《华夏教师》国家级 旬刊 教育类学术期刊
主办： 中国青年出版社
周期： 旬刊
ISSN： 2095-3267
CN： 10-1045/G4
期刊简介：《华夏教师》是由共青团中央主管，中国青年出版总社主办的国家级教育期刊。杂志对象主要面向中小学校长和各级教育界管理者，旨在为教育工作者和管理者提供国内外最新、最前沿的教育动态，剖析教育教学热点问题，展现学校教师风采而服务。 迄今为止，杂志全部内容已被中国知网、中国学术期刊网出版总库、维普网和本刊官网等系列数据库收录。
主要栏目：封面人物、热点聚集、三生动态、三生理论、三生感悟、管理纵横、校园巡礼、校长论坛、治校方略、华夏视点、教育改前沿、课堂心得、交流与经验、教学相长、教育探索、教育心理论坛、校园心理、问教天下等。
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ISSN： 2095-3267
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期刊简介：《华夏教师》是由共青团中央主管，中国青年出版总社主办的国家级教育期刊。杂志对象主要面向中小学校长和各级教育界管理者，旨在为教育工作者和管理者提供国内外最新、最前沿的教育动态，剖析教育教学热点问题，展现学校教师风采而服务。 迄今为止，杂志全部内容已被中国知网、中国学术期刊网出版总库、维普网和本刊官网等系列数据库收录。
主要栏目：封面人物、热点聚集、三生动态、三生理论、三生感悟、管理纵横、校园巡礼、校长论坛、治校方略、华夏视点、教育改前沿、课堂心得、交流与经验、教学相长、教育探索、教育心理论坛、校园心理、问教天下等。
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。
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。
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