钠离子储能电池的开发及安全性评估

充电头网编辑部充电头网 2023-02-14

工信部锂离子电池及类似产品标准工作组于11月28日～29日举办“钠离子电池产业链与标准发展论坛”。本次论坛由中国电子技术标准化研究院联合中关村储能产业技术联盟主办，钠离子电池相关产业链企事业单位共同参与。

此次大会旨在为钠离子电池产业链企业搭建一个交流的平台，同时也为钠离子电池行业相关人员提供一个了解钠离子电池产业最新资讯的窗口。使参会企事业单位加强合作交流，促进钠离子电池产业健康持续发展。期间，18位行业大咖与大家共同探讨钠离子电池的发展现状与市场前景。

湖南立方新能源科技有限责任公司的代表在本次钠离子电池产业链与标准发展论坛上发表了《钠离子储能电池的开发及安全性评估》主题演讲。

此次演讲主要围绕钠离子电池开发背景、钠离子电池的开发进展、氧化物基钠离子电池的安全及改善、湖南立方及钠方企业介绍这四个主题展开，并最后进行总结。

钠离子电池的开发背景，当前全球锂储量及其分布如图所示，锂资源矿产主要在南美地区，我国的锂资源矿产资源稀缺。

当前我国提出双碳目标，促使能源结构优化，新能源如太阳能、风能逐渐成为主流能源，迫切需要发展各种储能技术，解决新能源电力并网的技术瓶颈，电化学储能更逐渐从短时储能向长时发展，需求倍增。锂电池面临地缘政治和缺乏性两大问题，国内锂资源80%进口，无力支撑消费电子、电动汽车和电化学储能三个大行业。

其他材料在2022年Q1达到高位后开始下行，除了与Li相关的正极材料；国内外锂价格出现倒挂。

当前钠离子电池正极材料主要为普鲁士蓝类、O3或P2型；负极材料主要为硬碳、软碳及其他材料；隔膜与锂离子电池相同；电解液与锂离子电池相似，钠盐溶解在有机溶液中；集流体正负极均为A1箔。

当前基于电动车和储能需求的增加，碳酸锂价格的快速上涨（12倍），铁锂的价格已经翻了5倍，带来系统成本翻了近1倍。钠锂电池可以生产共线，正负极及隔膜，电解液可以共线且元素成本低，资源稳定，安全。

不同碳酸锂价格下锂钠电芯的材料成本比较，我们可以发现，碳酸锂高位下，对三元的影响更大，随着镍的回归，碳酸锂价格回归到30-40万，三元会显示出成本优势；钠电氧化物正极的成本在5-10万的铁锂层次，依赖于不同过渡金属元素及量产化；只有普鲁士蓝正极材料Wh成本低于5万的磷酸铁锂。

20Ah钠离子电池/磷酸铁锂电池的成本结构如图所示。在LFP电芯中，碳酸锂占比52%；钠电的材料成本下降依赖于：Ni/Cu等/硬碳等材料回归理性。

湖南立方在全电池工艺开发及优化方面，2016年被确立为湖南省战略新兴产业项目，2018年开始NVP体系钠离子电池开发，2021年获得层状氧化物材料开发及专利。在关键材料的批量制造工艺方面，2017年获得PB材料公斤级制备能力并获得专利，2019年在与N公司合作中试PB全电池，在2022年4月实现层状氧化物吨级生产，6月支持层状氧化物22Ah小批量生产。

当前层状氧化物正极材料普遍使用的是P2型，目标是高容量稳定的复合单晶材料；立方与材料厂合作开发复合型正极材料，现已实现百吨级生产。

在负极硬碳材料开发领域，湖南立方与湖南大学一起运用低成本碳材料合成了高倍率性能的硬碳材料；可以在5C以上的倍率进行充放，未来满足调频及倍率应用。

钠离子电池的低温放电性能显著优于LFP电芯，可以达到-20℃ 0.5C 77%，-20℃ 0.2C 88%。

优化后钠离子电池可以达到-20℃ 0.5C 89%，-40℃ 0.2C 86%。

在钠离子电池的循环性能优化方面，通过正负极材料的进一步优化，RT循环性能预计可以超过3500周；优化后的体系，45℃循环性能优异，可以达到1500cls 90%容量保持率。进行过放1.0V到0.5V进行循环测试，循环趋势与未过放电池保持一致。

电池安全一直是一个重要的问题，上图为2011年至2021年10年间33起全球储能电站事故共性特征的统计分析结果，事故中韩国发生的有24起，韩国储能电站装备的都是三元电池，甚至今年在欧洲家储市场10KW级别都有起火和被召回。从事故起因来看，大部分储能电站事故发生时处于搁置和安装调试及维护中。铁锂也发生过4起。

基于各种热诱因导致的失效和蔓延，电芯的安全改善思路如下：

1、强化电芯设计及工艺，保证寿命过程的安全性能

2、强化电芯在内短路情况下的安全，防止热失效

3、强化电芯的热安全，防止热蔓延

300℃热板测试数据。

实验参数：NCM/L/Sodium ion，22-25Ah，100%SOC，350℃热板

小结：在耐热致热失控滥用方面，SIB优于LFP

北京丰台铁锂储能电站着火案例分析，初段喷主要组分为DMC，EMC，DEC等碳酸酯类。主喷主要组分为燃气。

将热板加热下钠电池和LFP电池150℃-180℃下取下，GCMS测试气体成分。钠电高温下产气主要为不可燃的二氧化碳。LFP高温下产气主要为氢。

公司全称：湖南立方新能源科技有限责任公司

主营业务：软包类锂/钠电池的研发、生产与销售

生产基地：湖南株洲，96000平方米厂房

成立时间：2013年

雇员人数：800+

主营产品消费类设备备用锂电池，动力/储能系统用锂/钠电池

在我国支持中小企业发展、推进产业结构调整、双碳目标等政策扶持下，立方新能源获得各级主管单位的大力支持，在新材料研究、工程技术研究、绿色产品及产业等领域获得多项荣誉。

立方新能源积累八年的全产业链合作伙伴涉及新材料、新工艺、新技术、新领域。

立方新能源助力科学研究和产业结合，Jeff Dahn团队基于立方电芯进行长寿面测试。已测得12000次循环，相当于车用电池行驶480万公里。

立方新能源钠离子电池产品，方形铝壳电池，尺寸72*173*207mm，容量210Ah，3.0V，循环寿命＞3500次；钢壳圆柱电池循环寿命也达到了1000次以上。

综上所述，得到结论。钠离子是锂离子储能必要和有益的补充，其良好的资源，是在地缘政治下锂产业及新能源产业发展的PlanB；钠离子电池具有低成本，低温好及与铁锂相当的安全特性，决定了其在储能领域的巨大潜力；湖南立方/钠方将继续致力于下一代储能电池及材料开发，为钠离子电池产业链发展贡献自己的力量，为全球双碳目标的达成做出贡献。

以上为湖南立方新能源科技有限责任公司的代表在本次钠离子电池产业链与标准发展论坛上发表的《钠离子储能电池的开发及安全性评估》主题演讲。有意者可联系湖南立方新能源科技有限责任公司详细了解。