中國儲能網(wǎng)訊：一、全球鋰離子電池供需格局
毋庸置疑，世界現(xiàn)在正處于一場能源革命的起點。全球碳中和理念已成為共識，能源結構轉型已經進入一個長時間周期的加速階段。發(fā)展可再生能源不僅為人類能源提供持續(xù)發(fā)展的安全保障，也對減緩氣候變暖、減少極端天氣、減輕環(huán)境污染具有重要使命。
交通工具電動化對儲能電池有巨量的需求。此外，由于光伏、風能等主要可再生能源受天氣影響功率輸出不連續(xù)，高比例可再生能源的使用也必將引發(fā)電力系統(tǒng)對儲能長期、持續(xù)的需求，因此電化學儲能也催生了對儲能電池的大量需求。
鋰離子電池能量密度、輸出功率等指標一直在不斷的優(yōu)化，已經可以滿足人們對高能量密度高功率的需求。但鋰資源在地球上的儲量低且分布不均，即使鋰離子電池在許多方面表現(xiàn)都很完美，但是這也引發(fā)了很多人的擔憂。隨著電動汽車數(shù)量的飆升、儲能設備的加速發(fā)展，鋰資源將逐漸趨于供不應求的狀態(tài)。
據(jù)Rystad能源管理公司的分析顯示，現(xiàn)在電池制造商的需求是每年約30多萬噸碳酸鋰當量，而現(xiàn)有52萬噸的采礦能力。他們預測碳酸鋰的需求在2028年可能達到280萬噸。然而，預計該年的采礦產量加回收產量加起來只能達到約200萬噸，存在80萬噸的缺口。Rystad 能源管理公司預測，2027年開始將出現(xiàn) "嚴重的鋰供應短缺"。這種鋰資源短缺可能會減少年約300多萬輛電動汽車的生產。電池驅動的巴士、卡車、船舶以及電網(wǎng)儲能系統(tǒng)都將感受到巨大鋰資源短缺的壓力。此外，Bloomberg NEF(BNEF)的金屬和礦業(yè)分析師稱："即使未來幾年加大鋰礦的開采量來滿足2027年以后或更長時間的需求，該行業(yè)也不能夠繼續(xù)以如今這樣的成本去開采鋰，因為澳大利亞（鋰礦石）以及智利和阿根廷（鹽湖），這些大部分品味較好的、較容易開采的儲量已經被開采出來。為了大幅提高產能，生產商還需要去開發(fā)世界上開采難度更大 的“邊緣”鋰資源，這些資源的開發(fā)成本和能源消耗都比常規(guī)資源高。而且對于一些區(qū)域的鋰資源開采（比如西藏的鹽湖），很難在不造成環(huán)境破壞的情況下進行。此外，在鋰資源開采量還可以滿足需求量的當下，碳酸鋰就已經漲至近9萬每噸，氫氧化鋰漲至10余萬每噸。當鋰資源出現(xiàn)短缺時鋰礦的價格更是不敢想象的。原材料的短缺和高成本均會阻礙人類向新能源前進的腳步。
圖1 2015-2035年鋰資源的需求量（黑色線條）和產量（柱狀圖）
二、鈉離子電池技術發(fā)展及產業(yè)化的時代背景
結合人類新能源革命的速度以及地球鋰資源儲量和分布特征，很多專家都已經提出僅僅靠鋰離子電池是不足以支撐人類完全邁入可再生能源社會的。對于中國來說，我國雖然也有部分鋰資源儲量，但中國人口多、工業(yè)體系規(guī)模龐大，鋰的需求量大。中國的鋰資源的平均品位也比較低，開采難度大，導致中國目前70%左右的鋰資源依賴進口。這也是很多國家共同面臨的問題。基于這種背景，國內、外自2010年左右開始大力推進鈉離子電池技術的研發(fā)。中國“鋰電池之父”，中科院物理所陳立泉（也是寧德時代董事長曾毓群的博士生導師）在今年中國電動汽車百人論壇上的演講中也提到“隨著可再生能源革命的推進，未來鋰離子電池一定會出現(xiàn)短缺，而鈉離子電池是新電池首選，目前鈉離子電池能量密度可以到150Wh/kg”。
其實鈉離子電池是和鋰離子電池在1970年代被同時提出的，但鋰離子電池優(yōu)異的性能讓科學家紛紛放棄了對鈉離子電池的研究，幾乎全部投入了鋰離子電池的研發(fā)浪潮中，鋰離子電池也在過去50年獲得了巨大的進步，尤其在1990年索尼實現(xiàn)了鋰離子電池技術的商業(yè)化，使鋰離子電池技術得到迅速發(fā)展，但同期關于鈉離子電池的研究卻相對停滯。
但正如剛才所提到的，人們逐漸意識到鋰資源是稀缺、且分布不均的，尤其在全球可再生能源革命的時代背景下，僅靠鋰離子電池并不足夠支撐人類完全邁入電動化、可再生化的能源之路。而鈉離子電池的正負極材料(正極有：層狀過渡金屬鈉離子氧化物、普魯士藍、聚陰離子類鈉離子化合物，負極目前基本上都用硬碳)均為地球儲量豐富的資源，因此2010年開始，鈉離子電池逐漸迎來了他的研發(fā)熱潮。而且由于借助了鋰電池技術、鋰電池材料的研究基礎，鈉離子電池近10年的研發(fā)速度可以用突飛猛進來形容。
目前，幾個世界領先的鈉離子電池生產商的鈉離子電池已經做到了100-160Wh/kg的能量密度，這一水平遠高于鉛酸電池的 30-50Wh/kg，與磷酸鐵鋰電池的 120-200Wh/kg 相比也有重疊的范圍。在循環(huán)壽命方面，鈉電池已經做到在 3000次以上，這一水平也同樣遠遠超出鉛酸電池的 300 次左右，和磷酸鐵鋰電池有重疊區(qū)間。
圖2 中科海納鈉離子電池性能（摘自中科海納官網(wǎng)）
三、鈉離子電池的技術路線
鈉離子電池和鋰離子電池的理論基礎、電池結構都非常接近。液態(tài)鈉離子電池（和固態(tài)鋰離子電池一樣，固態(tài)鈉離子電池也已經在被研究中）也是由正極、負極、集流器、電解液、隔膜構成。
其中，電解液和隔膜基本沿用鋰離子電池體系；集流器正、負極均可以用鋁箔，而鋰離子電池負極需要用銅箔（因為鈉離子在負極不會和鋁離子發(fā)生化學反應），這也減少了鈉離子電池集流器的成本。
由于鈉離子和鋰離子的特性差異，鈉離子的正、負極材料需要選用適用于鈉離子遷移的材料，這也是鈉離子電池技術的核心。目前的鈉離子電池正極材料主要有三類：層狀過渡金屬鈉離子氧化物、普魯士藍、聚陰離子類鈉離子化合物；負極材料主要分為四類：碳負極材料、轉化型負極材料、鈦酸酯類負極材料以及合金類負極材料。
1.正極材料
（1）層狀金屬氧化物
層狀金屬氧化物因為其制造方法簡單，具有較高的比容量特點，因此受到研究者的青睞。和鋰電池類似，層狀氧化物正極材料也是鈉離子電池中極具商業(yè)應用前景的正極材料。
目前英國的鈉離子電池生產商Faradion和中國的鈉離子電池生產商中科海納（HiNA）采用了層狀金屬氧化物作為正極。并且Faradion和中科海納均有商業(yè)化產品。其中Faradion和澳大利亞的 ICM Australia 簽了供應鈉離子儲能電池的訂單；和印度IPLTech公司簽訂了供應商用車鈉離子電池的訂單。中科海納和華陽股份生產出了世界首個1MWH的鈉離子電池儲能系統(tǒng)，并與華陽股份合資成立了鈉離子電池正、負極生產線（今年年底投產），進軍儲能和其他應用場景（比如兩輪電動車、A級電動車）領域。
（2）普魯士藍
普魯士藍其框架結構可以使鈉離子快速的嵌入和脫出，具有很好的結構穩(wěn)定性和倍率性能。雖然普魯士藍類材料展現(xiàn)去較大的應用前景，但是目前其商業(yè)化應用仍然存在一些問題。最主要是結晶水和空位的存在會對材料性能產生影響。結晶水會阻礙鈉離子的擴散，而且由于水會分解使得電池的電化學性能進一步降低，同時造成其倍率性能下降。空位則會導致材料的電子傳導性變差，而且由于空位的存在材料的晶體框架在循環(huán)過程中容易坍塌。因此規(guī)?；a目前還面臨較大難度。
目前，瑞典的鈉離子電池公司 Altris AB、美國的鈉離子電池公司Natron Energy以及國內的寧德時代使用了普魯士藍作為正極。這三家公司尚未見到有商業(yè)化產品問世。寧德時代近日的發(fā)布會宣稱，他們正在積極推動鈉離子電池進入產業(yè)化的快速通道，并將在2023年形成產業(yè)鏈。
（3）聚陰離子
聚陰離子型材料具有開放的框架使其具有開闊的鈉離子擴散通道和較高的工作電壓。同時較強的共價鍵使得材料的熱穩(wěn)定性較好，以及在高電壓時的抗氧化性。目前研究比較多的聚陰離子型材料主要有磷酸鹽、氟磷酸鹽和硫酸鹽。
目前，法國的Tiamat采取了這個技術路線。他們使用氟化釩基聚陰離子作為正極提供了優(yōu)異的電池輸出功率能力，但犧牲了能量密度（100-120WH/KG）和原材料的易獲取性。今年五月，Tiamat Energy宣布將提高其電池生產規(guī)模，并與Plastic Omnium集團在針對混合動力汽車上鈉離子電池應用進行大規(guī)模測試。
需要說明的是，鈉離子電池有較完善的專利保護，因此各個鈉離子電池生產商選擇的技術路線和避開已有其他廠商的專利有一定的關系。
2. 負極材料
鋰離子電池常用的負極材料為石墨，其理論容量高達372mAh/g，鋰離子可以在石墨層中嵌入與脫出。但是科研人員通過實驗和密度泛函理論計算證明在傳統(tǒng)的碳酸酯類電解液中，鈉離子較大的離子半徑和石墨較小的晶格間距使得鈉離子很難形成像鋰離子和石墨那樣類似的鈉與石墨相互作用的物質。真實實驗也發(fā)現(xiàn)使用石墨做為鈉離子電池的負極表現(xiàn)的容量較低。
目前用在鈉離子電池上負極材料主要為無定型的碳材料（硬碳），該類材料具有納米尺寸的孔洞和較大的層間距用于鈉離子的存儲和可逆的嵌入與脫出，因此，該類材料相對于石墨而言在用于鈉離子電池負極時具有較高的容量。其可逆容量已經可做到300 mAh/ｇ左右。
合金類負極材料是一個新的發(fā)展方向，目前的研究主要通過納米化方式對合金類材料結構進行調控等工作以提高合金材料穩(wěn)定性并提高循環(huán)次數(shù)。
3. 集流器
由于鈉離子不會和負極的鋁離子發(fā)生化學反應，因此鈉離子電池的負極集流器可以用鋁箔替代銅箔。這樣有三個優(yōu)勢：1、成本低；2、集流器更輕，幫助降低電池重量；3、在運輸環(huán)節(jié)中，可以實現(xiàn)0V運輸，相比之下，有效地降低了運輸風險。因為鋰電池處于低電壓時，銅箔易氧化，會導致電池性能衰減及電池失效，所以鋰電池在運輸前，一般需要把電量沖到80%以上，會有一定的運輸風險。
4. 電解液、隔膜、電池組裝
鈉離子電池的電解液、隔膜均可以沿用鋰離子電池的體系，但其電解液還有針對鈉離子電池的改進空間。電池組裝方法基本上和鋰離子電池一致，因此現(xiàn)有的鋰離子電池組裝生產線可以直接用來組裝生產鈉離子電池。和鋰離子電池通用部分產業(yè)鏈、組裝方法基本一致，這兩個因素也是鈉離子電池能夠在較短時間內大規(guī)模生產和商業(yè)化的一個重要有利因素。
四.鈉離子電池的商業(yè)化進展
1. 全球領先的鈉離子電池研發(fā)、生產商
根據(jù)文獻和相關資訊調研，目前公認的世界范圍內的鈉離子電池生產商主要為中國的中科海納（HiNa）、英國的Faradion、法國的Tiamat。例如，德國的IEK9電化學實驗室2020年關于鈉離子電池的綜述論文中提到的三家鈉離子電池公司：Faradion、Tiamat、Hina（圖4）；英國蘭卡斯特大學、劍橋大學、Faradion鈉離子電池公司等多個機構的科學家聯(lián)合撰寫的論文《2021年鈉離子電池的路線圖》中提到的鈉離子電池公司（圖5）以及德國Institute for Solid State Research研究所等機構 2021年發(fā)表在Nature Reviews Materials( 影響因子 71.189 )的關于鈉離子電池綜述文章中提及的幾家鈉離子電池生產商（圖6）均包括HiNA（中科海納）。也有文獻將Faradion、Tiamat、Hina列為目前全球最領先的三家鈉離子電池生產商。
圖4 摘自德國的IEK9電化學實驗室2020年關于鈉離子電池的綜述論文
圖5 英國蘭卡斯特大學/劍橋大學/Faradion鈉離子電池公司等多個機構的科學家聯(lián)合撰寫的論文《2021年鈉離子電池的路線圖》
圖6 2021年《Nature Reviews Materials》鈉離子電池綜述文章
2.鈉離子電池產業(yè)化進展
其實首個鈉離子電池的產品早在2015年就被Faradion公司開發(fā)出來了，他們當時開發(fā)的鈉離子電池的能量密度大約90Wh/KG，并成功將其應用在了電動自行車和電動滑板車上。其2021年的鈉離子電池產品的能量密度已經做到了150Wh/KG,循環(huán)次數(shù)做到了2000-4000次。Faradion已經開始和相關公司在電力儲能、兩輪摩托車等領域開展其鈉離子電池的應用合作，并已經在擴大其鈉離子電池生產規(guī)模。
Tiamat、Natron公司也均有鈉離子電池產品問世。Tiamat已經與Plastic Omnium集團簽訂了合同，針對混合動力汽車上鈉離子電池應用進行大規(guī)模測試。
Natron也開發(fā)了針對數(shù)據(jù)中心的儲能電池產品。
并且Natron官網(wǎng)介紹內容顯示，他們正在擴大生產能力，2022年的產能將提高200倍。其官網(wǎng)介紹中也提到，產能能夠迅速提高是因為鈉離子電池的生產借助了現(xiàn)有的鋰離子電池的生產設備、生產技術（下圖）。
中國目前走在鈉離子電池產業(yè)化最前沿的當屬中科海納。中科海鈉于2018年完成了全球首輛鈉離子電池低速電動車示范，2019年完成全球首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范。2020年3月鈉離子電池生產線的中試完成，2020年9月鈉離子電池產品實現(xiàn)量產，當時的電芯產能30萬只/月，海外訂單第一期十萬只，國內的聯(lián)合開發(fā)產品出貨量數(shù)萬只。
2021年中科海納和華陽股份開始深度合作，共同成立了生產鈉離子電池正、負極的子公司，其中中科海納占比55%，華陽股份占比45%，該鈉離子電池正、負極材料公司由中科海納胡勇勝教授任董事長。2021年6月中科海納和華陽股份共同開發(fā)出了具有里程碑意義的1MVh鈉離子電池儲能系統(tǒng)，1MVh的儲能系統(tǒng)已經具有產業(yè)化應用價值。目前，他們的鈉離子電池已經可以做到145KW/h的能量密度，4500循環(huán)次數(shù)。
中科海納和華陽股份合資成立的鈉離子電池子公司正在建設2000噸正極、2000噸負極材料生產基地（大概0.8GWH的容量），2021年底投產，電池組裝環(huán)節(jié)初期找鋰離子電池PACK廠代工組裝。因為中科海納在2020年就已經有建立過一定規(guī)模的鈉離子生產線，已經積累了較豐富的生產工藝經驗。明年他們將形成鈉離子電池、鈉離子電池儲能系統(tǒng)銷售。中科海納和華陽股份計劃2023年擴產至10GW鈉離子電池正、負極材料生產線，并建立自己的電池PACK廠。在國家和山西省的支持下打造鈉離子電池產業(yè)園。此外，華陽和其母公司也通過梧桐嘉?；鸷嫌嫵钟兄锌坪＜{19.5%左右的股份。
據(jù)介紹，2000噸的正極、2000噸的負極生產線達成后，他們的鈉離子電池成本已經可以低于磷酸鐵鋰電池成本。中科海納的唐堃之前接受采訪時提到，“鈉離子電池的高性價比，不能簡單地理解為把電池中的鋰換成鈉，從而降低成本，鋰元素僅占電池成本約8%，海鈉的高性價比在于，我們在電池正極、負極、電解液到電池工藝整個體系都采取了降成本措施，并且具備完全自主知識產權的核心專利，憑借鈉離子電池的底層基礎研發(fā)經驗和核心技術，才能做出高性價比的鈉離子電池。”
寧德時代自2015年開始組建鈉離子電池研發(fā)團隊，并開始研發(fā)鈉離子電池。今年寧德時代發(fā)布了他們第一代鈉離子電池產品。寧德時代毫無疑問目前在動力鋰電池領域是全球領軍企業(yè)，但結合上文中對Faradion、Tiamat、Natron、中科海納這四家公司的產品介紹，我們可以發(fā)現(xiàn)寧德時代在鈉離子電池的產品開發(fā)及產業(yè)化方面的進度是慢于上文提到的四個公司的。
此外，寧德時代開發(fā)的鈉離子電池目前能力密度可以達到160KW/h，并稱幾年后要做到200KW/h，此外還開發(fā)了AB電池系統(tǒng)解決方案?；谄洚a品的這幾個特點，我們可以推測，寧德時代的鈉離子電池瞄準的是目前寧德時代最主要的業(yè)務——動力電池。這個對于鈉離子電池的應用來說，難度也是最大的。
相比之下，中科海納/華陽、Faradion、Tiamat、Natron目前推出的產業(yè)化產品是針對電力儲能、兩輪電動車、低速電動車，這幾個領域的市場規(guī)模也非常大，而且鈉離子電池當前的性能指標十分適合這幾個應用場景。
寧德時代在官網(wǎng)中也提到，在制造工藝方面，鈉離子電池可以實現(xiàn)與鋰離子電池生產設備、工藝的完美兼容，產線可進行快速切換，完成產能快速布局。
因此，雖然寧德時代宣布寧德時代已啟動鈉離子電池產業(yè)化布局，2023年將形成基本產業(yè)鏈。但實際上，中科海納/華陽已經走在了中國鈉離子電池產業(yè)化布局的前沿。
當然，寧德時代強大的電池制造能力和上下游供應聯(lián)動能力一定會加速鈉離子電池在中國的產業(yè)化進展。
但，將鈉離子電池產業(yè)化的時間表或者中國的鈉離子電池產業(yè)化的時間表，等同寧德時代鈉離子電池產業(yè)化的時間表是很不恰當?shù)??；谥锌坪＜{/華陽的鈉離子電池規(guī)?；a線進度，明年我們就能在國內看到應用在新能源發(fā)電側儲能以及兩輪電動車上的規(guī)?；c離子電池商業(yè)產品了。
五、發(fā)展展望
在碳中和、全球新能源加速發(fā)展及鋰資源相對稀缺的背景下，包括Goodenough、Jean-Marie Tarascon、陳立泉等鋰電池鼻祖在內的大量電化學領域科學家均認為鈉離子電池在特定領域的大規(guī)模產業(yè)化應用已經成為必然趨勢。
寧德時代近日在鈉離子電池發(fā)布會宣傳將推進鈉離子電池產業(yè)鏈，并在2023年實現(xiàn)寧德時代的鈉離子電池產業(yè)鏈。但根據(jù)目前世界范圍內鈉離子電池的研發(fā)進展及產業(yè)化進展我們可以發(fā)現(xiàn)，鈉離子電池的產業(yè)化已經在推進中。由于除了正、負極材料加工之外，鈉離子電池在集流器鋁箔、電解液、隔膜、電池組裝等產業(yè)鏈均可以直接使用現(xiàn)有的鋰離子電池產業(yè)鏈，結合中科海納和華陽股份的一系列動作，鈉離子電池形成大規(guī)模產業(yè)化的速度會比寧德時代2023年產業(yè)化的目標更快。
相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優(yōu)勢在于：（1）原材料資源豐富（2）成本更低（可以做到比磷酸鐵鋰低20-40%，據(jù)相關人員介紹，中科海納和華陽股份規(guī)?；纳a線已經可以做到比磷酸鐵鋰電池更低的成本）（3）安全性能好（包括中科海納等多個鈉離子電池公司均在試驗中發(fā)現(xiàn)其鈉離子電池相比于三元和磷酸鐵鋰電池具有更優(yōu)異的安全性能）（4）受低溫環(huán)境影響小、快充性能好。
缺點在于：（1）由于鋰離子和鈉離子的元素特點，鈉離子電池的能量密度上限始終會低于鋰離子電池的能量密度上限。（2）輸出功率目前略低于鋰離子電池。
歸功于鋰離子電池研究所積累的成果、經驗及方法，鈉離子電池在短短十多年內就已經做到了秒殺鉛酸電池，并和磷酸鐵鋰電池同臺PK的程度（中科海納和Faradion均宣稱其鈉離子電池產品已經可以和在一些領域，比如儲能和兩輪電動車，和磷酸鐵鋰電池PK）。鈉離子電池和鋰離子電池非常接近的組裝過程、以及部分通用的產業(yè)鏈也為鈉離子電池產業(yè)化提供了便利條件。儲能、兩輪電動車、A級電動車型，其中每一個領域都是海量的市場。2021年是鈉離子電池產業(yè)化的元年，2022年將是鈉離子電池大規(guī)模產業(yè)化的開端。在新能源產業(yè)如火如荼的發(fā)展、鋰礦價格不斷走高等多方面背景下，相信鈉離子電池大規(guī)模產業(yè)化的速度將越來越快。鈉離子電池將和鋰離子電池一起，幫助人類走向能源清潔化、可持續(xù)化的道路。
圖片
