新型電池技術(shù)路線再次引發(fā)全球關(guān)注。
繼固態(tài)鋰離子電池之后，作為新型電池的鈉離子電池進入大眾視野。9月16日，國內(nèi)動力電池巨頭寧德時代公司董事長助理孟祥峰透露，2022年寧德時代將有一條鈉離子電池生產(chǎn)線投產(chǎn)運行。
此前的7月29日，寧德時代對外發(fā)布其第一代鈉離子電池，宣稱其電芯單體能量密度達到160瓦時/千克，為目前全球最高水平。這種電池在常溫下充電15分鐘，電量可達80%；在零下20攝氏度的低溫環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率；系統(tǒng)集成效率可達80%以上。
同時，這種新型電池已經(jīng)進入決策部門的視野。8月25日，工信部在答復(fù)政協(xié)第十三屆全國委員會第四次會議第4815號（工交郵電類523號）的提案中稱，將組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究機構(gòu)適時開展鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定，并在標(biāo)準(zhǔn)立項、標(biāo)準(zhǔn)報批等環(huán)節(jié)予以支持。
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科技部日前也表示，將在“十四五”期間實施“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點專項，并將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，以進一步推動鈉離子電池的規(guī)模化、低成本化，提升綜合性能。
作為一種理論上歷史悠久的產(chǎn)品，鈉離子電池與鋰電子電池相比有哪些優(yōu)點和缺點，為什么這么多年沒有商業(yè)化？未來鈉離子電池主要應(yīng)用在哪些領(lǐng)域，能否與鋰離子電池在市場上爭鋒？
優(yōu)點突出，短板明顯
鈉離子電池也是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，其工作原理與鋰離子電池相似。
在化學(xué)周期表中，鈉元素和鋰元素屬于同一主族，同族元素最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相似，這讓鈉離子電池有了和鋰離子電池表現(xiàn)趨同的可能性。
目前，全球電池企業(yè)加快鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化速度，主要有兩大內(nèi)在動力：一是電池級碳酸鋰價格在9月15日已達14萬元/噸的高峰，從2020年年底至今漲幅超過150%，而且并沒有停下來的趨勢，這讓電池企業(yè)的成本壓力陡增；二是中國鋰鹽上游原材料（鹽湖鹵水或礦石）70%依賴進口，鋰資源對外依存度高引發(fā)供應(yīng)鏈安全焦慮。
鈉資源在地殼中具有高達2.75%的豐度（鋰資源僅為0.0065%），成本為2元/千克，遠低于鋰資源的150元/千克；分布在礦石、鹽湖、海水等中，在全球的陸地或者海洋都有廣泛的分布，不像鋰資源主要集中在部分地區(qū)。
從電池的性能來看，分析認(rèn)為，鈉離子電池有四大優(yōu)點：一是材料成本低，國內(nèi)鈉離子電池企業(yè)中科海鈉的研究顯示，鈉離子電池可以比磷酸鐵鋰價格低30%～40%；二是能量密度較高：大致范圍為 100～160瓦時/千克，高于鉛酸電池的30～50瓦時/千克，低于磷酸鐵鋰離子電池的 120～200瓦時/千克；三是安全性高、溫度性能優(yōu)異，鈉離子電池可以在零下40攝氏度到零上80攝氏度的溫度區(qū)間正常工作，零下20攝氏度的環(huán)境下容量保持率接近90%，高低溫性能優(yōu)于其他二次電池；四是倍率性能好，快充具備優(yōu)勢，充電時間只需要10分鐘左右。目前量產(chǎn)的三元鋰離子電池即使是在直流快充模式下，將電量從 20%充至80%通常只需要30分鐘，磷酸鐵鋰則需要45分鐘左右。
既然鈉離子電池有這么多優(yōu)點，那么為什么一直沒能量產(chǎn)？原因主要在于其材料體系并不成熟，這也是其最大的短板。
客觀而言，從性能來看， 鈉離子電池的成本、能量密度、循環(huán)壽命、低溫性能以及環(huán)保性等方面全面優(yōu)于鉛酸電池，但與磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池相比還有很大差距，其在短期內(nèi)的主戰(zhàn)場和應(yīng)用領(lǐng)域，將是鉛酸電池的替代品。從應(yīng)用場景來看，鈉離子電池最有希望先去占領(lǐng)兩輪電動車、小型動力以及低端儲能這些鉛酸電池的市場。
同時誕生，命運迥異
鈉離子電池與鋰離子電池，從理論上是在同一時期誕生的。
它們均起源于20世紀(jì)70年代，并同步研發(fā)出可適用正極的材料。20世紀(jì)80年代石墨儲鋰機理被發(fā)現(xiàn)，并以此為負極開發(fā)出“搖椅式電池”的鋰離子電池原型，而鈉離子較鋰離子半徑更大，無法以石墨作為鈉離子電池負極，這也成為兩類電池后來發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。
二者命運的差異，隨著20世紀(jì)90年代日本企業(yè)索尼公司將鋰離子電池商業(yè)化進一步拉大。業(yè)內(nèi)由此大幅降低了對鈉離子電池相關(guān)領(lǐng)域的研究投入。雖然2000年適用于鈉離子電池的硬碳負極終于被開發(fā)出來，但鈉離子電池飽受性能不如鋰離子電池的詬病，不具備替代優(yōu)勢，在2015年之前并未得到大發(fā)展。
2015年是鈉離子電池商業(yè)化的一個拐點，隨著新能源汽車和儲能拉動的動力電池需求爆發(fā)，出于對鋰資源瓶頸的擔(dān)心，不少產(chǎn)業(yè)界和資本界人士開始再次關(guān)注和推動鈉離子電池的商業(yè)化。
從材料體系來看，由于核心傳導(dǎo)離子的區(qū)別，除了隔膜材料基本一致外，鈉離子電池在正極、負極、電解液、集流體方面與鋰離子電池均有所差異，目前可以量產(chǎn)的技術(shù)路線尚未確定。
具體而言，鈉離子電池的正極材料比較多樣，主要有氧化物類、普魯士白類、聚陰離子類等三大類材料。目前中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源等企業(yè)采用了O3層狀結(jié)構(gòu)氧化物體系。寧德時代選用了能量密度更高但合成較為困難的普魯士白體系，其能量密度可達160 瓦時/千克，通過對材料體相結(jié)構(gòu)進行電荷重排，解決了電池容量在循環(huán)過程中快速衰減的問題。
從負極材料來看，目前鈉離子電池負極材料主要有金屬化合物、碳基材料、合金材料、非金屬單質(zhì)四類路線，其中碳材料又分成硬碳或軟碳，標(biāo)準(zhǔn)就是在2800攝氏度高溫?zé)崽幚硐绿际欠窨梢猿浞质Ｒ蜮c離子難以像鋰離子般在石墨間自由穿梭，鋰離子電池常用的石墨負極難以應(yīng)用在鈉離子電池上。例如，寧德時代采用的硬碳材料，可讓大量的鈉離子儲存和快速通行，具備優(yōu)異的循環(huán)性能。
再看電解液：溶劑方面，鋰離子電池的溶劑均可與鈉離子電池兼容；溶質(zhì)方面，鈉離子電池中溶質(zhì)濃度要求更低，鈉鹽可更換為六氟磷酸鈉（NaPF6）、高氯酸鈉（NaClO4）等。寧德時代開發(fā)了適配鈉離子電池正負極材料的獨特電解液體系。
就隔膜材料而言，鈉離子電池隔膜與鋰離子電池基本沒有區(qū)別，主要包括聚乙烯和聚丙烯等。
在集流體材料方面，相比鋰離子電池的正極鋁箔、負極銅箔的集流體體系，鈉離子電池正負極皆可使用鋁箔。
從生產(chǎn)設(shè)備與工藝來看，鈉離子電池與鋰離子電池區(qū)別不大，這有利于鈉離子電池企業(yè)利用現(xiàn)成設(shè)備和工藝快速投入商業(yè)化生產(chǎn)。
因此，鈉離子產(chǎn)業(yè)鏈的競爭環(huán)節(jié)主要在正極材料和電芯企業(yè)。由于競爭剛剛開始，誰能成為龍頭企業(yè)現(xiàn)在還難以判斷。
十年磨練，尚待觀察
在過去的十年間，鈉離子電池慢慢地從一個小眾產(chǎn)品，逐漸演變成了今天熱門的產(chǎn)品。
2011年，由牛津大學(xué)主導(dǎo)的 Faradion公司宣告成立，這是全球首家從事鈉離子電池研究的公司。其在2015年開發(fā)出電池系統(tǒng)，技術(shù)路線為層狀金屬氧化物和硬碳材料體系。
2015年，F(xiàn)aradion公司與威廉姆斯高級工程（Williams Advanced Engineering ）公司、牛津大學(xué)合作展示了全球首款鈉離子電池驅(qū)動的電動車；今年4月，其獲得澳大利亞ICM公司的一份鈉離子電池的訂單，這也是Faradion在澳大利亞的首份鈉離子電池訂單。
成立于2017年2月的中科海鈉是國內(nèi)首家鈉離子電池公司，公司團隊成員主要來自中科院物理化學(xué)研究所。2017年年底，中科海鈉研制出 48伏/10安時鈉離子電池組，應(yīng)用于電動自行車。2018年 9 月，該公司推出首輛鈉離子電池低速電動車。2019年 3月，其自主研發(fā)的 30千瓦/100千瓦時鈉離子電池儲能電站在江蘇省溧陽市成功示范運行。2021 年 6 月，該公司推出的全球首套 1兆瓦時鈉離子電池儲能系統(tǒng)在山西太原正式投入運營，其電芯能量密度已接近 150瓦時/千克, 循環(huán)壽命達4000次以上。
2018年5月，上海交大背景的研發(fā)團隊成立了浙江鈉創(chuàng)新能源。該公司由上海電化學(xué)能源器件工程技術(shù)研究中心、上海紫劍化工科技有限公司和浙江醫(yī)藥股份有限公司共同發(fā)起成立。2019年 4月，其正極材料中試線建成，并實現(xiàn)滿負荷運行；2021年 7月，該公司與愛瑪科技集團聯(lián)合發(fā)布電動自行車使用的鈉離子電池系統(tǒng)。
在國內(nèi)上市公司中，寧德時代布局最早。其從 2015年開始研發(fā)鈉離子電池，近年來研發(fā)隊伍迅速擴大；2020年 6月，該公司宣布成立 21C創(chuàng)新實驗室，中短期主要方向為鋰金屬電池、固態(tài)鋰離子電池和鈉離子電池；2021 年 7月，其推出的第一代鈉離子電池，采用普魯士白/硬碳體系。在寧德時代的規(guī)劃中，下一代鈉離子電池能量密度研發(fā)目標(biāo)是 200瓦時/千克以上，到2023年將形成鈉離子電池的基本產(chǎn)業(yè)鏈。
此外，多家上市公司借近期鈉離子電池?zé)岫?，也披露了相關(guān)布局。比如，容百科技、百川股份、當(dāng)升科技、派能科技、新宙邦等都公布了某些技術(shù)儲備，但未見到其實際生產(chǎn)能力。由此看來，鈉離子電池能否形成燎原之勢，尚待觀察。圖片
