電池技術新突破,寧德時代瞄準鈉電池

【EV視界報道】“我們的技術在發展,鈉電池已經成熟了。”寧德時代董事長曾毓群在2020年度股東大會上放出了一枚訊號彈,7月前後,寧德時代的鈉離子電池即將問世。

電池技術新突破,寧德時代瞄準鈉電池

眾所周知,多年來車用動力電池材料採用的是稀有且相對昂貴的鋰,拖慢了全球電動汽車快速普及的步伐。無論是電池廠商,還是汽車廠商都一直在尋求電池技術的突破。鈉離子電池或許是一個可行方案。

鈉電池為何物?

鈉離子技術不需要稀缺資源,製作陰極無需稀有的鋰鹽,只要普通鹽便足夠。高效能陽極可以使用褐煤、木材和其他生物質製成。在生產過程中也不需要鈷或類似的稀有金屬。

鋰和鈉這兩種金屬有非常相似的化學特性。與較為稀有的鋰相比,鈉具有原材料豐富、容易獲得、安全性高、價格低廉等優勢,鈉離子電池工藝技術等也與鋰離子電池相近,可以借鑑使用。因此,鈉離子電池被視為極具潛力的下一代電化學儲能技術。

但鈉也有兩個缺點,一是重量比鋰高三倍,所以儘管鋰電池的鋰含量佔電池總重不到5%,一個鈉離子的電池仍會比鋰電池更重。二是鈉電池的效能較弱,由於鈉離子的載電量比鋰電池少0。3伏,不可避免地會損失約10%的能量密度。國外有研究結果顯示,若以石墨烯電極替代石墨陽極安裝在鈉離子電池中,或許能實現更高的儲存容量,這為開發價格低廉的鈉電池提供了突破口。

電池技術新突破,寧德時代瞄準鈉電池

鈉離子電池的研究起始於上世紀70年代,但與鋰電池相比進展相對緩慢,2010年前後學術界開始重視鈉離子電池的研發,2015年第一代鈉離子電池開始邁入商業化程序。

近年來,鈉離子電池研發取得積極進展,科學出版物的一些報告顯示,韓國研發的鈉離子電池在經過約500次完整充放電迴圈後,電池容量僅下降至原來的80%。由一個美中研究小組開發的另一種鈉電池,在相同的電池容量下約能完成450次充放電。而一箇中國製作的鈉離子電池雖然容量較小,但在經過1200次12分鐘快充後,還有70%的電池容量。

作為未來的電池趨勢之一,令人欣喜的是,鈉離子電池已不再是一個理論概念,相關技術的突破似乎已近在眼前。國外研究結果表明,目前已經有切實可行、價格合理且節省資源的替代品可以取代昂貴的鋰電池,甚至可能透過多層結構提高其效能。但距離鈉離子電池技術的完備、大批次生產並用於電動車上,肯定還需要一段時間。

對於鈉離子電池的成本問題,曾毓群表示,由於是新興的電池技術,鈉離子電池不是剛推出來就很便宜,因為目前的供應鏈規模很小,不夠成熟,鈉離子電池可能比鋰離子電池貴一些。

鈉取代鋰?

今年1月,在第七屆百人會論壇上,中國工程院院士陳立泉提出,除了固態電池,現在還應該關注鈉離子電池的發展。

陳立泉認為,目前的鋰離子電池,石墨負極,磷酸鐵鋰、三元或者鈷酸鋰做正極,電解質是可燃的液體電解質,容易引起安全憂慮。另外,能量密度到達300瓦時/公斤,已經到了液態鋰離子電池的極限。

因此,陳立泉建議新一代電池要發展鈉離子電池,“鈉離子電池跟鋰離子電池工藝、技術各方面都差不多,負極也是碳,我們現在是用無煙煤,正極可以不含貴重金屬,鈷、鎳都不含,可以只含銅、鐵和錳這些比較便宜的元素。目前鈉離子電池能量密度可以到150瓦時/公斤,做得好可以到200瓦時/公斤。另外,能源網際網路可以實現能源的低碳化,要發展能源網際網路一定需要儲能,儲能現在一個是鋰離子電池、一個是鈉離子電池,這就是新一代電池的重要性。”

電池技術新突破,寧德時代瞄準鈉電池

從成本角度,陳立泉以鋰電池中最便宜的磷酸鐵鋰電池做了對比,磷酸鐵鋰每瓦時的原材料成本是3毛4,鈉離子電池的原材料成本每瓦時是2毛6,比較便宜。“2021年碳酸鋰的價格還在上漲,1月是54000元/噸,比去年上漲了12000元/噸,有的公司甚至報63000元/噸,估計以後碳酸鋰的價格還會漲,這是一定要發展鈉離子電池很重要的原因。”

陳立泉團隊的研究顯示,6安時軟包裝鈉離子電池的能量密度達到了145瓦時/公斤,已經相當高。5C充/5C放是1C充/1C放容量的90%,10C充/10放容量是1C充/1C放的70%,快充效能比鋰離子電池還好。1C充/1C放的迴圈性大於6000次,3C充/3C放可以到3000次,迴圈性還是相當不錯的。同時,這款6安時鈉離子電池的高低溫效能表現也較好。

對於鈉離子電池能否取代鋰離子電池?國泰君安證券的報告指出,中國70%的鋰資源需要進口,因此發展鈉離子電池是對三元高鎳技術的有益補充,鈉離子電池能對鋰電池供應形成支撐和保障作用。

東北證券則認為,鈉電池對鋰電池的替代性實際上很微弱。考慮到鈉儲量比鋰豐富,應當重視鈉電池作為技術儲備、保障能源安全的戰略意義,但不應過分高估其商業價值。

華安證券也認為,鈉離子電池與鋰離子電池相比的原材料優勢主要在於將鋰鹽換成鈉鹽,且銅箔換成鋁箔;但鈉離子電池的低能量密度及迴圈效能對應更多的輔材消耗以及更高的度電成本。除去規模化因素之外,鈉離子電池的降本之路仍然面臨重重阻礙。

華金證券認為,鈉離子電池技術是鋰離子電池的有效補充,但考慮到其理論能量密度低於三元鋰電池,該短板或將導致鈉離子電池永遠無法在高階車型上實現大規模的應用。鈉離子電池有望在儲能市場和低端動力電池市場對鋰離子電池實現部分替代。

氯化鈉炒不起來

國際能源署(IEA)預估,全球電動車市場將以每年36%的複合成長率持續增加,2030年累計達到2。45億輛的規模。德勤也預估,電動車銷量將在2030年達到3100萬輛,佔整體汽車銷售的32%。

這股席捲全球的電動車浪潮成為了電池業者爭奪的戰場,全球電池需求量預計將從不到200 GWh,在10年內飆漲至3000 GWh以上。

電動車狂潮不止,電池用量激增,推升原材料價格大漲。碳酸鋰價格從2020年3。9萬元/噸低點增長至2021年5月8。6萬元/噸,讓鋰電池生產與企業成本大增。

研究機構CRU指出,2020年以來鋰出現了供給短缺的情況,為多年來首見。CRU預測,2021年全球鋰需求量約為45萬公噸,較供給量高出約1萬公噸。

電池技術新突破,寧德時代瞄準鈉電池

國際能源署(IEA)也發出警告,全球主要國家都提出了減排目標,若要達成這些目標,鎳、鈷、鋰、銅、稀土等關鍵原材料的需求將會大大增加,然而新礦場投資不足,令價格飛漲。其中,製造電池所需的金屬原材料需求增幅將最為劇烈。如果全球要達成巴黎協定目標,鋰需求將飆升40倍。

曾毓群表示:“鈷被炒起來了,大家就去搞無鈷;鎳被炒高了,大家就都不要鎳,但鋰還在……如果誰在我們這兒拼命亂漲價,我們會把他們排除在外。”

鋰電行業已經迎來TWh時代,保證高效高質量交付的關鍵條件是原材料的穩定合規供應,對於寧德時代來說,資源控制力將是重中之重,材料體系創新也非常重要。

曾毓群去年曾表示,“磷酸鐵鋰、三元材料是基礎,在1TWh時代,估計就是這兩種材料,但是1TWh之後可能有一些新的東西,希望避開很多貴金屬,走出一條價效比更高的路子來應對後面的1。5TWh、2TWh、3TWh,從原子尺度上,深入地理解材料內稟性質及其介面性質,幫助材料體系實現根本創新。”

寧德時代即將釋出的鈉離子電池產品,有望成為鋰電池以外的重要技術補充,若未來鋰資源出現供應緊張局面,可作為實現大規模應用。然而,短期來看,鈉離子電池還難以替代鋰離子電池。

本文來源於汽車之家車家號作者,不代表汽車之家的觀點立場。

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