中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在鋰資源爭(zhēng)奪日益激烈的當(dāng)下，在技術(shù)上與鋰電池一脈相承的鈉離子電池，正在重新走入人們的視野。
文 | 本刊記者 武魏楠
2019年10月9日，備受矚目的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉。美國(guó)科學(xué)家約翰·古迪納夫、英裔美國(guó)科學(xué)家斯坦利·惠廷厄姆與日本科學(xué)家吉野彰共同獲得此獎(jiǎng)，以表彰他們?cè)阡囯x子電池領(lǐng)域作出的突出貢獻(xiàn)。
自1991年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化進(jìn)入市場(chǎng)之后，鋰電池先是開啟了電子設(shè)備便攜化的進(jìn)程，最近十幾年，鋰電池又再次成為世界能源轉(zhuǎn)型的重要支撐。
但是，在技術(shù)上與鋰電池一脈相承鈉離子電池，卻在科研和商業(yè)化應(yīng)用上大大落后了。隨著近年來鋰資源爭(zhēng)奪日漸激烈，鈉離子電池重新進(jìn)入了人們的視野。
鋰電池的研發(fā)起源于20世紀(jì)的70年代，全球石油危機(jī)的爆發(fā)再加上石油峰值論的出現(xiàn)，讓各類替代能源的研發(fā)成為一時(shí)風(fēng)口。鋰是元素周期表中直徑最小的金屬，其單位體積的密度可以很高，所以當(dāng)它成為電池中的電極材料時(shí)，可以帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬，遇到氧氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，釋放熱量，甚至爆炸，所以很難控制。
很少有人知道，一位法國(guó)科學(xué)家的理論改變了鋰電池的命運(yùn)。1980年，法國(guó)科學(xué)家Michel Armand等人提出了用嵌入和脫出物質(zhì)作為二次鋰電池正負(fù)極的新構(gòu)想，組成沒有金屬鋰的電池。充放電過程中鋰離子在正負(fù)極之間來回穿梭，反復(fù)循環(huán)。
這一過程后來被形象地成為“搖椅式電池”概念，成功了解決了使用金屬鋰的安全性問題。榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的三位科學(xué)家正是在此概念基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了鋰電池的發(fā)明和商業(yè)化。
事實(shí)上“搖椅式電池”概念并不為鋰離子電池所專享。在1970年代，鈉離子電池與鋰離子電池幾乎被同時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行研究。甚至在1980年代，鈉離子電池研究還取得了金屬層狀氧化物正極材料的發(fā)現(xiàn)。但是隨著1990年代鋰離子電池商業(yè)化的成功，鈉離子電池的研發(fā)工作也逐漸緩慢甚至陷入停滯。
轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在2010年前后，學(xué)界對(duì)鈉離子電池相關(guān)研究開始逐漸重視，鈉離子電池企業(yè)也開始逐漸興起，圍繞鈉離子的創(chuàng)投和資本也日益活躍。鈉離子電池迎來了發(fā)展的黃金時(shí)期。
伴隨著碳中和的東風(fēng)，鈉離子電池在資本市場(chǎng)上也獲得了巨大青睞。這個(gè)被認(rèn)為是鋰離子電池競(jìng)品和補(bǔ)充的產(chǎn)品，究竟如何在沉寂了50多年后強(qiáng)勢(shì)興起？
成本優(yōu)勢(shì)：巨大的潛力
資源差距是鈉離子電池和鋰離子電池最常常被拿來比較的。
與鈉相比，鋰的資源無疑是非常匱乏的。鋰資源在地殼中的豐度僅有0.0065%，而鈉的豐度高達(dá)2.75位居所有元素的第6位。從資源的集中度和易獲取程度而言，全球超過7成的鋰資源集中在美洲，而鈉資源卻遍布全球，極易獲得。
過去一年多的時(shí)間里，由于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能等市場(chǎng)對(duì)于動(dòng)力電池需求的強(qiáng)勁拉動(dòng)，鋰資源價(jià)格一路暴漲。電池用碳酸鋰價(jià)格已經(jīng)從2020年中約4萬元/噸漲至2022年4月約50萬元/噸。而作為鈉離子電池正極材料的前驅(qū)體，碳酸鈉價(jià)格長(zhǎng)期穩(wěn)定，價(jià)格基本維持在2000元/噸左右。
而這僅僅只是鈉離子電池與鋰離子電池成本差距的一部分。
從工作原理上來說，鈉離子電池與鋰離子電池一樣，都是“搖椅式電池”。鈉離子電池在充電時(shí)，鈉離子從正極脫出，經(jīng)電解液橫穿隔膜嵌入負(fù)極，使正極處于高電勢(shì)的貧鈉態(tài)，負(fù)極處于低電勢(shì)的富鈉態(tài)；放電過程則與之相反，鈉離子從負(fù)極脫出，經(jīng)電解液穿過隔膜嵌入正極材料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。
相似的原理讓鈉離子電池與鋰離子電池在結(jié)構(gòu)上高度一致，都包括了正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體。只是二者在材料選擇上有較大差異。
鈉離子電池的正極材料選擇包括了層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍(lán)類化合物等三個(gè)技術(shù)路線。負(fù)極材料選擇包括硬碳負(fù)極材料和軟碳負(fù)極材料路線。電解質(zhì)可以遵循鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)和思路。而在集流體材料的選擇上，由于鋁制集流體在低電位下易于與鋰發(fā)生合金化反應(yīng)，鋰離子電池負(fù)極處只能使用價(jià)格昂貴的銅箔作為集流體，鈉離子電池正負(fù)極集流體均可使用價(jià)格便宜的鋁箔。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)鈉離子電池企業(yè)中科海鈉創(chuàng)始人的胡勇勝介紹，鈉離子電池還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以直接使用現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)線，無需重新建設(shè)新的生產(chǎn)線。2021年，中科院物理所就利用鋰離子電池的生產(chǎn)線成功生產(chǎn)了8萬只鈉離子電池。“這使得鈉離子電池具有更快的市場(chǎng)化速度。”胡勇勝說。
但不得不承認(rèn)的是，這些成本優(yōu)勢(shì)更多的只能在鈉離子電池全面商業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)之后才能夠體現(xiàn)。根據(jù)國(guó)海證券研究，目前磷酸鐵鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟，設(shè)備折舊等費(fèi)用均已攤薄，行業(yè)平均成本約為0.5元/Wh。能量密度更高的三元鋰電池成本大約是0.7元/wh。
而鈉離子電池目前產(chǎn)業(yè)不成熟，產(chǎn)品也沒有量產(chǎn)，所以還無法體現(xiàn)出成本優(yōu)勢(shì)。目前成本大約1元/wh。根據(jù)中科海鈉預(yù)計(jì)，鈉離子電池成本為推廣期 0.5-0.7元/Wh；發(fā)展期0.3-0.5元/Wh；爆發(fā)期0.2-0.3元/Wh。待鈉離子電池產(chǎn)能達(dá)到GWh水平時(shí)，各項(xiàng)費(fèi)用攤薄，鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)將顯現(xiàn)出來。
成本優(yōu)勢(shì)在殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中并非全部。價(jià)格更高的三元鋰電池依然能依靠更強(qiáng)的性能獲得市場(chǎng)青睞，但鈉離子電池卻并不具備這一條件，其能量密度也大大低于三元鋰電池。
既沒有產(chǎn)業(yè)化帶來的低成本，也沒有明顯高出一截的性能優(yōu)勢(shì)，鈉離子電池憑什么在未來能源體系中占據(jù)一席之地呢？
差異化競(jìng)爭(zhēng)
2021年7月，寧德時(shí)代舉辦了首場(chǎng)線上發(fā)布會(huì)。董事長(zhǎng)曾毓群在會(huì)上發(fā)布了寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池。160Wh/kg的能量密度、15分鐘充電量80%、零下20攝氏度90%的放電保持率……寧德時(shí)代一出手就震撼了整個(gè)產(chǎn)業(yè)界。而在寧德時(shí)代之前，國(guó)內(nèi)企業(yè)實(shí)現(xiàn)的鈉離子電池能量密度為145Wh/kg。
即便是寧德時(shí)代宣布下一代鈉離子電池的能量密度將達(dá)到200Wh/kg，這一數(shù)據(jù)還沒有超過磷酸鐵鋰，距離能量密度更高的三元鋰更是有一定的差距。
在目前的技術(shù)條件下，鈉離子電池的電芯能量密度約為70-200Wh/kg，高于鉛酸電池的 30-50Wh/kg。目前鈉離子電池的能量密度相較于三元鋰電的200-350Wh/kg有所遜色，但與磷酸鐵鋰電池的150-210Wh/kg有重疊范圍。
鉛酸電池曾經(jīng)是電池領(lǐng)域的主流?！暗倾U酸電池有不可避免的環(huán)境污染問題。”胡勇勝說，“而且在新國(guó)標(biāo)公布后，鉛酸電池也面臨退役問題?！?
盡管能量密度不高，但憑借著低價(jià)優(yōu)勢(shì)，鉛酸電池一直是兩輪電動(dòng)車領(lǐng)域的主要儲(chǔ)能設(shè)備。但在兩輪電動(dòng)車的新國(guó)標(biāo)對(duì)整體重量設(shè)定55公斤上限后，重量大的鉛酸電池可能會(huì)被徹底淘汰。
即將被淘汰的鉛酸電池彰顯出了一個(gè)事實(shí)：面對(duì)龐大的能量存儲(chǔ)市場(chǎng)，不同的技術(shù)路線可能會(huì)有著不同的生存空間。
紅杉中國(guó)投資合伙人、紅杉碳中和研究院院長(zhǎng)、紅杉遠(yuǎn)景碳中和基金主席李俊峰說：“不同類型的電池有不同的價(jià)格、能量密度、安全性、便利性，在選擇電池的時(shí)候要根據(jù)產(chǎn)品特性的不同進(jìn)行選擇?！?
與鋰離子電池相比，安全性無疑是鈉離子電池的最大優(yōu)點(diǎn)。
此前，國(guó)家應(yīng)急管理部公布了2022年一季度新能源汽車火災(zāi)數(shù)據(jù)：共計(jì)640起，比去年同期上升32%，高于交通工具火災(zāi)平均（8.8%）增幅。平均每日超7例火災(zāi)。隨著電動(dòng)汽車普及率的提高，安全性問題也開始逐漸引起重視。盡管“搖椅式電池”大大降低了鋰電池的風(fēng)險(xiǎn)，但依然無法規(guī)避鋰元素自身帶來的安全新問題。
而鈉離子電池安全性更高。得益于更高的內(nèi)阻，鈉離子電池在短路狀況下瞬間發(fā)熱量少，熱失控溫度高于鋰離子電池，具備更高的安全性。在針對(duì)過充過放、針刺、擠壓測(cè)試時(shí)，鈉離子電池的安全性表現(xiàn)也讓人滿意。
相比于鋰離子電池-20℃到60℃的工作溫度區(qū)間，鈉離子電池可以在-40℃到80℃的溫度區(qū)間正常工作，-20℃環(huán)境下容量保持率近90%，高低溫性能更優(yōu)秀。
此外，鈉離子電池的倍率性能好，在快充方面具備優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池具備更好的倍率性能，能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電，這一特性使鈉離子電池能夠更好地勝任大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。
交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)τ趧?dòng)力電池的能量需求無疑是最高的，所以鈉離子電池即便在產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)低成本后，競(jìng)爭(zhēng)力依然有限。但是在儲(chǔ)能領(lǐng)域，環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)、成本更低、安全性更高的鈉離子電池?zé)o疑會(huì)有著極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。
戰(zhàn)略地位提升
隨著鈉離子電池技術(shù)的突破，其重要性也開始被各國(guó)所重視。
2020年，美國(guó)能源部發(fā)布《儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖》，通過“三大課題”和“五大路徑”推進(jìn)儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展。除了肯定鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，還表明有多家隸屬于美國(guó)能源部的研究機(jī)構(gòu)正專注于鈉離子電池的開發(fā)工作。
歐盟儲(chǔ)能計(jì)劃“電池2030”項(xiàng)目公布了未來重點(diǎn)發(fā)展的電池體系，其中包括鋰離子電池、非鋰離子電池和未來新型電池，項(xiàng)目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。歐盟“地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應(yīng)用耐久電池的核心組件”重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。
中國(guó)在2022年4月印發(fā)了《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》，提出開展鈉離子電池、新型鋰離子電池等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究?？萍疾吭凇笆奈濉逼陂g實(shí)施的“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)中，也將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，目標(biāo)是進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池的規(guī)模化、低成本化，提升綜合性能。
世界各國(guó)在政策等方面的重視也帶動(dòng)了企業(yè)研發(fā)的動(dòng)力。目前全球共有十幾家公司正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，包括英國(guó)Faradion公司、法國(guó)Timat、美國(guó)Natron Energy等公司，以及我國(guó)的中科海鈉、寧德時(shí)代、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等公司，都在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，均取得了重要成果。
不過由于鈉離子電池還沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)于能量密度的突破還存在一定的空間，所以不同的企業(yè)對(duì)于鈉離子電池的材料選擇也有不同的技術(shù)路線。
盡管相對(duì)較低的能量密度可以在儲(chǔ)能市場(chǎng)發(fā)揮作用，但尋求更高的能量密度依然是目前鈉離子電池全面產(chǎn)業(yè)化的首要挑戰(zhàn)。相較于鋰離子，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，離子擴(kuò)散速率較低，反映在電池性能上為理論容量和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征較為遜色，這些問題需要正極材料的突破來改善。得益于鋰離子電池成熟的技術(shù)與生產(chǎn)工藝，鈉離子電池正極材料發(fā)展較為迅速。
而負(fù)極材料和電解質(zhì)方面的突破則會(huì)讓鈉離子電池在本就突出的安全性方面更上一層樓。由于鈉離子電池內(nèi)阻較大，短路時(shí)瞬時(shí)放熱量較鋰離子電池少，溫升較低，在安全性方面具備先天優(yōu)勢(shì)。但鈉離子電池電解液易燃、負(fù)極處鈉枝晶生長(zhǎng)易導(dǎo)致短路等問題依舊存在，因此安全性的提高需要在負(fù)極材料、電解質(zhì)環(huán)節(jié)入手。
在鈉離子電池在能量密度和安全性實(shí)現(xiàn)更多突破之后，依托于已經(jīng)成熟的鋰離子電池生產(chǎn)體系，鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化無疑會(huì)更加迅速。胡勝勇表示，科研是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)還必須潛心科研，為實(shí)現(xiàn)鈉離子電池充電更快、能量密度更高、安全性更好、成本更低的目標(biāo)夯實(shí)基礎(chǔ)。
寧德時(shí)代已經(jīng)明確，將在2023年產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)鈉離子電池，鋰電池在稱雄電池產(chǎn)業(yè)三十多年后，可能迎來鈉離子電池的全面競(jìng)爭(zhēng)。
