有人認(rèn)為電池的化學(xué)體系已很難創(chuàng)新，只能在物理結(jié)構(gòu)上做些改進(jìn)。但電化學(xué)的世界，就像能量魔方，未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知。在一個(gè)存在萬億瓦時(shí)級電池需求的全電驅(qū)動(dòng)社會，鈉電池將與鋰電技術(shù)路線同臺競技，更加多元化的技術(shù)路線也將助力產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與發(fā)展。
今年5月，寧德時(shí)代董事長曾毓群在股東大會中表示，鈉離子電池技術(shù)已經(jīng)成熟，鈉離子電池產(chǎn)品將于7月份發(fā)布。7月29日，寧德時(shí)代成功舉行了首場線上發(fā)布會，董事長曾毓群發(fā)布了寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池，同時(shí)，創(chuàng)新的鋰鈉混搭電池包也在發(fā)布會上首次亮相。
揭秘鈉離子電池
上半年電池裝機(jī)量位居世界第一，寧德時(shí)代又出大招，僅用了10分鐘的發(fā)布會將第一代鈉離子電池公諸于世。電池是第三次能源革命的動(dòng)力，電池的革命促使新能源汽車的發(fā)展，諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會稱，正是鋰離子電池在手機(jī)、電腦、汽車、儲能等領(lǐng)域的使用，證明了無化石燃料社會的可能性。所以鋰資源萬眾矚目，前段時(shí)間電池企業(yè)、車企紛紛布局搶占。
動(dòng)力電池后創(chuàng)新時(shí)代，鋰電池的商用稱霸電池行業(yè)多年，各動(dòng)力電池企業(yè)幾乎都在發(fā)力配方和結(jié)構(gòu)改良，而對于底層技術(shù)的探索卻鮮見蹤跡。這些“微”創(chuàng)新沒有推動(dòng)動(dòng)力電池的革新?！坝腥苏J(rèn)為電池的化學(xué)體系已很難創(chuàng)新，只能在物理結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)?！痹谷涸u價(jià)。
也有人說，這是動(dòng)力電池行業(yè)的“內(nèi)卷”。確實(shí)化學(xué)體系的更新更難更具挑戰(zhàn)，涉及到整個(gè)材料體系，要兼顧安全性、能量密度、成本、使用壽命、耐溫性、補(bǔ)能速度等維度，其復(fù)雜程度難以想象。鈉離子電池的出現(xiàn)從某種程度上讓我們看到了希望，這是一種材料體系的創(chuàng)新，動(dòng)力電池行業(yè)需要這樣的創(chuàng)新。
鈉離子電池到底是什么來頭，可以一石激起千層浪？鈉離子電池有著與鋰離子電池相似的工作原理，主要通過鈉離子在正負(fù)極之間的嵌入、脫出實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。相較鋰離子，鈉離子體積較大，在材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能方面要求
更嚴(yán)苛，這也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。在正極材料方面，寧德時(shí)代采用了克容量較高的普魯士白材料，創(chuàng)新性地對材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減這一核心難題。
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?；诓牧象w系的一系列突破，第一代鈉離子電池具備高能量密度、高倍率充電、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的低溫性能與高集成效率等優(yōu)勢。
鈉鋰集成不同凡響
雖然動(dòng)力電池領(lǐng)域化學(xué)體系的革新艱難，“但我們認(rèn)為，電化學(xué)的世界，就像能量魔方，未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知，我們樂此不疲地探索著其中的奧秘?！痹谷罕硎?。
事實(shí)上，鈉離子電池在電池領(lǐng)域并非首次亮相，早在二十世紀(jì)七十年代末期就與鋰電池同期開始研究。鋰離子半徑更小、標(biāo)準(zhǔn)電勢更高、比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉，因此得到了更早以及更廣泛的應(yīng)用，鋰電池成為了主流的動(dòng)力電池。
鈉離子電池?fù)碛泻芏噙^人之處：資源方面來看，解決我國鋰資源依靠進(jìn)口、受制于人的現(xiàn)狀；鈉資源相對豐富，有效解決資源瓶頸問題。安全性上，鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰電池高，在短路的情況下瞬時(shí)發(fā)熱量少，溫升較低，熱失控溫度高于鋰電池，具備更高的安全性。
另一方面，鈉離子電池可以在-40℃到 80℃的溫度區(qū)間正常工作， -20℃的環(huán)境下容量保持率接近 90%，高低溫性能優(yōu)于其他電池；充電方面，常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上；在-20°C低溫環(huán)境中，也擁有90%以上的放電保持率；
材料方面，具有突出成本優(yōu)勢，由于碳酸鈉價(jià)格遠(yuǎn)低于碳酸鋰，并且正極材料通常使用銅、鐵等大宗金屬材料，因此正極材料成本低于鋰電池。使用 NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉電池的正極材料成本僅為磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰電池正極材料成本的40%，而電池總的材料成本較后者降低30%-40%。
但是鈉離子電池也具有一些先天不足，特別是在能量密度決定論的當(dāng)下，鈉離子電池的能量密度為人所詬病，以及體積劣勢，成為了商用路上的絆腳石。
為此，寧德時(shí)代突破性的推出了“AB電池”的解決方案，將鈉離子電池與鋰離子電池的集成混合共用，既彌補(bǔ)了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，也發(fā)揮出了它高功率、低溫性能好的優(yōu)勢。以此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為基礎(chǔ)，可為鋰鈉電池系統(tǒng)拓展更多應(yīng)用場景。
鈉離子電池前景如何
寧德時(shí)代表示，目前正進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化布局，預(yù)計(jì)2023年形成產(chǎn)業(yè)鏈。從制造流程來看，鈉離子電池可以實(shí)現(xiàn)與鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備、工藝的完美兼容，產(chǎn)線可進(jìn)行快速切換，完成產(chǎn)能快速布局，鈉離子電池技術(shù)勢必會出現(xiàn)在我們的生活中。不過，鈉離子電池落地之后，想要進(jìn)入汽車行業(yè)，大概率要從”基層“做起。
在低速電動(dòng)車領(lǐng)域，鋰電池成本過高往往無法被消費(fèi)者接受，劣質(zhì)鋰電池頻繁出現(xiàn)安全問題也常被詬病。因此，鈉離子電池就擁有很大優(yōu)勢。鈉離子電池能量密度和循環(huán)壽命不算出色，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)過鉛酸電池，可以說是降維打擊。
2020年國內(nèi)新增2966萬輛電動(dòng)自行車，低速電動(dòng)車行業(yè)對于電池需求旺盛，未來有望在這一行業(yè)取代鉛酸電池成為主要?jiǎng)恿﹄姵?。在A00級和 A0 級電動(dòng)車領(lǐng)域，性價(jià)比是決定性因素。對于該級別電動(dòng)車，消費(fèi)者更看重價(jià)格。因此，A00級和A0級市場，將會是鈉離子電池應(yīng)用在純電動(dòng)乘用車領(lǐng)域的主戰(zhàn)場。商用車同樣看重電池成本和續(xù)航里程，并且由于自身體積大，對能量密度敏感度較低，如果依靠堆砌鈉離子電池?cái)?shù)量和體積的方式，也很有想象空間。
光大證券認(rèn)為，鈉離子電池在電動(dòng)兩輪車與A00級別汽車領(lǐng)域均有較好應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)2025年兩輪車需求41GWh，A00級汽車需求34GWh。若鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化順利推進(jìn)，將對鐵鋰電池實(shí)現(xiàn)替代。
此外，儲能行業(yè)也是鈉離子電池的一大市場。去年7月，新能源成為國家電網(wǎng)第二大電源，預(yù)計(jì)到2030年，煤炭在能源消費(fèi)中的比例會降到44%。在碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)下，中國正在進(jìn)入一個(gè)全電驅(qū)動(dòng)的社會，儲能將成為未來電力系統(tǒng)的重中之重。
儲能行業(yè)使用鈉離子電池后，可以有效減少儲能電池組對鋰、鈷、銅等資源的需求，能夠進(jìn)一步增加我國電能儲存能力。同時(shí)，釋放出的鋰電池資源能夠進(jìn)入汽車市場，應(yīng)對日益增多的電動(dòng)車生產(chǎn)，減輕汽車行業(yè)的壓力。
中信證券認(rèn)為，鈉離子電池憑借成本優(yōu)勢，有望在對能量密度要求較低的儲能、工程機(jī)械、通信基站、兩輪車等場景實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，對鋰離子電池、鉛酸電池等成熟的儲能技術(shù)形成一定補(bǔ)充。
電池產(chǎn)業(yè)還將“三條腿走路”
電池系統(tǒng)集成方面，寧德時(shí)代開發(fā)了AB電池系統(tǒng)解決方案，即鈉離子電池與鋰離子電池兩種電池按一定比例進(jìn)行混搭，集成到同一個(gè)電池系統(tǒng)里，通過BMS精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制。鋰電池與鈉離子電池混合后，能夠在提高續(xù)航、安全的同時(shí)，降低成本。
電動(dòng)車與燃油車成本的差異主要存在于電池之中，按國內(nèi)外普遍認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池成本降到 100 美元 /kWh，電動(dòng)車才能在成本方面與燃油車抗衡。但2020年鋰離子電池平均成本仍在 150 美元 /kWh，鈉離子電池的加入將有望降低電池成本，從而加大電動(dòng)車的普及。
未來一段時(shí)間，鈉離子電池，磷酸鐵鋰和三元鋰電將會共同存在，三種電池優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)。鈉離子電池成本低，資源豐度高，但是存在能量密度低的缺點(diǎn)。三元鋰電池性能強(qiáng)，能量密度高，低溫性能優(yōu)秀，同時(shí)存在安全性低和成本高的缺點(diǎn)，且資源稀缺。磷酸鐵鋰安全性和成本介于鈉離子電池和三元鋰電池之間，但是低溫性能不好，而且同時(shí)需要鋰礦資源。
工信部在答復(fù)全國人大代表王維峰提出的“關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的建議”時(shí)強(qiáng)調(diào)，鋰離子電池是目前主流的電池產(chǎn)品，由于全球鋰資源儲量有限且分布極不均勻，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展將面臨潛在的資源供給不足問題。
鈉離子電池作為極具潛力的新一代電池產(chǎn)品，具有廣闊應(yīng)用前景，同時(shí)，鈉離子電池也還存在基礎(chǔ)研究尚不完備、核心材料亟待突破、組裝工藝仍需完善等問題，其體積比能量、比功率等性能指標(biāo)也尚有不足，整體產(chǎn)業(yè)化步伐還有待持續(xù)推進(jìn)。
亂世出英雄。在接下來這場動(dòng)力電池 “混戰(zhàn)”中，鈉電池究竟能否突出重圍，為動(dòng)力電池提供新思路，形成多元化技術(shù)路線，充滿可能性的”十四五“值得期待。
