國內(nèi)首臺用鈉離子電池提供動力的A00級試驗車公開亮相，它的出現(xiàn)代表著中國電動汽車的新突破。

新能源電動汽車有三大核心：動力電池，電驅(qū)和電控，其中，動力電池的主流目前仍是鋰電池。采用鈉離子電池作為動力電池，無異于給電動汽車換了一顆“心臟”，整臺汽車的性能、質(zhì)量以及可靠性都將受到影響。

不過，這顆“新心臟”的表現(xiàn)著實讓人眼前一亮。數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)首臺鈉電池汽車的電池容量為25kWh，續(xù)航里程為250km，和鋰電車存在一定的差距，但滿足市區(qū)通勤問題不大。而且在快充方面，鈉電池一次充電只需15~20分鐘，反倒比鋰電池提升不少！

從鋰電池到鈉電池

鋰我們都知道，元素周期表的第I A族元素，原子核外最外層只有一個電子，化學(xué)性質(zhì)活潑，室溫下就能與水發(fā)生劇烈反應(yīng)。把這樣一種“生性頑劣”的金屬引入到電池體系中，就必須配套使用非水電解質(zhì)，設(shè)計成本高不說，安全性也是個大問題。

鋰電池的設(shè)計源于1960~1970年代，當(dāng)時世界正值石油危機(jī)，汽車、航空、軍事、醫(yī)藥等領(lǐng)域急需尋找一種新的替代能源，新型電池成為了時下熱點(diǎn)研究課題。但當(dāng)時的鉛酸電池、鎳鎘鎳氫電池都無法滿足高能量密度的需求，在鉛、鎳、鎘以外的元素中，第三號元素“鋰”因其廣闊的開發(fā)前景而備受關(guān)注。

在元素周期表中，鋰是序號最靠前、相對原子質(zhì)量最小的金屬，電極電勢極低，做成電池后能滿足更高的能量密度。鋰電池還兼具體積小、電壓高、能量轉(zhuǎn)化率高、自放電小等多種優(yōu)點(diǎn)。1970年，世界首個鋰電池誕生，最初是采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料；經(jīng)過技術(shù)升級，鋰電池在90年代迅速占領(lǐng)了電子能源市場，不僅緩解了石油危機(jī)的燃眉之急，還在21世紀(jì)初擴(kuò)散到了電動汽車領(lǐng)域。

現(xiàn)階段，鋰電池已成為新能源車的主流電池，循環(huán)壽命達(dá)500-1000次（磷酸鐵鋰可達(dá)8000次），比能量高達(dá)555Wh/kg，自放電卻低至2%/月左右，遠(yuǎn)低于Ni-Cd的25-30%和Ni-MH的30-35%。但鋰電池也有讓人頭疼的一面：地殼中的鋰資源含量低，并且分布不均，我國鋰礦主要依賴進(jìn)口，原料供應(yīng)存在“卡脖子”的風(fēng)險。

高昂的原料價格導(dǎo)致鋰電池制造成本飆升，這一痛點(diǎn)也給鈉離子電池的發(fā)展帶來了機(jī)遇。

相比于鋰電池，鈉電池有很多不可替代的優(yōu)點(diǎn)，第一大優(yōu)點(diǎn)就是資源豐度高。地殼中的鈉元素儲量豐富且分布廣泛，質(zhì)量分?jǐn)?shù)占比達(dá)2.75%，而鋰元素僅占0.0065%，二者相差400多倍。因此，用鈉鹽制作的電池具有無與倫比的成本優(yōu)勢。

鈉電池的另一大優(yōu)勢是不會和鋁箔發(fā)生反應(yīng)，允許使用便宜的鋁集流體降低成本?？芍瞥呻p極性的鈉離子電池，將正、負(fù)極材料涂布在同一張鋁箔上，再用固體電解質(zhì)隔離正、負(fù)極片，如此就能像堆積木一樣進(jìn)行周期性堆疊，提高性能表現(xiàn)。

至于鈉電池能量密度較低的缺點(diǎn)，其實也不是沒有回旋余地，可以通過調(diào)整電極材料的形貌、調(diào)節(jié)價位、利用摻雜、包袱手段和復(fù)合材料的改性手段來改善。

鋰電池：為何會發(fā)生自燃？蜂窩電池技術(shù)讓人意外

新能源汽車的安全問題，主要體現(xiàn)在電池上。自電動汽車問世以來，自燃、爆炸的事件屢見不鮮，其原因往往是鋰離子電池的自燃所致。

2020年10月27日，一輛停放在北京北四環(huán)的新能源電動汽車因不明原因發(fā)生自燃爆炸。調(diào)查結(jié)果顯示，電芯的供應(yīng)商在生產(chǎn)中摻入了雜質(zhì)，導(dǎo)致電池產(chǎn)生異常析鋰，極端情況下或?qū)е码娦径搪罚l(fā)電池?zé)崾Э夭a(chǎn)生起火、爆炸的風(fēng)險。

鋰離子電芯的自燃：究竟是如何引發(fā)的？

從結(jié)構(gòu)上看，電動汽車的動力電池主要由電芯和保護(hù)電路板組成，一枚電芯又由正極、負(fù)極、電解液以及隔膜組成，運(yùn)行原理如下：

作為電池內(nèi)部的核心元件，單獨(dú)的一個電芯還不能直接使用，一組電芯首先需要按模板排列組合，再加上電路板和外殼，制成電池模塊后才能作為成品電池使用，如下圖所示。

在放電過程中，電池模塊疊加了所有電芯的風(fēng)險，而單一電芯自燃的原因主要有兩種：

1，電池短路引發(fā)熱失控。當(dāng)電池材料中混入了其他金屬雜質(zhì)，或者隔膜表面出現(xiàn)導(dǎo)電粉塵、正負(fù)極錯位、電解液分布不均等問題，都可能引發(fā)電池內(nèi)部的短路。低溫充電、大電流充電則會導(dǎo)致電芯負(fù)極表面出現(xiàn)“析鋰”現(xiàn)象，產(chǎn)生尖銳且呈樹枝狀的鋰晶體，刺破保護(hù)性隔膜而引發(fā)熱失控。高熱狀態(tài)下，電芯內(nèi)部的有機(jī)制電解液被分解，內(nèi)部壓力膨脹促使電池鼓包，電芯破裂，最終引發(fā)自燃。

2，過度充電引發(fā)電失控。鋰離子電池在充電時，自由離子會從正極遷移至負(fù)極的石墨層，石墨的層間距為0.355nm，而鋰離子的尺寸只有0.07nm，兩層石墨可嵌入大量的含鋰化合物。充滿電后，負(fù)極（石墨）中儲存的鋰已達(dá)飽和狀態(tài)。如果繼續(xù)充電，正極釋放的陽離子只能沉積在石墨的外側(cè)，濃度不斷積累，最終在表面析出金屬單質(zhì)，同樣也會產(chǎn)生枝狀晶體并刺穿隔膜，從而引發(fā)自燃、爆炸。

從電池的類型來看，新能源汽車主要采用三元鋰或磷酸鐵鋰作為動力電池，其中，三元鋰電池的續(xù)航能力更強(qiáng)，但其安全性不及磷酸鐵鋰，發(fā)生自燃事故的電池大部分都是這種類型。

三元鋰電池：高鎳化明顯，為何會增加安全隱患？

三元鋰電池的正極材料為鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰，負(fù)極材料為石墨，電解質(zhì)是以六氟磷酸理為主的鋰鹽，其正極材料由鎳、鈷、錳/鋁三種元素組成，所以得名“三元電池”。

其中，金屬鎳的主要作用是提升電池的能量密度，這也是實現(xiàn)高續(xù)航力的關(guān)鍵。比如：特斯拉研發(fā)的4680電池就采用了高鎳811作為正極材料，其單體能量提升5倍，續(xù)航能力增加16%，功率輸出提高了6倍。

三元鋰電池表現(xiàn)出明顯的高鎳化趨勢，但與此同時，鎳的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，對溫度反應(yīng)敏感，高鎳化也會導(dǎo)致電池的熱穩(wěn)定性變差，誘發(fā)自燃的可能性更高。

蜂窩電池技術(shù)：高鎳電池和鈉離子電池都適用，為何能阻止自燃？

所謂蜂窩電池，就是將一個個圓柱形的電芯按照蜂窩狀的空槽結(jié)構(gòu)排布，再通過外延包覆灌膠重組技術(shù)，設(shè)計成的一套電池。

該項技術(shù)既適用于高鎳電池，也適用于新型的鈉離子電池，它最大的優(yōu)點(diǎn)是主打高安全性。

和大電芯電池相比，蜂窩電池做到了“化整為零”，即將大電芯做成多個單體容量更小的電芯，每個電芯由蜂窩結(jié)構(gòu)隔絕，類似于一個個單獨(dú)的小房間。即便其中一顆電芯發(fā)生故障，整個電池包也能保持相對完好。

首先，蜂窩電池采用了定向爆炸技術(shù)，當(dāng)某個小電芯內(nèi)部發(fā)生電流短路時，電芯只有上下兩頭會發(fā)生定向爆炸，而不會引發(fā)側(cè)面爆炸和殼體的局部熔洞。

其次，整個電池包采用高強(qiáng)度的阻燃塑料，爆炸產(chǎn)生的熱量被隔熱材料盡數(shù)隔絕，不會影響到周圍電芯的運(yùn)行。

最后一道保險則是蜂窩電池的“機(jī)-電-熱”的耦合系統(tǒng)。電控系統(tǒng)實時監(jiān)測電池包的安全狀態(tài)，一旦電芯發(fā)生定向爆炸，系統(tǒng)便立即開啟智能溫控，迅速降低電池包的溫度，保證電池組穩(wěn)定運(yùn)行。

相比于大電芯設(shè)計，蜂窩電池顯然更有利于避免“熱失控”的情況發(fā)生，高比能、小容量的圓柱電池有效降低了電池包的自燃風(fēng)險?？赡苡信笥褧滩蛔⊥虏郏哼@是靠犧牲續(xù)航換來的安全，實用性不高！

其實并不全對，拋開鈉離子電池的續(xù)航短板不說，蜂窩電池實際也可采用高能量密度的電池，例如：高鎳811的三元鋰電池，其能量密度高達(dá)240Wh/kg，最高續(xù)航可達(dá)602km，可以說是兼顧了續(xù)航和安全。

20分鐘充滿電！鈉離子電池優(yōu)勢明顯

除了地殼中的原料儲備更豐富、安全性更高外，鈉離子電池的另一個優(yōu)勢就在于充電速度，常溫下15分鐘的充電量可達(dá)80%以上，20分鐘就可充滿電，而鋰離子電池則需要30~60分鐘才能充到80%，全部充滿可能要花上2個小時。

鈉電池的充電速度為何這么快？

這還要從充電原理說起。電池充電、放電的本質(zhì)是陰陽離子在正、負(fù)兩極的遷移，鈉/鋰離子電池的充電就是鈉/鋰離子由正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極的過程，放電過程相反。離子通過遷移改變自身的分布并產(chǎn)生電流，從而為外電路提供電能。

鈉電池的快充秘訣就在于鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，在界面擴(kuò)散的能力更強(qiáng)，速度也更快。在相同濃度的電解質(zhì)中，鈉鹽比鋰鹽有更高的離子電導(dǎo)率，這意味著鈉鹽有更強(qiáng)的離子擴(kuò)散能力。所以無論是充電還是放電，鈉離子在正負(fù)兩極的傳輸速度都比鋰離子更快，倍率表現(xiàn)更好。

值得一提的是，鈉電池在低溫和高溫條件下仍有不錯的表現(xiàn)。研究表明，在零下40℃的低溫條件下，鈉離子電池仍能保持70%以上的容量；在80℃的環(huán)境中，電池組仍然可以循環(huán)充、放電使用，這同樣也是鋰電池的“硬傷”所在。

不過，鈉電池也有自身的缺點(diǎn)。鈉的離子半徑較大，在電極材料中脫嵌時可能導(dǎo)致材料破裂，影響電極的完整性。和鋰相比，鈉的標(biāo)準(zhǔn)電極電位更高，能量密度較低，提供的動力有限，目前也只能先從A00級小型車開始普及，未來還有很長的一段路要走。