电池技术新突破！中国成功研制钠电池汽车：“蜂窝电池”让人意外

国内首台用钠离子电池提供动力的A00级试验车公开亮相，它的出现代表着中国电动汽车的新突破。

新能源电动汽车有三大核心：动力电池，电驱和电控，其中，动力电池的主流目前仍是锂电池。采用钠离子电池作为动力电池，无异于给电动汽车换了一颗“心脏”，整台汽车的性能、质量以及可靠性都将受到影响。

不过，这颗“新心脏”的表现着实让人眼前一亮。数据显示，国内首台钠电池汽车的电池容量为25kWh，续航里程为250km，和锂电车存在一定的差距，但满足市区通勤问题不大。而且在快充方面，钠电池一次充电只需15~20分钟，反倒比锂电池提升不少！

从锂电池到钠电池

锂我们都知道，元素周期表的第I A族元素，原子核外最外层只有一个电子，化学性质活泼，室温下就能与水发生剧烈反应。把这样一种“生性顽劣”的金属引入到电池体系中，就必须配套使用非水电解质，设计成本高不说，安全性也是个大问题。

锂电池的设计源于1960~1970年代，当时世界正值石油危机，汽车、航空、军事、医药等领域急需寻找一种新的替代能源，新型电池成为了时下热点研究课题。但当时的铅酸电池、镍镉镍氢电池都无法满足高能量密度的需求，在铅、镍、镉以外的元素中，第三号元素“锂”因其广阔的开发前景而备受关注。

在元素周期表中，锂是序号最靠前、相对原子质量最小的金属，电极电势极低，做成电池后能满足更高的能量密度。锂电池还兼具体积小、电压高、能量转化率高、自放电小等多种优点。1970年，世界首个锂电池诞生，最初是采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料；经过技术升级，锂电池在90年代迅速占领了电子能源市场，不仅缓解了石油危机的燃眉之急，还在21世纪初扩散到了电动汽车领域。

现阶段，锂电池已成为新能源车的主流电池，循环寿命达500-1000次（磷酸铁锂可达8000次），比能量高达555Wh/kg，自放电却低至2%/月左右，远低于Ni-Cd的25-30%和Ni-MH的30-35%。但锂电池也有让人头疼的一面：地壳中的锂资源含量低，并且分布不均，我国锂矿主要依赖进口，原料供应存在“卡脖子”的风险。

高昂的原料价格导致锂电池制造成本飙升，这一痛点也给钠离子电池的发展带来了机遇。

相比于锂电池，钠电池有很多不可替代的优点，第一大优点就是资源丰度高。地壳中的钠元素储量丰富且分布广泛，质量分数占比达2.75%，而锂元素仅占0.0065%，二者相差400多倍。因此，用钠盐制作的电池具有无与伦比的成本优势。

钠电池的另一大优势是不会和铝箔发生反应，允许使用便宜的铝集流体降低成本。可制成双极性的钠离子电池，将正、负极材料涂布在同一张铝箔上，再用固体电解质隔离正、负极片，如此就能像堆积木一样进行周期性堆叠，提高性能表现。

至于钠电池能量密度较低的缺点，其实也不是没有回旋余地，可以通过调整电极材料的形貌、调节价位、利用掺杂、包袱手段和复合材料的改性手段来改善。

锂电池：为何会发生自燃？蜂窝电池技术让人意外

新能源汽车的安全问题，主要体现在电池上。自电动汽车问世以来，自燃、爆炸的事件屡见不鲜，其原因往往是锂离子电池的自燃所致。

2020年10月27日，一辆停放在北京北四环的新能源电动汽车因不明原因发生自燃爆炸。调查结果显示，电芯的供应商在生产中掺入了杂质，导致电池产生异常析锂，极端情况下或导致电芯短路，引发电池热失控并产生起火、爆炸的风险。

锂离子电芯的自燃：究竟是如何引发的？

从结构上看，电动汽车的动力电池主要由电芯和保护电路板组成，一枚电芯又由正极、负极、电解液以及隔膜组成，运行原理如下：

作为电池内部的核心元件，单独的一个电芯还不能直接使用，一组电芯首先需要按模板排列组合，再加上电路板和外壳，制成电池模块后才能作为成品电池使用，如下图所示。

在放电过程中，电池模块叠加了所有电芯的风险，而单一电芯自燃的原因主要有两种：

1，电池短路引发热失控。当电池材料中混入了其他金属杂质，或者隔膜表面出现导电粉尘、正负极错位、电解液分布不均等问题，都可能引发电池内部的短路。低温充电、大电流充电则会导致电芯负极表面出现“析锂”现象，产生尖锐且呈树枝状的锂晶体，刺破保护性隔膜而引发热失控。高热状态下，电芯内部的有机制电解液被分解，内部压力膨胀促使电池鼓包，电芯破裂，最终引发自燃。

2，过度充电引发电失控。锂离子电池在充电时，自由离子会从正极迁移至负极的石墨层，石墨的层间距为0.355nm，而锂离子的尺寸只有0.07nm，两层石墨可嵌入大量的含锂化合物。充满电后，负极（石墨）中储存的锂已达饱和状态。如果继续充电，正极释放的阳离子只能沉积在石墨的外侧，浓度不断积累，最终在表面析出金属单质，同样也会产生枝状晶体并刺穿隔膜，从而引发自燃、爆炸。

从电池的类型来看，新能源汽车主要采用三元锂或磷酸铁锂作为动力电池，其中，三元锂电池的续航能力更强，但其安全性不及磷酸铁锂，发生自燃事故的电池大部分都是这种类型。

三元锂电池：高镍化明显，为何会增加安全隐患？

三元锂电池的正极材料为镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂，负极材料为石墨，电解质是以六氟磷酸理为主的锂盐，其正极材料由镍、钴、锰/铝三种元素组成，所以得名“三元电池”。

其中，金属镍的主要作用是提升电池的能量密度，这也是实现高续航力的关键。比如：特斯拉研发的4680电池就采用了高镍811作为正极材料，其单体能量提升5倍，续航能力增加16%，功率输出提高了6倍。

三元锂电池表现出明显的高镍化趋势，但与此同时，镍的化学性质比较活泼，对温度反应敏感，高镍化也会导致电池的热稳定性变差，诱发自燃的可能性更高。

蜂窝电池技术：高镍电池和钠离子电池都适用，为何能阻止自燃？

所谓蜂窝电池，就是将一个个圆柱形的电芯按照蜂窝状的空槽结构排布，再通过外延包覆灌胶重组技术，设计成的一套电池。

该项技术既适用于高镍电池，也适用于新型的钠离子电池，它最大的优点是主打高安全性。

和大电芯电池相比，蜂窝电池做到了“化整为零”，即将大电芯做成多个单体容量更小的电芯，每个电芯由蜂窝结构隔绝，类似于一个个单独的小房间。即便其中一颗电芯发生故障，整个电池包也能保持相对完好。

首先，蜂窝电池采用了定向爆炸技术，当某个小电芯内部发生电流短路时，电芯只有上下两头会发生定向爆炸，而不会引发侧面爆炸和壳体的局部熔洞。

其次，整个电池包采用高强度的阻燃塑料，爆炸产生的热量被隔热材料尽数隔绝，不会影响到周围电芯的运行。

最后一道保险则是蜂窝电池的“机-电-热”的耦合系统。电控系统实时监测电池包的安全状态，一旦电芯发生定向爆炸，系统便立即开启智能温控，迅速降低电池包的温度，保证电池组稳定运行。

相比于大电芯设计，蜂窝电池显然更有利于避免“热失控”的情况发生，高比能、小容量的圆柱电池有效降低了电池包的自燃风险。可能有朋友会忍不住吐槽：这是靠牺牲续航换来的安全，实用性不高！

其实并不全对，抛开钠离子电池的续航短板不说，蜂窝电池实际也可采用高能量密度的电池，例如：高镍811的三元锂电池，其能量密度高达240Wh/kg，最高续航可达602km，可以说是兼顾了续航和安全。

20分钟充满电！钠离子电池优势明显

除了地壳中的原料储备更丰富、安全性更高外，钠离子电池的另一个优势就在于充电速度，常温下15分钟的充电量可达80%以上，20分钟就可充满电，而锂离子电池则需要30~60分钟才能充到80%，全部充满可能要花上2个小时。

钠电池的充电速度为何这么快？

这还要从充电原理说起。电池充电、放电的本质是阴阳离子在正、负两极的迁移，钠/锂离子电池的充电就是钠/锂离子由正极转移到负极的过程，放电过程相反。离子通过迁移改变自身的分布并产生电流，从而为外电路提供电能。

钠电池的快充秘诀就在于钠离子的溶剂化能比锂离子更低，在界面扩散的能力更强，速度也更快。在相同浓度的电解质中，钠盐比锂盐有更高的离子电导率，这意味着钠盐有更强的离子扩散能力。所以无论是充电还是放电，钠离子在正负两极的传输速度都比锂离子更快，倍率表现更好。

值得一提的是，钠电池在低温和高温条件下仍有不错的表现。研究表明，在零下40℃的低温条件下，钠离子电池仍能保持70%以上的容量；在80℃的环境中，电池组仍然可以循环充、放电使用，这同样也是锂电池的“硬伤”所在。

不过，钠电池也有自身的缺点。钠的离子半径较大，在电极材料中脱嵌时可能导致材料破裂，影响电极的完整性。和锂相比，钠的标准电极电位更高，能量密度较低，提供的动力有限，目前也只能先从A00级小型车开始普及，未来还有很长的一段路要走。

本站是提供个人知识管理的网络存储空间，所有内容均由用户发布，不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息，谨防诈骗。如发现有害或侵权内容，请点击一键举报。