步扩大,标准续航版车型价格一定会降到19.99万。

届时按照特斯拉一贯的定价体系,如果有钠离子电池的车型,这款车或许可以打到15.99万的区间去。

——那么一台15.99万,春秋续航330km,冬季续航260km和标准版差不多的特斯拉,你会购买吗?

这些数据或许暗示着,钠离子电池最终的大规模应用可能在于储能。或许未来,我们在用电高峰期使用的电能,就会有相当一部分由这些臃肿但廉价的钠离子电池提供。

对于此次钠离子电池的发布,我们的观点是:请宁德时代提供电池的循环数据,同时提供的电池的体积能量密度数据,然后做进一步分析。

来源:第一电动网

作者:刘泽竑

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