中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：“15分鐘充電80%，零下20度電池不衰減”。不久前，動(dòng)力電池“一哥”寧德時(shí)代召開了發(fā)布會(huì)，推出自己的第一代鈉離子電池。很多人直呼：寧德時(shí)代這是要重塑電動(dòng)車！
鈉離子電池能否在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等一眾對(duì)手中脫穎而出，引領(lǐng)潮流，成為下一代的電池技術(shù)？
科幻小說(shuō)為何難成現(xiàn)實(shí)？
令人稍感意外的是，鈉電池的概念，是法國(guó)科幻作家凡爾納于1870年，在著名科幻小說(shuō)《海底兩萬(wàn)里》當(dāng)中最先提出。
小說(shuō)里，鸚鵡螺號(hào)通過(guò)取得海水當(dāng)中的電解質(zhì)鈉，制成鈉電池作為能源來(lái)驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，因?yàn)殁c元素來(lái)自于海水，屬于就地取材。
書中預(yù)言的電擊槍、潛水服、海底隧道一一實(shí)現(xiàn)，但鈉電池潛水艇始終進(jìn)展不大，一直到了上世紀(jì)70年代，隨著第三次工業(yè)革命的到來(lái)，鈉離子電池才被真正地研發(fā)出來(lái)，而與鈉電池同時(shí)代誕生的，還有如今人們非常熟悉的鋰電池。
如今四十多年過(guò)去了，鋰電池早已廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活當(dāng)中，尤其成為新能源汽車的核心產(chǎn)品；但鈉電池的發(fā)展卻不怎么順利，長(zhǎng)期以來(lái)只小范圍應(yīng)用在儲(chǔ)能電站、低速車領(lǐng)域，甚至到2011年，才有公司嘗試將產(chǎn)品商業(yè)化。
鈉電池，顧名思義就是用鈉離子作為驅(qū)動(dòng)的電池。通過(guò)鈉離子在電池的正負(fù)極之間“跑來(lái)跑去”實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)的一種動(dòng)力電池。因?yàn)樽陨怼八刭|(zhì)”不過(guò)關(guān)，被人遺忘在角落里。
鈉離子電池為何一直被冷落？這其實(shí)與它的化學(xué)屬性有非常直接的關(guān)系。實(shí)際上，無(wú)論是鈉電池還是鋰電池，它們的工作原理都是相似的：在電池陰極，元素失去電子，轉(zhuǎn)變成為更高價(jià)的離子，隨后進(jìn)入電解質(zhì)，穿過(guò)隔膜，向陽(yáng)極轉(zhuǎn)移：雖然離子能夠穿過(guò)電解質(zhì)和隔膜，但電子卻不行，只能從外部的電路跑到陽(yáng)極，并在外部做功。這就是電池的放電過(guò)程。
鋰元素的原子量是6.94，在金屬中最輕；鋰元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V，在金屬中最低；此外，鋰元素的比容量也是金屬中最高，同時(shí)其電化學(xué)當(dāng)量最小。
這意味著，鋰電池理論上能夠獲得最大的能量密度。在電池領(lǐng)域，如果暫不考慮安全和成本因素的話，能量密度擁有絕對(duì)的話語(yǔ)權(quán)—鋰電池就是研發(fā)者眼中的首選。
然而打開化學(xué)課本的元素周期表，與鋰離得最近的金屬元素就是鈉，它們都位于周期表的第一列，最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相似，所以都能作為電荷搬運(yùn)工，驅(qū)動(dòng)電池充放電。
不過(guò)鈉離子電池硬傷也比較明顯，首當(dāng)其沖的就是能量密度不足，鋰的原子量是7，鈉的原子量為23，原子量越小就意味著能量密度越大。
這就導(dǎo)致三元鋰電池能量密度已經(jīng)在200Wh/kg（瓦時(shí)每千克，比能量單位）以上時(shí)，鈉離子電池僅100-150Wh/kg，即使寧德時(shí)代當(dāng)前發(fā)布的鈉離子電池能量密度可以達(dá)到160Wh/kg，與鋰離子電池的差距也很明顯，導(dǎo)致電池使用效率明顯偏低。
其次鈉離子半徑比鋰離子大70%，導(dǎo)致自身移動(dòng)速度極其緩慢，沒辦法穿過(guò)負(fù)極石墨材料，也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。
這樣一來(lái)，在科學(xué)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的上世紀(jì)80年代，鋰離子電池和鈉離子電池走上了截然不同的道路：前者迅速商業(yè)化，成為消費(fèi)市場(chǎng)必不可少的用品，后者則完全進(jìn)入了停滯狀態(tài)。
如今，寧德時(shí)代發(fā)布的鈉離子電池，讓更多人看到了這項(xiàng)“命途多舛”的技術(shù)，也讓動(dòng)力電池未來(lái)的發(fā)展之路，多了一個(gè)強(qiáng)有力的“潛在競(jìng)爭(zhēng)者”。
鋰與鈉的愛恨情仇
但實(shí)事求是地來(lái)講，鈉電池也并非一無(wú)是處，它有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)是鋰電池?zé)o法比擬的。
首先在儲(chǔ)備量方面，鋰資源的儲(chǔ)量有限。數(shù)據(jù)顯示，目前70%的鋰資源分布在南美洲，而現(xiàn)階段我國(guó)80%鋰資源依賴進(jìn)口，隨著需求量的增加，鋰元素的價(jià)格也一路飆升，從最初的3.8萬(wàn)元一噸漲到16萬(wàn)元一噸。
此前，中國(guó)工程院院士陳立泉就曾明確表示，如果全世界的車都使用鋰離子電池，全世界的電能都用鋰離子電池儲(chǔ)存，鋰根本不夠，一定要考慮新的電池。
▲2021年上半年全球動(dòng)力電池裝機(jī)量榜單（圖片來(lái)源/視覺中國(guó)）
鈉資源儲(chǔ)量就很高，僅僅中國(guó)一個(gè)察爾汗鹽湖中，氯化鈉儲(chǔ)量就高達(dá)426.2億噸，大約是全球鋰資源儲(chǔ)量的一百多倍，可以說(shuō)鈉資源是非常“優(yōu)秀”的“非再生能源”。
其次在使用屬性上，盡管鈉離子能量密度不佳，但它的化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，所以它對(duì)溫度并不敏感，不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)硬的枝晶，在抗低溫和安全性上較同類別的鋰離子電池也有明顯的優(yōu)勢(shì)。
所以從理論上，只要能讓鈉離子在電池當(dāng)中自由游走，就有希望解決鈉電池能量密度偏低的問題，鈉電池也就有了“逆襲”鋰電池的希望。在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)加劇，全球能源轉(zhuǎn)型、碳減排碳中和的大背景下，開發(fā)鈉電池這樣一條全新的產(chǎn)品路線，有非常豐富的政治和經(jīng)濟(jì)利益。
這或許正是寧德時(shí)代讓鈉電池“復(fù)活”的初衷。
記者了解到，現(xiàn)有的鈉離子電池正極一般是用普魯士白和層狀氧化物兩類材料，鈉離子雖然能夠穿行，但在循環(huán)過(guò)程中電池容量會(huì)快速衰減，導(dǎo)致電池能量密度明顯衰減，非常不耐用。
于是寧德時(shí)代用全新思路開發(fā)的鈉電池誕生了—對(duì)材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過(guò)程中容量快速衰減難題。在負(fù)極材料方面，開發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料，其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性，并給正負(fù)極材料優(yōu)化了相適配的電解液。
▲鈉離子電池工作原理圖（圖片來(lái)源/視覺中國(guó)）
這樣一來(lái)，讓鈉離子既可以在正負(fù)極之間自由穿行，又不至于過(guò)度地衰減能量。并且鋰離子電池的生產(chǎn)線也可以用來(lái)生產(chǎn)鈉電池，很好地控制了成本。
按照寧德時(shí)代對(duì)外發(fā)布的數(shù)據(jù)，技術(shù)優(yōu)化以后“新生”的鈉離子電池，單體能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg，幾乎達(dá)到磷酸鐵鋰電池（150-210Wh/kg）的標(biāo)準(zhǔn)。在常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%；而在零下20°C低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。同時(shí)在系統(tǒng)集成效率方面，也可以達(dá)到80%以上。
“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個(gè)關(guān)鍵詞直擊當(dāng)下鋰電池痛點(diǎn)，也讓人們看到了新能源車?yán)m(xù)航問題的解決希望，以及動(dòng)力電池未來(lái)的全新發(fā)展思路。
▲動(dòng)力電池大PK（制圖/柴青艷）
能量密度低仍待解
時(shí)間撥回到一年半以前，2020年4月，比亞迪高調(diào)發(fā)布了刀片電池產(chǎn)品，希望從“續(xù)航性”與“安全性”兩方面重塑磷酸鐵鋰電池，改變整個(gè)動(dòng)力電池行業(yè)。
但實(shí)際情況是，刀片電池提升了續(xù)航性能，卻無(wú)法規(guī)避低溫影響，甚至有消費(fèi)者反饋抗低溫性能還不如三元鋰電池。不少業(yè)內(nèi)人士也指出，刀片電池只在體積利用率上進(jìn)行了極限優(yōu)化，并未真正做到革新材料。
這與如今寧德時(shí)代高調(diào)發(fā)布的鈉電池，頗有些同病相憐之處。
在清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強(qiáng)看來(lái)，鈉離子電池最大的問題，就是依然沒能解決鈉電池能量密度低的問題。
張強(qiáng)解釋說(shuō)，在乘用車領(lǐng)域，三元鋰電池的能量密度已經(jīng)朝300Wh /kg、甚至更高的目標(biāo)邁進(jìn)。相比而言，鈉電池能量密度只有一半，和鋰電池差距依然比較明顯，和自身相比有進(jìn)步，但在大環(huán)境當(dāng)中能量密度依然偏低?！跋乱淮c電池能量密度目標(biāo)雖然是200Wh/kg，但這個(gè)研發(fā)過(guò)程所需要的時(shí)間，目前很難估測(cè)”。
所以此次發(fā)布的鈉離子電池，寧德時(shí)代給出了AB電池的解決方案，也就是將鈉離子模組和鋰離子模組按照特定的比例，封裝在同一電池包內(nèi)，達(dá)到“一機(jī)兩用”的目的，創(chuàng)造出全新的鋰鈉電池，為應(yīng)用創(chuàng)造了更多場(chǎng)景。
但這種一機(jī)兩用的技術(shù)解決路徑，更像是企業(yè)的自圓其說(shuō)：因?yàn)榇饲皬臎]有在任何主流新能源車型應(yīng)用過(guò)這個(gè)方案，甚至連三元鋰和磷酸鐵鋰兩種鋰電池混用的方法也不曾出現(xiàn)。對(duì)于追求超長(zhǎng)續(xù)航、需要超高能量密度的中高端乘用車型來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰、三元鋰電池甚至未來(lái)的固態(tài)電池，或許才是他們主流的選擇。
“在沒能大幅提升鈉離子電池的能量密度前，鈉電池在乘用車領(lǐng)域機(jī)會(huì)不多，首先應(yīng)用的場(chǎng)景可能是儲(chǔ)能領(lǐng)域。”中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長(zhǎng)俞振華這樣評(píng)價(jià)道。
但即便在儲(chǔ)能領(lǐng)域，鈉電池產(chǎn)業(yè)化之路也有諸多難題亟待破解：雖然海水、鹽湖當(dāng)中有豐富的鈉，但我國(guó)相關(guān)提取技術(shù)并不成熟，需要一定時(shí)間培育上下游產(chǎn)業(yè)；盡管鈉的價(jià)格低于鋰，但較低的能量密度意味著更多的輔材和制造成本，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)算，鈉離子電池的輔材與制造成本占比近75%。
“在沒有實(shí)現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈打通的前提下，鈉電池并不容易控制成本?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長(zhǎng)楊軍認(rèn)為，按照目前的規(guī)模，形成真正市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化的鈉電池產(chǎn)品，可能還需要2-3年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。
盡管要想實(shí)現(xiàn)鈉離子電池規(guī)模化還需要一段時(shí)間，但可以肯定的是，鈉離子電池進(jìn)軍乘用車領(lǐng)域，是動(dòng)力電池嘗試向上游延伸，降低原材料價(jià)格波動(dòng)影響的一種探索方式。不管產(chǎn)業(yè)化之路是否成功，它都為鋰電池上游價(jià)格高漲敲響了警鐘，也為能源轉(zhuǎn)型、多技術(shù)路線的發(fā)展，提供了更多的思路和方法。
磷酸鐵鋰電池迎來(lái)“翻身”
在鈉電池高調(diào)進(jìn)軍動(dòng)力電池領(lǐng)域之時(shí)，另一個(gè)現(xiàn)象也引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注—三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)占比天平，已經(jīng)悄然傾斜，十分耐人尋味。
磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是目前市場(chǎng)的兩大主流，有觀點(diǎn)認(rèn)為它們本質(zhì)上都是鋰電池，只是材料構(gòu)造存在區(qū)別：磷酸鐵鋰電池用磷酸鐵鋰做正極；三元鋰電池也叫三元聚合物鋰電池，主要是由鎳鈷鋁或者是鎳鈷錳做正極。
但也有觀點(diǎn)認(rèn)為，磷酸鐵鋰電池本質(zhì)上是鐵電池，并非真正意義上的鋰電池。所以兩者在能量密度、安全性等方面有著不小的差距。
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，燃點(diǎn)是500℃以上，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱，或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)。因此磷酸鐵鋰電池穩(wěn)定性更好，但磷酸鐵鋰電池也有明顯的短板，即放熱慢、產(chǎn)熱少、能量密度低，不得不用提高體積比的方式，來(lái)?yè)Q取更高的續(xù)航。
在傳統(tǒng)認(rèn)知中，磷酸鐵鋰電池雖然安全性表現(xiàn)更佳、成本更有優(yōu)勢(shì)，但從能量密度和續(xù)駛里程角度看，三元鋰電池更勝一籌，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，盡管鋰電池導(dǎo)致的電動(dòng)車自燃頻頻上演，但三元鋰電池依然成為了市場(chǎng)的熱寵。
數(shù)據(jù)顯示，2017年磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)份額尚且為49.6％，到了2018年跌至37.8%，到2019年更是下跌到32%。除了商用車以外，幾乎所有乘用車都開始采用三元鋰電池產(chǎn)品。
就在人們認(rèn)為磷酸鐵鋰電池即將“優(yōu)雅謝幕”之時(shí)，情況卻發(fā)生了戲劇性的反轉(zhuǎn)：先是磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)份額止跌回升，從特斯拉Model3、Model Y(配置|詢價(jià))到比亞迪漢、小鵬P5等等，越來(lái)越多車企開始推出裝配磷酸鐵鋰電池的車型。
▲三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池咋使用材料方面的區(qū)別（圖片來(lái)源/視覺中國(guó)）
來(lái)到2021年，磷酸鐵鋰電池市場(chǎng)份額進(jìn)一步擴(kuò)大。今年1-5月，國(guó)內(nèi)磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量29.9GWh，近三年來(lái)首次超越三元鋰電池，這種顛覆性的變化在業(yè)內(nèi)引發(fā)了廣泛關(guān)注。
中國(guó)電池工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)王敬忠分析認(rèn)為，磷酸鐵鋰電池在安全性能等方面的表現(xiàn)本來(lái)就優(yōu)于三元鋰電池，近年來(lái)隨著技術(shù)進(jìn)步，不僅其能量密度及續(xù)駛能力有所增強(qiáng)，而且成本也實(shí)現(xiàn)了大幅下降，使磷酸鐵鋰電池的“翻身”有了較為可靠的基礎(chǔ)。
因此隨著鈉電池的入場(chǎng)，人們的關(guān)注點(diǎn)也有了全新的方向—這種受制于技術(shù)因素的動(dòng)力電池，未來(lái)有可能像磷酸鐵鋰電池一樣“咸魚翻身”，讓動(dòng)力電池領(lǐng)域的“龍虎斗”變成“三國(guó)殺”嗎？
專家眼中的鈉電池>>>
鈉離子電池未來(lái)有很多機(jī)會(huì)
中國(guó)科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院教授甘子釗：
新能源汽車電池，目前行業(yè)內(nèi)大量使用的是鋰電池，使用鈉電池的比較少，但鈉電池相比于鋰電池，還是有一定優(yōu)勢(shì)的。鋰電池的負(fù)極用料是銅，而鈉電池是鋁，鋁的價(jià)格比銅便宜得多，所以鈉電池未來(lái)是有很多機(jī)會(huì)的。
關(guān)于電池的問題，如果深入研究下去，就牽扯到我們對(duì)當(dāng)代凝聚態(tài)物理的了解了。在電池當(dāng)中，傳導(dǎo)是離子，隨著凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，對(duì)離子導(dǎo)電的認(rèn)識(shí)也會(huì)更加清晰，最終帶來(lái)電池行業(yè)的進(jìn)步，而這恰恰是新能源汽車行業(yè)的重大進(jìn)步。
鈉電與鋰電不存在替代關(guān)系
清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強(qiáng)：
在提倡節(jié)能減排碳達(dá)峰的大背景下，結(jié)合國(guó)家對(duì)于儲(chǔ)能的需求來(lái)看，無(wú)論是磷酸鐵鋰、三元鋰還是鈉電池，存在都是有意義的。但鈉電池與鋰電池細(xì)分市場(chǎng)不一樣，有各自的工作崗位和應(yīng)用空間，目前并不存在誰(shuí)替代誰(shuí)的問題。
具體來(lái)看，鋰離子能量密度高，所以在移動(dòng)式場(chǎng)景優(yōu)勢(shì)會(huì)突出一些，比如乘用車領(lǐng)域；鈉離子電池能量密度沒有那么高，可能更適用于固定式儲(chǔ)能，例如儲(chǔ)能站當(dāng)中。也需要關(guān)注具體的型號(hào)類型，使用地域區(qū)別等等，比如哈爾濱用的電池，和海南島用的電池肯定不一樣。
未來(lái)隨著能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，對(duì)于動(dòng)力電池的需求量只增不減，會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)供不應(yīng)求的狀態(tài)，所以從這個(gè)角度看，不管是鈉電池還是鋰電池，市場(chǎng)一定會(huì)遵循“哪個(gè)能造好用哪個(gè)，哪個(gè)更好用用哪個(gè)”的原則。黑貓白貓，抓到耗子就是好貓。
鈉電池必須提高自身“技術(shù)含量”
中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長(zhǎng)俞振華：
鈉電池目前處于一個(gè)剛起步的狀態(tài)。在學(xué)術(shù)上，鈉離子電池沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)路線，入局的企業(yè)也處于“摸著石頭過(guò)河”的狀態(tài)；在產(chǎn)業(yè)上，寧德時(shí)代的電池也沒有量產(chǎn)，甚至連關(guān)鍵材料的供應(yīng)體系也不健全。
鈉電池未來(lái)還有很長(zhǎng)一段路要走。在乘用車領(lǐng)域，因?yàn)槟芰棵芏鹊膯栴}，短時(shí)間內(nèi)鈉電池尚且無(wú)法和鋰電池抗衡，必須提高自身的“技術(shù)含量”。
在儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，目前磷酸鐵鋰電池是儲(chǔ)能電池的主要技術(shù)路線。鈉離子電池和磷酸鐵鋰電池，能量密度差距已經(jīng)縮小了很多，所以未來(lái)技術(shù)成熟以后，市場(chǎng)可能會(huì)有一些差異性的選擇，這也是鈉離子電池的一個(gè)機(jī)會(huì)。
鈉電池尚不能量產(chǎn)，需要市場(chǎng)檢驗(yàn)
上海交通大學(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長(zhǎng)楊軍：
現(xiàn)在發(fā)布的鈉電池，能量密度已經(jīng)達(dá)到160Wh/kg以上，這個(gè)數(shù)字是相當(dāng)高了，進(jìn)步也是非常明顯的，但需要注意的是，并不是說(shuō)這款電池現(xiàn)在就能大量生產(chǎn)。相反的是，可能還要等兩三年才能真正上市，無(wú)論上市以后面對(duì)的是儲(chǔ)能領(lǐng)域還是乘用車領(lǐng)域，都需要市場(chǎng)來(lái)檢驗(yàn)，這到底是不是一款滿足需求的產(chǎn)品。
至于三元鋰和磷酸鐵鋰電池占比的問題，還需要具體問題具體分析，它們的使用場(chǎng)景是不同的，有成本的因素也有安全的因素，比如說(shuō)無(wú)人機(jī)的電池，就必須要求能量密度非常高，磷酸鐵鋰電池就不合適，所以這方面實(shí)際上很難預(yù)測(cè)。
