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    沈陽蓄電池研究所主辦

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    鈉離子電池爭雄

    作者: 記者 武魏楠 來源:能源雜志

    在鋰資源爭奪日益激烈的當下,在技術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獎揭曉。美國科學家約翰·古迪納夫、英裔美國科學家斯坦利·惠廷厄姆與日本科學家吉野彰共同獲得此獎,以表彰他們在鋰離子電池領域作出的突出貢獻。

    自1991年實現商業化進入市場之后,鋰電池先是開啟了電子設備便攜化的進程,最近十幾年,鋰電池又再次成為世界能源轉型的重要支撐。

    但是,在技術上與鋰電池一脈相承鈉離子電池,卻在科研和商業化應用上大大落后了。隨著近年來鋰資源爭奪日漸激烈,鈉離子電池重新進入了人們的視野。

    鋰電池的研發起源于20世紀的70年代,全球石油危機的爆發再加上石油峰值論的出現,讓各類替代能源的研發成為一時風口。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,所以當它成為電池中的電極材料時,可以帶來更高的能量密度。但由于它也是最活潑的金屬,遇到氧氣時會產生強烈的化學反應,釋放熱量,甚至爆炸,所以很難控制。

    很少有人知道,一位法國科學家的理論改變了鋰電池的命運。1980年,法國科學家Michel Armand等人提出了用嵌入和脫出物質作為二次鋰電池正負極的新構想,組成沒有金屬鋰的電池。充放電過程中鋰離子在正負極之間來回穿梭,反復循環。

    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。榮獲諾貝爾獎的三位科學家正是在此概念基礎上,實現了鋰電池的發明和商業化。

    事實上“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發現并進行研究。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現。但是隨著1990年代鋰離子電池商業化的成功,鈉離子電池的研發工作也逐漸緩慢甚至陷入停滯。

    轉機出現在2010年前后,學界對鈉離子電池相關研究開始逐漸重視,鈉離子電池企業也開始逐漸興起,圍繞鈉離子的創投和資本也日益活躍。鈉離子電池迎來了發展的黃金時期。

    伴隨著碳中和的東風,鈉離子電池在資本市場上也獲得了巨大青睞。這個被認為是鋰離子電池競品和補充的產品,究竟如何在沉寂了50多年后強勢興起?

    成本優勢: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。

    過去一年多的時間里,由于電動汽車、儲能等市場對于動力電池需求的強勁拉動,鋰資源價格一路暴漲。電池用碳酸鋰價格已經從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體,碳酸鈉價格長期穩定,價格基本維持在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,鈉離子從正極脫出,經電解液橫穿隔膜嵌入負極,使正極處于高電勢的貧鈉態,負極處于低電勢的富鈉態;放電過程則與之相反,鈉離子從負極脫出,經電解液穿過隔膜嵌入正極材料中,使正極恢復到富鈉態。

    相似的原理讓鈉離子電池與鋰離子電池在結構上高度一致,都包括了正極、負極、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、普魯士藍類化合物等三個技術路線。負極材料選擇包括硬碳負極材料和軟碳負極材料路線。電解質可以遵循鋰離子電池的經驗和思路。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生合金化反應,鋰離子電池負極處只能使用價格昂貴的銅箔作為集流體,鈉離子電池正負極集流體均可使用價格便宜的鋁箔。

    據中國科學院物理研究所研究員,同時也是國內鈉離子電池企業中科海鈉創始人的胡勇勝介紹,鈉離子電池還有一個優點就是可以直接使用現有的鋰離子電池生產線,無需重新建設新的生產線。2021年,中科院物理所就利用鋰離子電池的生產線成功生產了8萬只鈉離子電池。“這使得鈉離子電池具有更快的市場化速度。”胡勇勝說。

    但不得不承認的是,這些成本優勢更多的只能在鈉離子電池全面商業化、大規模生產之后才能夠體現。根據國海證券研究,目前磷酸鐵鋰電池產業鏈成熟,設備折舊等費用均已攤薄,行業平均成本約為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業不成熟,產品也沒有量產,所以還無法體現出成本優勢。目前成本大約1元/wh。根據中科海鈉預計,鈉離子電池成本為推廣期 0.5-0.7元/Wh;發展期0.3-0.5元/Wh;爆發期0.2-0.3元/Wh。待鈉離子電池產能達到GWh水平時,各項費用攤薄,鈉離子電池的成本優勢將顯現出來。

    成本優勢在殘酷的市場競爭中并非全部。價格更高的三元鋰電池依然能依靠更強的性能獲得市場青睞,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。

    既沒有產業化帶來的低成本,也沒有明顯高出一截的性能優勢,鈉離子電池憑什么在未來能源體系中占據一席之地呢?

    差異化競爭

    2021年7月,寧德時代舉辦了首場線上發布會。董事長曾毓群在會上發布了寧德時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……寧德時代一出手就震撼了整個產業界。而在寧德時代之前,國內企業實現的鈉離子電池能量密度為145Wh/kg。

    即便是寧德時代宣布下一代鈉離子電池的能量密度將達到200Wh/kg,這一數據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。

    鉛酸電池曾經是電池領域的主流。“但是鉛酸電池有不可避免的環境污染問題。”胡勇勝說,“而且在新國標公布后,鉛酸電池也面臨退役問題。”

    盡管能量密度不高,但憑借著低價優勢,鉛酸電池一直是兩輪電動車領域的主要儲能設備。但在兩輪電動車的新國標對整體重量設定55公斤上限后,重量大的鉛酸電池可能會被徹底淘汰。

    即將被淘汰的鉛酸電池彰顯出了一個事實:面對龐大的能量存儲市場,不同的技術路線可能會有著不同的生存空間。

    紅杉中國投資合伙人、紅杉碳中和研究院院長、紅杉遠景碳中和基金主席李俊峰說:“不同類型的電池有不同的價格、能量密度、安全性、便利性,在選擇電池的時候要根據產品特性的不同進行選擇。”

    與鋰離子電池相比,安全性無疑是鈉離子電池的最大優點。

    此前,國家應急管理部公布了2022年一季度新能源汽車火災數據:共計640起,比去年同期上升32%,高于交通工具火災平均(8.8%)增幅。平均每日超7例火災。隨著電動汽車普及率的提高,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險,但依然無法規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。得益于更高的內阻,鈉離子電池在短路狀況下瞬間發熱量少,熱失控溫度高于鋰離子電池,具備更高的安全性。在針對過充過放、針刺、擠壓測試時,鈉離子電池的安全性表現也讓人滿意。

    相比于鋰離子電池-20℃到60℃的工作溫度區間,鈉離子電池可以在-40℃到80℃的溫度區間正常工作,-20℃環境下容量保持率近90%,高低溫性能更優秀。

    此外,鈉離子電池的倍率性能好,在快充方面具備優勢。鈉離子電池具備更好的倍率性能,能夠適應響應型儲能和規模供電,這一特性使鈉離子電池能夠更好地勝任大規模儲能方面的應用。

    交通運輸領域對于動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業化實現低成本后,競爭力依然有限。但是在儲能領域,環境適應性更強、成本更低、安全性更高的鈉離子電池無疑會有著極強的競爭力。

    戰略地位提升

    隨著鈉離子電池技術的突破,其重要性也開始被各國所重視。

    2020年,美國能源部發布《儲能大挑戰路線圖》,通過“三大課題”和“五大路徑”推進儲能領域的發展。除了肯定鈉離子電池在儲能領域的應用潛力,還表明有多家隸屬于美國能源部的研究機構正專注于鈉離子電池的開發工作。

    歐盟儲能計劃“電池2030”項目公布了未來重點發展的電池體系,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研究和創新計劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應用耐久電池的核心組件”重點發展項目。

    中國在2022年4月印發了《“十四五”新型儲能發展實施方案》,提出開展鈉離子電池、新型鋰離子電池等關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究。科技部在“十四五”期間實施的“儲能與智能電網技術”重點專項中,也將鈉離子電池技術列為子任務,目標是進一步推動鈉離子電池的規模化、低成本化,提升綜合性能。

    世界各國在政策等方面的重視也帶動了企業研發的動力。目前全球共有十幾家公司正在進行鈉離子電池產業化開發,包括英國Faradion公司、法國Timat、美國Natron Energy等公司,以及我國的中科海鈉、寧德時代、鈉創新能源、星空鈉電等公司,都在進行鈉離子電池產業化的相關布局,均取得了重要成果。

    不過由于鈉離子電池還沒有實現產業化,對于能量密度的突破還存在一定的空間,所以不同的企業對于鈉離子電池的材料選擇也有不同的技術路線。

    盡管相對較低的能量密度可以在儲能市場發揮作用,但尋求更高的能量密度依然是目前鈉離子電池全面產業化的首要挑戰。相較于鋰離子,鈉離子質量和半徑更大,離子擴散速率較低,反映在電池性能上為理論容量和反應動力學特征較為遜色,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與生產工藝,鈉離子電池正極材料發展較為迅速。

    而負極材料和電解質方面的突破則會讓鈉離子電池在本就突出的安全性方面更上一層樓。由于鈉離子電池內阻較大,短路時瞬時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勢。但鈉離子電池電解液易燃、負極處鈉枝晶生長易導致短路等問題依舊存在,因此安全性的提高需要在負極材料、電解質環節入手。

    在鈉離子電池在能量密度和安全性實現更多突破之后,依托于已經成熟的鋰離子電池生產體系,鈉離子電池的產業化無疑會更加迅速。胡勝勇表示,科研是產業化的基礎,在帶領團隊產業化的同時還必須潛心科研,為實現鈉離子電池充電更快、能量密度更高、安全性更好、成本更低的目標夯實基礎。

    寧德時代已經明確,將在2023年產業化生產鈉離子電池,鋰電池在稱雄電池產業三十多年后,可能迎來鈉離子電池的全面競爭。


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