不是,哥们儿,钠离子电池都还没搞明白,钾离子电池就来啦?最近,一款来自Group 1公司的18650钾离子电池横空出世,说是能用比锂离子电池更低的价格,把能量密度做到160-180Wh/kg。这啥概念?比亚迪的磷酸铁锂刀片电池才 140 Wh/kg 。。。
之前宣传的钠离子电池也是,能把能量密度干到 160 Wh/kg ,甚至宁德第二代 200 Wh/kg 的钠离子电池都已经在研发了。要命,难道锂离子电池马上就要被抛弃了?
诶~事情没这么简单。
首先我们得更正这个比法,“能量密度”其实有“电池包能量密度”和“电芯能量密度”两种,电池包要比电芯多个外壳,数值上自然要低不少。上面说的钠、钾离子电池是指“电芯能量密度”,而比亚迪的刀片电池一般是指“电池包能量密度”,所以不能这么比。按现在的技术水平,钠、钾离子最多也就做到和磷酸铁锂差不多的能量密度。
因为钠、钾离子的“性能”本身就不如锂离子。拿钠、钾离子做的电池,它的电压和比容量都要更低(这俩的乘积就是能量密度)。咱们首先就来看这个电压。要知道,一般车上搭载的动力电池都叫做“摇椅型电池”,因为离子会像摇椅一样在正负两极之间摇摆。。。
呃...如果这个说法太抽象,那咱们也可以把电池充放电的过程看作是上下班,正极就是出租房,负极就是办公楼,这个打工人就是金属离子,它为了电子,整天在这之间两点一线。诶,别说了,别说了,我看到我自己了。。。而之所以选锂、钠、钾作为这个天选打工人,当然是因为它们天赋异禀,骨骼清奇。有不少人说,是因为这三位之间有血缘关系,都是碱金属家族,位于化学元素表的第一列。那下一代电池闭着眼睛都猜出来了,必然是铷离子。。。
但其实真不是这么回事儿。
本质上,咱们看的还是化学性质的活泼性,比如锂、钾、钙、钠、镁、铝,它们的标准电极电势更低,说明更容易丢掉电子,拿它们做电池,电压就更高。
所以咱们也看出来了,在这些元素中间,锂、钠、钾这三位是尖子生中的尖子生,但问题是,为啥最后考上大学的就只有锂呢?
这还得再看比容量,比容量指的是单位质量里的电量(电荷数量)。也就是说,在一个块正极材料里面,锂、钠、钾粒子塞的越多,比容量就越高。
要知道,在这堆金属元素里面,锂是最瘦的,化学元素表它排第 3 号,而钠是 11 ,钾是 19 ,越高就越胖。
所以同样一间屋子,你能挤进去的锂离子必然要比钠、钾更多,它的比容量和能量密度自然也就高很多。
那钠、钾离子不就彻底没戏了?倒也不能这么说。
其实万事万物皆可“轮椅”,电池性能可不只看金属离子,更要看整个正极材料。大伙儿都知道,锂离子电池的正极材料分磷酸铁锂和三元锂,同样是锂,三元锂就比磷酸铁锂性能更好。
所以钠、钾离子也可以改变正极材料提高性能,一般来说就这三种:过度金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物。
上面说的三元锂就是第一种,磷酸铁锂是第二种,而从目前的技术方案来看,钠、钾离子都会采用第三种,普鲁士蓝类似物。
虽然名字听着怪,但普鲁士蓝类似物和前面俩兄弟一样,代表一种化合物,也就是亚铁氰化铁。如果它带两个金属离子,就会显示普鲁士蓝色,所以叫普鲁士蓝,如果带一个金属离子,就叫普鲁士白。。。
诶,没错,之前宁德的钠离子电池,用的就是普鲁士白,而钾离子电池用的是普鲁士蓝,因为实验得出这种方案的综合性能最优。
总之配合上普鲁士蓝类似物,目前的钠、钾离子电池是能做到和磷酸铁锂相近的能量密度。
但就算这样,钠、钾离子电池也很难在目前替代磷酸铁锂。
要知道,大家之所以研发它们,主要还是看在它们的制造成本更低,因为这俩货哪哪都有,比如钠元素,我家厨房能找出一堆,钾元素,则是农村的常用化肥“草木灰”。
而现在的问题在于,钠、钾电池的价格优势并不明显,因为锂价都已经跌麻了。。。
前几天就有新闻说,碳酸锂价格跌破 8 万元/吨,虽然不至于像铜、铁这么便宜,但相较前两年的 50万元/吨,已经便宜到了六分之一。
而采用普鲁士蓝类似物的钾离子电池,虽然正极材料便宜,但在隔膜、负极等材料的花费上还要比磷酸铁锂更贵,这样价格的优势就不明显了,甚至还可能比锂更高。。。
说实话,这我真有点没绷住。
而且更大的问题还在于工艺,目前的钠、钾离子电池生产一致性还比较差,能不能达到实验室的性能,还是个问题。
就拿现在已经量产的钠离子电池来说,在理论上讲它会比锂电池更安全,不容易发生自燃,但 B 站上也有 UP 主通过自制的针刺实验,发现它依然存在安全隐患(这哥们儿是真猛)。
所以至少在目前来说,钠、钾离子电池可能更适合储能,而不是咱们电车的动力电池,就算将来某天有足够技术和工艺去支撑,它们也无法代替更具性能的三元锂电池,因为材料的上限就这么多。
其实说白了,大伙儿研发各种类型的电池,不是因为锂离子不行,而是锂太少了。
因为锂元素是一种稀有金属,本身在地球的储量就很少,还都集中在南美,而且做成电池以后,锂元素也很难回收,迟早会被用完。
所以就算性能差点,咱们也要开发一种又便宜,量又多的电池,来应对未来缺锂的可能,大不了就多整点换电站嘛。
而钾离子电池的出现,主要是为了弥补钠离子电池没法用石墨负极的Debuff,所以它先替代的不是锂,而是钠。
总之不管怎么说,从目前的技术来看,钠和钾都只是锂的下位替补。它俩在未来究竟能不能有所突破,就看电池研发的兄弟能不能多给点力了。
如果真搞出来个磷酸铁锂的替代品,咱们又得换车了不是?
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