钠离子电池最新Joule：工艺成本分析及其缓解措施

锂电联盟会长 2025-03-22 09:00 166浏览 0评论 0点赞

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第一作者：Mrigi Munjal

通讯作者：Kevin J. Huang教授

通讯单位：麻省理工学院

【成果简介】

钠离子电池 (SIBs) 有望成为锂离子电池 (LIBs) 在大规模储能领域中一种有前景且成本效益高的替代品，从而解决关键资源限制问题。然而，这需要切实可行且可工业化生产的方案，实现SIBs从实验室走向市场的转变。

对此，麻省理工学院Kevin J. Huang教授聚焦以成本效益高、可制造且可扩展的方式缓解其性能不足的问题，研究提升钠离子电池层状金属氧化物正极活性材料 (CAMs)性能的界面、形貌和体相干预措施。采用自然语言处理 (NLP) 和工艺成本建模，梳理了文献中报道的SIBs正极活性材料的挑战及其缓解方法，并估算了一组多样且具有代表性的缓解方法的制造成本。研究发现，添加牺牲盐是一种成本效益较高的方法，因为它材料成本低且对工艺改变小。相比之下，许多用于调整正极活性材料形貌的方法可能在规模化生产中面临挑战，主要由于工艺吞吐量和产率的限制。此外，体相改性可以缓解某些正极活性材料对水分的敏感性，这可能比在制造过程中扩大严格气氛控制更具成本效益。最后，研究讨论了在当前文献中电池报告现状下，工艺成本分析的局限性和潜力。

相关研究成果以“Process cost analysis of performance challenges and their mitigations in sodium-ion battery cathode materials”为题发表在Joule上。

【研究背景】

清洁能源转型对缓解气候变化意义重大，而能量存储技术，尤其是电池，对于管理可再生能源的间歇性至关重要。LIBs因其高能量密度和输出电压而广泛应用，但锂资源的稀缺性引发了对未来成本的担忧。SIBs作为替代品具有巨大潜力，钠资源丰富且SIBs可摆脱稀缺且昂贵的钴和镍。SIBs在电网储能中比LIBs更具成本效益，未来也可能在电动汽车领域与LIBs竞争。然而，SIBs的商业化受限于缺乏可扩展合成和加工途径。

电池可扩展性分析需考虑多种因素。成本建模对未来大规模制造成本的分析具有洞察力，但仅靠理论电池容量和简化工艺难以获得全面指导。结合文献中报道的具体材料、电池设计和工艺细节，包括电极添加剂和界面改性，可开发一种“案例研究”方法。这种方法能更准确反映实现实际电池性能所需的材料和工艺干预，尤其在评估存在诸多未解决挑战的新兴技术时，这些细节对于克服性能不足至关重要。

【研究内容】

为了评估SIBs的可扩展性，作者提出了一种结合成本建模和“案例研究”的方法。通过定制的材料合成成本模型估算制造成本，并利用NLP技术提取文献中的材料开发挑战及缓解策略，对这些信息进行编码和映射，以确定适合成本建模的案例。此外，还评估了非成本因素对材料可扩展性的影响。图1展示了识别和评估案例的框架。

图1. 确定和评估用于扩大分析的案例的框架。

成本建模和案例选择

构建一个包含SIBs正极材料相关文献的语料库，并开发一个基于BERT的定制语言模型，用于提取、分类导致SIB正极材料性能不足的挑战及缓解措施，并将其整合到可查询数据库中。通过降维地图展示了挑战与缓解措施的完整空间，为成本建模提供参考。与手动分析相比，NLP使任务更高效、全面和定量，同时结合专家指导以避免遗漏问题。选择定制BERT模型而非大型语言模型 (LLMs)，是因为它能更准确地提取具体信息，避免概括或臆造，满足后续分析需求。

图2. 挑战 (A) 和缓解 (B) 战略。

成本建模

通过构建一个灵活的基于过程的成本模型 (PBCM)，用于估算SIB的制造成本，重点关注正极材料的合成与加工。正极材料通常占据电池成本的约31%，但现有成本模型多将其成本视为固定输入。为此，建立了一个正极合成成本模型，将制造过程建模为一系列单元操作，结合固定成本、可变成本以及目标产量、物料平衡、吞吐量和工艺产率等约束条件，接受用户输入 (如单元操作、反应化学、化学计量和目标年产量) 并计算正极材料生产成本 (以$ kg⁻¹表示)。成本数据基于2022年数据或通过化学工程工厂成本指数 (CEPCI) 调整。计算得到的$ kg⁻¹进一步转换为正极材料对总电池成本的$ kWh⁻¹贡献，并与非正极组件成本($53.7 kWh⁻¹) 相加得到全电池成本。模型中，正极材料成本 (δ) 与全电池比容量 (β) 和标称电压 (NV) 相关，无全电池值时以半电池容量替代。

案例选择

以钠铁锰氧化物 (NFMO) 为案例，通过建立基线案例和约束实验条件，对不同文献报道的成本和可扩展性进行公平比较。基线案例采用固态合成的NFMO，选择类似电池测试条件 (如电压窗口、温度、倍率等) 以确保公平性。研究分析了多种工艺成本与性能提升的权衡，包括牺牲盐添加、形貌改性、体相改性等，并通过案例研究展示了不同策略的成本效益。结果显示，虽然缓解策略可显著提升性能，但需与实施成本进行量化权衡。此外，当前案例选择受限于文献中缺乏标准化，但所用方法同样可用于挖掘潜在的高效解决方案。

图3. 成本建模比较。

添加剂和表面改性

研究探讨了NaN₃、Na₃P和Na₂C₄O₄三种牺牲盐对钠离子电池性能的影响。NaN₃可显著提升电池可逆容量，添加10wt%时容量提升60%，20wt%时提升更显著，且成本增加有限，对整体制造成本 (以$ kWh⁻¹计) 降低有利。Na₃P虽成本效益高，但因在空气中无法安全处理，无法作为可扩展选项。Na₂C₄O₄循环寿命和安全性好，但材料成本高，性能提升不明显，制造成本 ($80-84 kWh⁻¹) 高于基线NFMO ($68.7 kWh⁻¹)。综合来看，NaN₃因成本效益和较好性能，在规模化合成中最具潜力。

图4. 牺牲盐添加剂。

形貌调控

探讨了层状金属氧化物 (LMOs) 的形态对其性能的影响，发现其性能不佳多因形态问题，而静电纺丝和共沉淀法等合成路线可改善其形态。通过对比静电纺丝纳米纤维、共沉淀纳米颗粒和固态合成宏观颗粒，发现纳米纤维和纳米颗粒在高倍率性能和比容量方面优于宏观颗粒。然而，静电纺丝纳米纤维生产速度低、成本高，难以大规模生产。共沉淀法生产的纳米颗粒在性能和成本上均优于固态合成，适合大规模生产。研究还指出，实验室规模的电池研究与制造规模存在脱节，一些受产量限制的合成方法在研究中频繁出现，这与工业中低成本、可扩展的过程形成对比。

图5. 形貌处理。

体相修饰

探讨了SIBs中LMOs的体相改性方法，特别是通过掺杂和替换提高其抗潮性能。研究发现，某些LMOs (如P2型) 对空气湿度更敏感，暴露在潮湿空气中会导致钠离子层间位点被水分子占据，降低可逆容量和循环性能。通过对比富含锰的NFMO变体(Na_0.59Fe_0.13Mn_0.87O₂) 与基础化学成分，发现抗潮的富锰变体虽成本略高，但具有更高的循环寿命和容量 (约180 mAh g⁻¹)，且在生产过程中减少对干燥间条件的依赖，其每千瓦时成本为61.1美元，低于实施干燥间控制的敏感化学成分 (65美元 kWh⁻¹)。研究还指出，无潮气环境虽能提高材料稳定性，但可能增加额外成本，且并非所有材料都适用。此外，抗潮材料通常具有更长循环寿命，这在成本计算中常被忽视。本研究强调材料选择对加工和设备要求的影响，并指出在放大生产时，隐藏的下游复杂性可能导致意外成本和挑战。

图6. 潮湿敏感。

本研究发现SIBs大规模生产面临诸多挑战。首先，实验室工艺和设备难以直接转化为大规模生产，且实验室条件多为方便起见，而非最优，导致工艺时间或温度过度，降低生产效率，增加成本。其次，现有成本模型以$ kWh⁻¹衡量制造成本，未捕捉循环寿命等关键性能指标差异，且缺乏统一的电池测试和报告标准，限制了对广泛研究的准确比较。例如，不同测试条件下的电池容量值无法直接比较，掩盖了工艺变量对性能和成本的实际影响。尽管如此，技术经济分析仍具价值。机器学习工具可在缺乏标准化的情况下，快速筛选可比较的研究文献子集。此外，更多“案例研究”式经济分析可能推动实验人员向统一的电池设计和测试范式发展。随着电池基准测试和报告标准的推进，工艺成本建模的能力也将增强。

图7. 文献的可变性。

【结论展望】

综上所述，本研究通过NLP技术大规模分析SIBs领域的文献，提取研究人员面临的挑战及解决方案。研究发现，材料添加剂 (如牺牲性盐) 是提升SIB性能的有效可扩展途径，但许多实验室合成方法因工艺速度和可变性限制，难以大规模生产。在缓解NFMO水分敏感性方面，整体干预措施 (如掺杂或成分调整) 优于调整适应加工线的方法。本研究强调，基于文献中特定材料-工艺-性能组合的案例分析，可为实验路径提供更详细的可扩展性指导。然而，要充分发挥此类分析的潜力，电池设计和测试需要更高程度的协调统一。总体而言，本研究为钠离子电池的性能提升和成本控制提供了有价值的见解，并强调了在规模化生产中寻找可行解决方案的重要性。

来源：能源学人

【文献信息】

Mrigi Munjal, Thorben Prein, Mahmoud M. Ramadan, Hugh B. Smith, Vineeth Venugopal, Jennifer L.M. Rupp, Iwnetim I. Abate, Elsa A. Olivetti, Kevin J. Huang^*,Process cost analysis of performance challenges and their mitigations in sodium-ion battery cathode materials,Joule, https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101871

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