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锂离子电池和钠离子电池在核心材料上的其中一个关键区别:钠离子电池既可以用铜箔做负极集流体,也可以用更便宜的铝箔,而锂电池的负极必须使用铜箔。
为什么会有这个区别,以及这对钠离子电池的成本意味着什么。
1. 锂离子电池为什么负极必须用铜箔?
这背后的核心原因是 “合金化反应” 和 “电化学电位”。
合金化反应问题: 在低电位(约0.1V vs. Li+/Li)下,锂金属会与铝发生合金化反应,生成锂铝合金。这个反应会破坏铝箔的结构,导致集流体粉化、腐蚀,从而使得电池失效。
电化学电位窗口: 锂离子电池的负极(通常是石墨)的工作电位正好处于铝会发生合金化反应的电位区间内。
因此,铜成为了唯一的选择,因为铜在低电位下非常稳定,不会与锂发生合金化反应。
2. 钠离子电池为什么负极可以用铝箔?
同样,原因也在于上述两点:
无合金化反应: 钠与铝在低电位下不会形成合金。或者说,形成合金的电位远低于钠离子电池负极的工作电位。
更高的负极工作电位: 钠离子电池常用的硬碳负极,其工作电位(约0.3-0.6V vs. Na+/Na)相对较高,处于铝的稳定区间内。铝在这个电位下可以保持电化学惰性。
成本影响:铜箔成本较高(约比铝箔贵一倍多) ,成本和重量,也是优势之一。
这对钠离子电池意味着什么?
能够使用铝箔作为负极集流体,是钠离子电池相对于锂离子电池的一个显著成本和材料优势:
1. 成本降低: 铝的价格远低于铜,这直接降低了电池的制造成本。
2. 重量减轻: 铝的密度比铜小,有助于减轻电池的重量,提升能量密度。
3. 工艺简化: 正负极都可以使用铝箔,在某些生产环节上可以简化工艺。
锂电池用铜箔吗? 是的,而且是必须的。
钠离子电池用铜箔吗? 可以,但不是必须的。
在实际的商业化生产中,为了最大化成本优势,钠离子电池的负极通常会选择使用铝箔,而不是铜箔。
这个关键的材料差异,是钠离子电池能够成为低成本、大规模储能领域有力竞争者的重要原因之一。