宁德钠电池深度分析:续航330km,15.99万的特斯拉Model 3你会买吗?
众所周知,目前最主流的电池是锂离子电池,原因有很多,比如锂最轻,以及锂可以形成最高的电池电压。但锂的缺点也很明显:地球上的储量太少,因此价格很高。于是,钠离子电池的概念应运而生。

钠离子电池并不是新鲜概念。早在20世纪70年代就有类似的概念提出,毕竟这个思路太自然不过了——钠和锂是最接近的碱金属元素,而且钠在地球上的储量实在非常多,这个看看家里的盐罐子就知道。

但是钠也存在一些与锂不同的性质:钠比锂的电位稍微“正”了一点,因此电池的能量密度会降低一点;

(从这张图里还可以看到其他有研究潜力的电池体系,如钾离子电池,钙离子电池,镁离子电池等)

另外,钠比锂的原子尺寸也大了一点,也重了一点。

也因此导致了锂离子与钠离子电池的诸多不同。

首先是两者使用的材料不同。由于原子尺寸大了一点,容易卡在材料内部出不来,可以供锂离子存储的正负极材料通常无法供钠离子使用。因此关键在于开发新体系的正负极材料,正如宁德时代董事长曾毓群所说,“有人在议论,电池的化学体系已经很难创新了,只能在物理结构上做些改进;我们认为电化学的世界,就像能量魔方,未知远远大于已知,我们乐此不疲地探索其中的奥秘。” 在这里,也对这些孜孜不倦研发材料的科学家和工程师们表达我们的敬意。

在多种钠离子电池用正极材料体系中,宁德时代选择了“普鲁士白”体系。这类材料具有克容量较高,不含贵重金属因此价格很低,以及电压平台很高等优点:

可见材料为白色粉末状。

Mn掺杂使得材料电压平台(相对于钠金属)高达3.7V,有助于实现电池的高能量密度

但其缺点也很明显:其本身的晶体结构不是很稳定,会在循环中发生结构变化,导致循环容量衰减;同时,普鲁士白材料难以完全去除结晶水,会在循环中发生水与负极的副反应,引起电池产气。从某种意义上来说,由于结晶水恰恰是稳定普鲁士白晶体结构的关键,这两个缺点难以同时解决,如何平衡这两个问题,就成为了钠离子电池应用的关键。

也正因此,此前基本没有厂商发布过循环可超过千次的普鲁士白类正极材料。宁德时代自称解决了这个问题,其通过材料计算方法进行了大量尝试后对实验方向进行了指导。至于其所使用的具体途径,包括材料表面修饰和体相的改进,可以通过查阅其近期专利寻找线索。宁德时代此次发布的克容量160mAh/g与磷酸铁锂材料的克容量接近。但发布会并未提及电池循环寿命,因此还有待进一步了解。

钠电的负极材料也与锂离子电池不同。绝大多数锂离子电池之所以使用石墨作为负极材料,是因为锂离子可以与石墨形成LiC6结构的稳定插层化合物。但石墨无法用于钠电:其无法与钠形成稳定结构的化合物(这并非是由于钠离子尺寸比锂离子大,因为令人费解的是,比钠离子更大的钾离子却可以与石墨良好兼容,其中的原因尚未得到解释)。

因此,钠电的负极材料研究共识为采用另一些层间距更大的碳材料,如中科海钠发布的无烟煤基,以及此次宁德时代发布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同时实现了与石墨接近的克容量(350mAh/g)发挥,同时由于层间距较大等因素,原子可以快速进出层间,使得电池快充与低温充放电成为可能。

硬碳储存钠的优势就在于其晶面间隙大,缺陷位置较多,因此可以容纳较多的钠。同时作为碳材料之一与石墨工艺接近,也因此成为了最主流的钠电负极材料:

但实际上硬碳是一个比石墨门类广泛得多的领域(所谓硬碳,即由于碳材料结构混乱,高温烧结仍然不会形成石墨的层状结构,如上图。无烟煤基碳材料本质上也可以归类为硬碳),此次发布会实际上并未透露所使用硬碳的具体信息。此外,由于硬碳材料较低的首次库伦效率,会导致电池的容量低于同等条件下的锂离子电池。

电解液语焉不详。其可能与锂离子电池使用的电解液差别不大,不过对于特殊的正负极材料需要使用特殊的添加剂及溶剂,以避免发生正极材料溶出等问题。

其余,隔离膜,壳体,集电体等结构可以与锂离子电池相同。也因此,钠离子电池可以使用与锂离子电池接近的工艺路线进行生产,降低了工艺开发与设备改造的相应成本。这里还有钠离子电池的另一个特点:由于锂会与铝箔发生反应引起合金化,因此锂离子电池负极必须使用耐还原的铜作为集电体,而铜的密度是铝的三倍多,增加了电池的重量同时提高了电池成本。钠电中则不会有此问题,正负极都可以使用更轻更廉价的铝作为集电体,也有助于提升电池重量能量密度并降低成本。

其次,至于锂电、钠电混用的BMS,个人认为其更接近于模组层面的并联,通过控制充放电模式来分别对锂电或钠电模组进行控制。否则,由于锂电与钠电的不一致,会导致系统难以稳定工作。

综上分析,如果宁德时代的发布会内容为真实的,则其确实将钠离子电池商用化推进了一步,但即使是从最基础的材料层面分析,仍然远不足以称其为一个成熟可用的体系。其优点在于,由于使用正负极材料容量均与磷酸铁锂电池类似,因此可以将其视为一种 “成本较低,容量稍低,能量密度稍低,循环性能未提供数据”的低成本磷酸铁锂电池,其优异的低成本优势可在中低端领域发挥特长,取代锂离子电池。但不足之处仍然很多而且短期内难以克服,如循环性能尚不清楚,能量密度仍然较低等,可认为其短时间内可能会应用于两轮电动车等产品,而在电动汽车及储能等应用尚需要进一步完善。这也就解释了为何此次发布的电池包括圆柱电池和硬壳电池。

另外此次宁德时代仅透露了其电池的能量密度为160Wh/kg,却并未提及另一个同样重要的指标:体积能量密度。

由于汽车尺寸的限制,电池包的体积能量密度越高则可以容纳更大容量的电池。这也是比亚迪发布刀片电池和宁德时代发布CTP电池的原因:通过省去电池的模组结构提高电池的体积利用率。也正因此,比亚迪高调宣传其刀片电池可以实现体积能量密度提高50%(280Wh/L)的巨大优势。

而这恰恰是钠离子电池的另一个巨大短板所在:由于所用材料普鲁士白(1.8g/cm3)与硬碳材料(1g/cm3)的压实密度都远低于磷酸铁锂(2.4g/cm3)与石墨(1.7g/cm3)等材料,同时使用了更轻但更厚的铝箔作为负极集电体,因此相同容量下电池的体积会远大于锂离子电池,粗略计算有磷酸铁锂电池的1.4倍左右(同体积容量是锂离子电池的70%)。

这一点是由所使用材料体系决定的,因此短期内无解决的迹象。

以model3为例子,其NEDC里程为468km,若全部更换为钠离子电池,其里程会下降到约327.6km左右,考虑到冬季加热需求,冬季续航可能仅剩262.8km。但同样地,其电芯的BOM成本也能降低约20%。

我们按照目前最新的电芯成本来看,方形磷酸铁锂的价格为617元/kwh,特斯拉Model 3标准续航升级版55度电芯的成本为33935元,如替换成钠离子电池,电量按照70%计算为38.5kwh,成本降低20%为493.6元/kwh,实际成本下降到19003.6元。(降低14931.4元)

——这么看来,假设把当前Model 3的电池改为钠离子电池,我们可以获得一台22.09万,续航330km的model3,再考虑到这台车的续航和标准续航版相比差异实在太大,以及特斯拉一直有大约20%的卖车毛利,所以这台车特斯拉牺牲下毛利,是可以做到19.99万的。

而根据很多专业机构的预测,随着特斯拉第二工厂的建立、产能进一步扩大,标准续航版车型价格一定会降到19.99万。

届时按照特斯拉一贯的定价体系,如果有钠离子电池的车型,这款车或许可以打到15.99万的区间去。

——那么一台15.99万,春秋续航330km,冬季续航260km和标准版差不多的特斯拉,你会购买吗?

这些数据或许暗示着,钠离子电池最终的大规模应用可能在于储能。或许未来,我们在用电高峰期使用的电能,就会有相当一部分由这些臃肿但廉价的钠离子电池提供。

对于此次钠离子电池的发布,我们的观点是:请宁德时代提供电池的循环数据,同时提供的电池的体积能量密度数据,然后做进一步分析。

#育儿#
#用欣赏的眼光看待孩子#

Work from home的日子。

现代人的工作肯定离不开电子表格。比如我,今天遇到一个公式不太确定怎样使用,于是大声向哥哥求助。结果俩小子都跑了过来。弟弟先凑过头,于是我开口问他可不可以帮我写个formula ,自动算出这个cell 的值?小儿子俨然第一次听说excel还可以这样玩,睁大眼睛说:“你确定可以在不同的file做出来?” 小儿子平时不太接触excel, 反而很喜欢做PPT, 而且都是动感的,非常酷。

而哥哥运用电子表格的娴熟程度远好过天天都在使用的我。最开始几次我问他怎样写formula时, 即使他从来没用过,也会自己去研究一下,然后都能很快帮我搞定。弟弟在这方面跟哥哥的差距是很远的。昨天晚上他坐在哥哥旁边,看哥哥写编码。我趁机对他说,“唉,你是不是想跟哥哥学编程啊?” 结果他斩钉截铁的说:“no!我不喜欢编程,very bored”。看来弟弟肯定不会走理工男的路线了。

两个孩子各个方面的差别都很大。作为父母,我们没有特意用不同的方法去培养他们,结果在性格特质,兴趣爱好和特长方面却有天壤之别。就像每次从老师的评语中就知道哥哥是一个学霸级的孩子,同时谦虚又踏实。 而弟弟呢,老师的评语大多都是这孩子人缘特别好,所有老师同学都特别喜欢他,阳光,开朗而且勤学好问。老师也多次强调发展他在leadership方面的能力。小儿子的确有点万人迷的特质。我记得很清楚,他小时候上childcare的时候, 如果有几天没去学校,等他再去的时候,几乎全班同学都在窗口,门口探出头来或是挥起小手,兴奋的喊他的名字,可见他的受欢迎程度。

两个孩子的性格大相径庭。哥哥通常被我说是不太食人间烟火,不接地气,但是他有他的好处,他很专注自己喜欢的事情,不在意别人怎样评价和议论他。而弟弟就显得特别会察言观色,随机应变,所以时常享受到别人对他的褒奖。作为父母,重要的是我们清楚弟弟的讨喜是发自他天然的对人际关系敏感的能力,他不是为了讨好别人而为之,而是自然散发出来的个性特质,而他本身也享受这种性格带给他的荣誉和赞美。

哥儿俩都在做真实的自己,并都以自然的心态面对外部真实的评价。单就这点,足以让身为父母的我们感到欣慰了。

依天性培养,每个孩子都是天使。

005那池塘,那阳光
——瞿代之
走上教育岗位已经26年了,在26年里我经历了很多温馨阳光,雾霭迷茫,急风骤雨,东风浩荡......但始终忘不了:那池塘,那阳光。
刚刚参加工作的时候,我被分配到一个偏远的小山村。那里的教室破破烂烂,桌椅破破烂烂,甚至连黑板都是破破烂烂的。所幸学校外面紧邻着一个很大的池塘,池塘南北有两个不算太高山寨,东边有一片长满野草的荒地,西边一马平川,可以看得很远很远。我不想让孩子们待在破烂的教室,坐着破烂的桌椅,看着破烂的黑板。于是早上的时候,我让孩子们拿着书,或站或坐或躺,在池塘的一边早读。我则坐在另一边,欣赏着朝霞和阳光,看着孩子们红润的笑脸,倾听着他们那犹如天籁之音的朗朗书声……下午的时候,我又把孩子们放出教室,让他们在池塘边的荒地上唱歌、摔跤、赛跑、踢毽子……阳光照着绿茵茵的草地,照在孩子们的笑脸上,加上地上晃动的影子,空中飘荡的欢乐,构成了我一生难以忘怀的教育画面……
十年过去了,我由一位村小教师,当上了中心校的中层干部,当过了副校长,成了片区教办的一名教研员。那时的我时常坐在属于自己的办公室,在昏暗中,在寂静中看着永远看不完的文件,做着永远做不完的行政工作,写着永远写不完的材料……突然有一天,一个叫小兰的学生走进了我的办公室,兴奋地说:“瞿老师,我终于找到你了。我听说你调到了中心校,又调到了教办,于是一路找过来。我好喜欢你在村小时带我们到池塘边读书、唱歌、跑步的情景……”听了她这番话,我不再为自己拥有了单独的办公室,拥有了羡慕的眼光和更高的收入而自以为是了。因为作为一位教育人,在拥有那些的时候,我失去了那池塘,那阳光;我失去了那份活力,那份欢愉;我失去了像诗一样美丽的过去……
又过了十年,我从一名教研员当上了一所农村初中学校的校长,又当上了一所城市学校的校长。经历了校长的烦躁,于是觉得该返璞归真了。2018年11月便以优秀教师的身份引进到成都高新滨河学校,如愿地当上了一位普通的老师。本以为又可以邂逅那久违的池塘和那久违的阳光。可城市学校家长的焦虑,学校的焦虑,老师的焦虑和学生的焦虑已经如一重重迷雾,让我找不到池塘的方向,已经如一片片乌云,让我看不到阳光的影子。看着家长们的惆怅,看着领导们的严肃,看着老师们的忙碌,看着孩子们的疲惫......我只能时常眺望那小山村,仿佛可以穿越空间,穿越时间,看到20多年前那池塘,那阳光,看到那跳动的影子,欢乐的笑脸,听到那悠悠的歌声和朗朗书声……
去的尽管去了,来的陆续来着。作为一名有情怀的教师,作为一名被引进到成都的优秀教师,我不能只生活在过去教育的美好里,我应该在回味那池塘,那阳光时,把新的池塘,新的阳光带给现在的孩子们。
我一定要把幽默带进课堂,不然那40分钟就太没味道了,孩子们不会喜欢;我一定要把宽容带进课堂,不然那40分钟就太紧张了,孩子们不会喜欢;我一定要把深邃带进课堂,不然那40分钟就太浅俗了,孩子们不会喜欢……于是在我的语文课上,总有表扬飘荡,总有班币飞扬,总有安静的思考,总有激烈的辩论,总有成功的体验,总有欢乐的笑脸。我喜欢在阅读课的时候,带着孩子们到开放书吧读书,喜欢看他们坐在那里安静阅读的样子;我喜欢在班队课的时候,组织他们进行体育比赛,喜欢看他们奋力拼搏的样子;我喜欢在作文课的时候,让他们分享自己的自由作文,喜欢看他们被同学的作文笑得前俯后仰的样子……于是我们有了快乐的班级运动会,有了精彩的班级阅读分享活动,有了我们期待的作文周刊......两年多的时间里,我们还编撰了一本作文集《六三班的童年》和一本小说集《苔花》,记录了孩子们或欢乐,或忧郁,或紧张,或舒适的童年。就这样,我把滨河学校的教室和操场化为了新的池塘,把语文课的幽默、包容和深刻化为了新的阳光,伴着孩子们一起快乐、健康成长。
毕业的时候,有个叫张仁通的孩子,悄悄地把一套《菜根谭》的书放在了我的办公室。我知道这套书对一位农村来的随迁子女来说价值不菲,我本应该退还给他的,但是我没有。因为我知道他在我组织的作文分享课上,充分表现出了自己幽默作文的特长,赢得了同学们的掌声和尊重,他被尊为了六三班的“作文大王”。而这些掌声、尊重和尊称是他小学六年从未体验过的,他内心对我的感激我是能体会到的。他只是想用这份“厚礼”来表达他对我厚重的感激,我怎能不领他这片纯净的感情。每当看到这套书时,我都会想到张仁通,我多么希望他在新的学校也能够赢得掌声和尊重。我相信,他也时常在回味六三班作文分享的快乐时光……
现在的教育特别需要那池塘,那阳光。教师的天职就是要为孩子们创造那池塘,那阳光。只要我们有理想信念,有道德情操,有扎实学识,有仁爱之心,那池塘,那阳光就会与我们的教育人生如影随行,让孩子们快乐健康,让我们的教育生命熠熠煌煌!


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