CATL鈉離子電池是一種以鈉離子為電荷載體的電池。它是一種二次電池，與目前最好的可充電電池鋰離子電池相同。它們都是可逆的，通過電極之間負載的金屬離子嵌入和去除，以轉(zhuǎn)換化學能和電能。鈉和鋰的化學性質(zhì)相似，可以重復使用鋰離子電池的一些生產(chǎn)技術(shù)和系統(tǒng)。CATL鈉離子電池不僅用于提高能量密度和布局供應鏈，還用于電動兩輪車、電動汽車和儲能三個場景，以及低溫高功率場景。本文將主要討論CATL鈉離子電池的化學創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

 

CATL鈉離子電池與鋰離子電池產(chǎn)能兼容

鈉和鋰在元素周期表上與堿金屬基團相鄰，原子最外層只有一個電子，它們的化學性質(zhì)非常相似。以離子為載體的電池也具有類似的原理和結(jié)構(gòu)。大多數(shù)鋰離子電池的生產(chǎn)系統(tǒng)可以在CATL鈉離子電池上重復使用，并且生產(chǎn)能力可以部分兼容。

CATL鈉離子電池單體的能量密度與磷酸鐵鋰電池的能量密度重疊：

 

 

catl鈉離子電池的理論成本優(yōu)勢十分突出。根據(jù)相同容量軟包電池的瓦時成本換算，鈉離子電池BOM的理論成本比鋰離子電池低約30%。

 

 

CATL鈉離子電池的安全性和性能不亞于鋰鐵，這得益于：

● 相對較低的能量密度和放熱焓

● 它不容易釋放氧氣，也沒有易燃的風險

● 短時相對較小的瞬時電流和溫升

 

目前，CATL鈉離子電池未發(fā)生過充、過放、短路、針刺、擠壓等火災爆炸事故。在低溫下，這要歸功于：

● 由于鈉離子的溶劑化能較低，因此具有更好的界面離子擴散能力

● 普魯士藍等特殊正極材料的開放式框架三維框架帶來的大孔徑傳輸通道

● 目前，微納結(jié)構(gòu)和碳涂層大大提高了電子導電性和放電功率。

 

CATL鈉離子電池遵循PBA衍生路線

與HiNa電池的Li摻雜過渡金屬O3型Nax氧化物不同，CATL鈉離子電池遵循PBA衍生物路線。兩者都具有高克容量和高電壓平臺的優(yōu)點，即高能量密度。不同之處在于PBA由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)而具有高動態(tài)優(yōu)勢。

面心立方體的開放式框架結(jié)構(gòu)和三維巨大通道非常有利于鈉離子的快速遷移，經(jīng)過一定量的脫墨后可以可逆地保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。當然，由于制備工藝的不同，鈉含量和晶體含水量也不同，因此最終的晶體會發(fā)生畸變，形成單晶或菱面體體系。

2015年，美國的幾個尖端實驗室與J.B.Goodenough密切合作，開發(fā)了一種名為普魯士白的鈉離子電池正極材料：Na1.92Fe，它實際上是普魯士藍鈉的特定成分。由于鈉含量高達1.92，粉末呈白色，因此被稱為普魯士白。

 

 

2018年，一家名為Novasis Energies的公司推出了一種基于NaxMnFe（CN，在充放電過程中有許多對可逆的氧化還原反應）的軟包裝鈉離子電池。然而，這種材料也存在相當致命的缺陷，這也是它長期未被商業(yè)化使用的原因：

首先，晶體中過多的結(jié)晶水會占據(jù)鈉離子位點，堵塞相鄰鈉離子的遷移通道，也會自由進入電解質(zhì)，并與其發(fā)生副反應，導致電解質(zhì)消耗、負極SEI膜不穩(wěn)定、阻抗增加。

第二，晶體中過多的空位不僅會阻礙電子的遷移，還會導致晶格畸變，破壞Ma C｜N Mb橋鍵，從而導致PBA的三維骨架結(jié)構(gòu)坍塌，電池性能下降。

 

CATL鈉離子電池經(jīng)過設計和改進

CATL鈉離子電池從材料和電極工藝層面進行了創(chuàng)新設計和改進。

 

材料等級

在合成普魯士白材料的過程中，CATL研究團隊利用交換反應加入一種或多種中性配體L，部分或完全取代結(jié)晶水，從而降低甚至去除了粉末級結(jié)晶水的含量，經(jīng)驗證其吸水率可降低60%。

CATL鈉離子電池研究團隊在普魯士白料的制備中引入羧甲基纖維素鈉，調(diào)節(jié)母液的粘度和沉淀速率，形成了粒徑和比表面積合適的顆粒，獲得了相對優(yōu)化的放大倍率和循環(huán)性能。同時，CATL鈉離子電池對顆粒尺寸和孔隙率進行了最合適的設計，并保證了循環(huán)穩(wěn)定性。

 

 

為了提高普魯士白材料在非水電解質(zhì)體系中的循環(huán)性能，CATL鈉離子電池引入了一種特殊的電解質(zhì)添加劑：陽離子的電荷/半徑比小于鈉離子，并對添加劑的含量進行了優(yōu)化。

在鈉離子電池的充電和放電過程中，陽離子將優(yōu)先嵌入PBA材料并從PBA材料中分離，因為陽離子具有較小的充電/半徑比。因此，它在插拔過程中對普魯士藍材料結(jié)構(gòu)的破壞較小，可以穩(wěn)定普魯士藍材料的三維骨架結(jié)構(gòu)，使鈉離子電池具有良好的循環(huán)性能。

 

極性切片級別

CATL鈉離子電池以適當?shù)谋壤肓酥睆綖?nm～100nm且具有良好柔韌性的一維碳納米材料，大大降低了膜的電阻，使正極板具有良好的導電性。

CATL鈉離子電池優(yōu)化了導電聚合物與導電劑的配比，使膜電阻降低了70%，獲得了非常優(yōu)異的2C倍率性能。此外，改進了普魯士白陰極漿料的混合和涂布工藝，優(yōu)化了活性材料厚度d1與集流體厚度d2的比例，獲得了優(yōu)異的CATL鈉離子電池循環(huán)性能。為了解決小顆粒粉末固有的壓實密度低的問題，CATL鈉離子電池采用獨特的雙峰混合匹配方法，將普魯士白正極的壓實密度提高到2.0g/cc，大大提高了體積和質(zhì)量能量密度。

 

化學系統(tǒng)級別

在化學系統(tǒng)匹配方面，CATL鈉離子電池控制了電池首次充放電時的容量損失，并在高倍率下實現(xiàn)了更高的充放電性能，使鈉離子電池具有更高的首次庫侖效率和倍率性能。

 

 

CATL鈉離子電池研究團隊開發(fā)了一種具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)碳材料，可以使大量鈉離子快速儲存和通過。每克容量可達350mAh/g，同時具有良好的可回收性。整體性能指標與石墨相當。

 

CATL鈉離子電池的優(yōu)點

CATL在整合高度創(chuàng)新的技術(shù)能力的基礎上，開發(fā)出了具有獨特優(yōu)勢的鈉離子電池：

● 單電池能量密度：160Wh/kg，當前全球水頭水平；

● 在室溫下充電15分鐘，功率可達80%以上，具有優(yōu)異的快速充電特性；

● 在–20℃的低溫環(huán)境中，保持90%以上的放電保持率和優(yōu)異的低溫功率；

● 系統(tǒng)集成效率可達80%以上；

● 優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并超過中國強動力電池標準的安全要求。

因此，CATL鈉離子電池的能量密度略低于鋰離子電池制造商開發(fā)的商用lifepo4電池，但其在低溫性能和快速充電方面的明顯優(yōu)勢非常適合高冷地區(qū)的大功率應用場景。

 

CATL鈉離子電池采用AB電池結(jié)構(gòu)

采用AB電池結(jié)構(gòu)，是CATL鈉離子電池的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。串聯(lián)和并聯(lián)兩種電池的集成可以快速解決第一代鈉離子電池能量密度低的問題，這也對BMS系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。

 

 

雖然可以在整個電池電壓范圍內(nèi)匹配，但目前的普魯士白+硬碳電化學曲線與任何現(xiàn)有的鋰離子電池化學體系都有明顯的不同。此外，鈉基正極固有的電壓滯后給SOC管理帶來了相當大的復雜性。AB的雙劍組合可以彌補Gen1鈉電池的能量密度不足。其電池組的能量密度提高了25%，發(fā)揮了其高功率和低溫性能的優(yōu)勢，可以適應更多的場景。

根據(jù)CATL發(fā)布的路線規(guī)劃，Gen2鈉電產(chǎn)品將突破200Wh/kg。事實上，鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相同。加工性能可以完全參考鋰離子電池化學材料的物理和化學指標，其量產(chǎn)線可以完全兼容。碳中和催生了對TWh級電池的需求，多元化的應用場景不斷涌現(xiàn)。CATL鈉離子電池的產(chǎn)生將與鋰電池共同保障行業(yè)的長期穩(wěn)定發(fā)展。