封面报道|钠离子电池争雄
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2022-08-13 15:57:43
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封面报道|
钠离子电池争雄原创武魏楠
能源新媒
2022-08-10 18:26
发表于江苏在锂资源争夺日益激烈的当下，在技术上与锂电池一脉相承的钠离子电池，正在重新走入人们的视野。文|
本刊记者武魏楠2019年
10
月9
日，备受瞩目的诺贝尔化学奖揭晓。美国科学家约翰·古迪纳夫、英裔美国科学家斯坦利·惠廷厄姆与日本科学家吉野彰共同获得此奖，以表彰他们在锂离子电池领域作出的突出贡献。自1991
年实现商业化进入市场之后，锂电池先是开启了电子设备便携化的进程，最近十几年，锂电池又再次成为世界能源转型的重要支撑。但是，在技术上与锂电池一脉相承钠离子电池，却在科研和商业化应用上大大落后了。随着近年来锂资源争夺日渐激烈，钠离子电池重新进入了人们的视野。锂电池的研发起源于20
世纪的70
年代，全球石油危机的爆发再加上石油峰值论的出现，让各类替代能源的研发成为一时风口。锂是元素周期表中直径最小的金属，其单位体积的密度可以很高，所以当它成为电池中的电极材料时，可以带来更高的能量密度。但由于它也是最活泼的金属，遇到氧气时会产生强烈的化学反应，释放热量，甚至爆炸，所以很难控制。很少有人知道，一位法国科学家的理论改变了锂电池的命运。1980
年，法国科学家Michel Armand
等人提出了用嵌入和脱出物质作为二次锂电池正负极的新构想，组成没有金属锂的电池。充放电过程中锂离子在正负极之间来回穿梭，反复循环。这一过程后来被形象地成为“摇椅式电池”概念，成功了解决了使用金属锂的安全性问题。荣获诺贝尔奖的三位科学家正是在此概念基础上，实现了锂电池的发明和商业化。事实上“摇椅式电池”概念并不为锂离子电池所专享。在1970
年代，钠离子电池与锂离子电池几乎被同时发现并进行研究。甚至在1980
年代，钠离子电池研究还取得了金属层状氧化物正极材料的发现。但是随着1990
年代锂离子电池商业化的成功，钠离子电池的研发工作也逐渐缓慢甚至陷入停滞。转机出现在2010
年前后，学界对钠离子电池相关研究开始逐渐重视，钠离子电池企业也开始逐渐兴起，围绕钠离子的创投和资本也日益活跃。钠离子电池迎来了发展的黄金时期。图片伴随着碳中和的东风，钠离子电池在资本市场上也获得了巨大青睐。这个被认为是锂离子电池竞品和补充的产品，究竟如何在沉寂了50
多年后强势兴起？成本优势：巨大的潜力资源差距是钠离子电池和锂离子电池最常常被拿来比较的。与钠相比，锂的资源无疑是非常匮乏的。锂资源在地壳中的丰度仅有0.0065%
，而钠的丰度高达2.75
位居所有元素的第6
位。从资源的集中度和易获取程度而言，全球超过7
成的锂资源集中在美洲，而钠资源却遍布全球，极易获得。图片过去一年多的时间里，由于电动汽车、储能等市场对于动力电池需求的强劲拉动，锂资源价格一路暴涨。电池用碳酸锂价格已经从2020
年中约4
万元/
吨涨至2022
年4
月约50
万元/
吨。而作为钠离子电池正极材料的前驱体，碳酸钠价格长期稳定，价格基本维持在2000
元/
吨左右。而这仅仅只是钠离子电池与锂离子电池成本差距的一部分。从工作原理上来说，钠离子电池与锂离子电池一样，都是“摇椅式电池”。钠离子电池在充电时，钠离子从正极脱出，经电解液横穿隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态；放电过程则与之相反，钠离子从负极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。图片相似的原理让钠离子电池与锂离子电池在结构上高度一致，都包括了正极、负极、隔膜、电解液和集流体。只是二者在材料选择上有较大差异。钠离子电池的正极材料选择包括了层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物等三个技术路线。负极材料选择包括硬碳负极材料和软碳负极材料路线。电解质可以遵循锂离子电池的经验和思路。而在集流体材料的选择上，由于铝制集流体在低电位下易于与锂发生合金化反应，锂离子电池负极处只能使用价格昂贵的铜箔作为集流体，钠离子电池正负极集流体均可使用价格便宜的铝箔。据中国科学院物理研究所研究员，同时也是国内钠离子电池企业中科海钠创始人的胡勇胜介绍，钠离子电池还有一个优点就是可以直接使用现有的锂离子电池生产线，无需重新建设新的生产线。2021
年，中科院物理所就利用锂离子电池的生产线成功生产了8
万只钠离子电池。“这使得钠离子电池具有更快的市场化速度。”胡勇胜说。但不得不承认的是，这些成本优势更多的只能在钠离子电池全面商业化、大规模生产之后才能够体现。根据国海证券研究，目前磷酸铁锂电池产业链成熟，设备折旧等费用均已摊薄，行业平均成本约为0.5
元/Wh
。能量密度更高的三元锂电池成本大约是0.7
元/wh
。而钠离子电池目前产业不成熟，产品也没有量产，所以还无法体现出成本优势。目前成本大约1
元/wh
。根据中科海钠预计，钠离子电池成本为推广期0.5-0.7
元/Wh
；发展期0.3-0.5
元/Wh
；爆发期0.2-0.3
元/Wh
。待钠离子电池产能达到GWh
水平时，各项费用摊薄，钠离子电池的成本优势将显现出来。图片成本优势在残酷的市场竞争中并非全部。价格更高的三元锂电池依然能依靠更强的性能获得市场青睐，但钠离子电池却并不具备这一条件，其能量密度也大大低于三元锂电池。既没有产业化带来的低成本，也没有明显高出一截的性能优势，钠离子电池凭什么在未来能源体系中占据一席之地呢？差异化竞争2021年7
月，宁德时代举办了首场线上发布会。董事长曾毓群在会上发布了宁德时代的第一代钠离子电池。160Wh/kg
的能量密度、15
分钟充电量80%
、零下20
摄氏度90%
的放电保持率……
宁德时代一出手就震撼了整个产业界。而在宁德时代之前，国内企业实现的钠离子电池能量密度为145Wh/kg
。即便是宁德时代宣布下一代钠离子电池的能量密度将达到200Wh/kg
，这一数据还没有超过磷酸铁锂，距离能量密度更高的三元锂更是有一定的差距。在目前的技术条件下，钠离子电池的电芯能量密度约为70-200Wh/kg
，高于铅酸电池的30-50Wh/kg
。目前钠离子电池的能量密度相较于三元锂电的200-350Wh/kg
有所逊色，但与磷酸铁锂电池的150-210Wh/kg
有重叠范围。图片铅酸电池曾经是电池领域的主流。“但是铅酸电池有不可避免的环境污染问题。”胡勇胜说，“而且在新国标公布后，铅酸电池也面临退役问题。”尽管能量密度不高，但凭借着低价优势，铅酸电池一直是两轮电动车领域的主要储能设备。但在两轮电动车的新国标对整体重量设定55
公斤上限后，重量大的铅酸电池可能会被彻底淘汰。即将被淘汰的铅酸电池彰显出了一个事实：面对庞大的能量存储市场，不同的技术路线可能会有着不同的生存空间。红杉中国投资合伙人、红杉碳中和研究院院长、红杉远景碳中和基金主席李俊峰说：“不同类型的电池有不同的价格、能量密度、安全性、便利性，在选择电池的时候要根据产品特性的不同进行选择。”与锂离子电池相比，安全性无疑是钠离子电池的最大优点。此前，国家应急管理部公布了2022
年一季度新能源汽车火灾数据：共计640
起，比去年同期上升32%
，高于交通工具火灾平均（8.8%
）增幅。平均每日超7
例火灾。随着电动汽车普及率的提高，安全性问题也开始逐渐引起重视。尽管“摇椅式电池”大大降低了锂电池的风险，但依然无法规避锂元素自身带来的安全新问题。而钠离子电池安全性更高。得益于更高的内阻，钠离子电池在短路状况下瞬间发热量少，热失控温度高于锂离子电池，具备更高的安全性。在针对过充过放、针刺、挤压测试时，钠离子电池的安全性表现也让人满意。相比于锂离子电池-20℃
到60℃
的工作温度区间，钠离子电池可以在-40℃
到80℃
的温度区间正常工作，-20℃
环境下容量保持率近90%
，高低温性能更优秀。此外，钠离子电池的倍率性能好，在快充方面具备优势。钠离子电池具备更好的倍率性能，能够适应响应型储能和规模供电，这一特性使钠离子电池能够更好地胜任大规模储能方面的应用。交通运输领域对于动力电池的能量需求无疑是最高的，所以钠离子电池即便在产业化实现低成本后，竞争力依然有限。但是在储能领域，环境适应性更强、成本更低、安全性更高的钠离子电池无疑会有着极强的竞争力。战略地位提升随着钠离子电池技术的突破，其重要性也开始被各国所重视。2020年，美国能源部发布《储能大挑战路线图》，通过“三大课题”和“五大路径”推进储能领域的发展。除了肯定钠离子电池在储能领域的应用潜力，还表明有多家隶属于美国能源部的研究机构正专注于钠离子电池的开发工作。欧盟储能计划“电池2030
”项目公布了未来重点发展的电池体系，其中包括锂离子电池、非锂离子电池和未来新型电池，项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。欧盟“地平线2020
研究和创新计划”更是将“钠离子材料作为制造用于非汽车应用耐久电池的核心组件”重点发展项目。中国在2022
年4
月印发了《“十四五”新型储能发展实施方案》，提出开展钠离子电池、新型锂离子电池等关键核心技术、装备和集成优化设计研究。科技部在“十四五”期间实施的“储能与智能电网技术”重点专项中，也将钠离子电池技术列为子任务，目标是进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化，提升综合性能。世界各国在政策等方面的重视也带动了企业研发的动力。目前全球共有十几家公司正在进行钠离子电池产业化开发，包括英国Faradion
公司、法国Timat
、美国Natron Energy
等公司，以及我国的中科海钠、宁德时代、钠创新能源、星空钠电等公司，都在进行钠离子电池产业化的相关布局，均取得了重要成果。图片不过由于钠离子电池还没有实现产业化，对于能量密度的突破还存在一定的空间，所以不同的企业对于钠离子电池的材料选择也有不同的技术路线。尽管相对较低的能量密度可以在储能市场发挥作用，但寻求更高的能量密度依然是目前钠离子电池全面产业化的首要挑战。相较于锂离子，钠离子质量和半径更大，离子扩散速率较低，反映在电池性能上为理论容量和反应动力学特征较为逊色，这些问题需要正极材料的突破来改善。得益于锂离子电池成熟的技术与生产工艺，钠离子电池正极材料发展较为迅速。而负极材料和电解质方面的突破则会让钠离子电池在本就突出的安全性方面更上一层楼。由于钠离子电池内阻较大，短路时瞬时放热量较锂离子电池少，温升较低，在安全性方面具备先天优势。但钠离子电池电解液易燃、负极处钠枝晶生长易导致短路等问题依旧存在，因此安全性的提高需要在负极材料、电解质环节入手。在钠离子电池在能量密度和安全性实现更多突破之后，依托于已经成熟的锂离子电池生产体系，钠离子电池的产业化无疑会更加迅速。胡胜勇表示，科研是产业化的基础，在带领团队产业化的同时还必须潜心科研，为实现钠离子电池充电更快、能量密度更高、安全性更好、成本更低的目标夯实基础。宁德时代已经明确，将在2023
年产业化生产钠离子电池，锂电池在称雄电池产业三十多年后，可能迎来钠离子电池的全面竞争。
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