寧德時代開闢第二戰場,鈉離子電池的春天來了?

撰文|李逸之 編輯|周長賢

人們常常會抱怨,電池容量從來沒有夠用過,電池科技似乎已經停滯不前。甚至有人調侃,為紅色的低電量標誌感到焦慮,已然是現代人的基本特徵。

全球最大的鋰電池製造企業寧德時代,不僅在嘗試解決這個老大難問題,也在思考一些更深遠的問題:電池的安全效能否再提高?電池的成本還能再降低嗎?電池的原材料不夠用了怎麼辦?要不要開闢一條新的電池技術路線?

寧德時代開闢第二戰場,鈉離子電池的春天來了?

在此背景下,寧德時代的鈉離子電池應運而生。

7月29日,寧德時代召開了鈉離子電池釋出會,同時也是一場對各種“電池天問”的答疑會。有趣的是,某種程度上,這也是一次面向產業鏈上下游,甚至友軍的動員會。

鈉離子電池,從沉寂中醒來

在輩分上,鈉離子電池其實是鋰離子電池的兄弟。

上個世紀70年代,在業界尋找新一代儲能裝置之時,同樣使用鹼金屬的鈉離子電池與鋰離子電池均進入了科研人員的視野。不過,二者的命運很快走向了不同方向。

1980年,後來的諾貝爾獎得主古迪納夫發現了契合鋰離子電池的正極材料鈷酸鋰,與日本索尼發現的負極材料石墨配合。由此,鋰離子電池在90年代實現商業化,並從消費電子,一路拓展到電動汽車、儲能等領域。

而鈉離子電池,則在鋰電成為“顯學”後,關注度銳減,成為被困在實驗室裡的技術。

其實,鈉離子電池與鋰離子電池技術體系相似,均為帶電離子在正負極之間往返運動的“搖椅電池”。但為何過去30年鋰電大行其道,鈉電卻難以走出實驗室?

一枚優秀的可充電電池,要求在較長的使用年限裡儘可能安全地充放最多的能量。在微觀層面,這需要金屬離子在電池的正負極材料之間穩定有序地脫嵌,而鈉離子有一些先天的劣勢。

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相比於鋰離子,鈉離子的體積更大,更容易在脫嵌時對正負極材料的結構造成破壞。在宏觀層面,這表現為電池的迴圈壽命更短,電池容量與熱穩定性容易快速衰減。

另一方面,在同樣釋放一枚電子的情況下,鈉比鋰更重;同時鈉離子電池工作電壓比鋰離子電池更低,其能量密度比鋰離子電池低。同樣在宏觀層面,同等重量下,鈉離子電池儲存的電量會比鋰離子電池更低。

因此,在走向商業化的關鍵指標上,鈉離子電池長期面臨迴圈壽命不長和能量密度不高的問題。且迴圈壽命與能量密度通常是兩個互斥的指標,偶有科研團隊研發出兩個指標較平衡的鈉離子電池,也會因為製備工藝難、製造成本高等原因走不出實驗室。

然而,鈉離子電池比鋰離子電池也有安全性高、原材料易得/成本低等先天優勢,因此學界一直沒有放棄挖掘其潛力,並在研發中鎖定了層狀氧化物(注:如今廣泛在電動汽車上使用的三元鋰離子電池,其正極材料即為層狀氧化物)、普魯士藍類(鐵的氰合配合物,具有立體狀的材料晶格,便於儲存鈉離子,下文提及的普魯士白為此類材料的一支)正極材料,以及硬碳為主的負極材料。

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三元鋰正極材料的層狀結構

近十年來,隨著鋰電逐漸邁向製造業的C位,越來越多的人也嗅到了鈉離子電池商業化的機遇。

有創業公司基於材料研發積累的成果開始嘗試讓鈉離子電池走向市場,比如英國的Faradion計劃將鈉離子電池用於電動腳踏車以及商用車,中國的中科海鈉則在2018年宣佈研發出能量密度150Wh/kg的鈉離子電池。

現在,鈉離子電池迎來了巨頭寧德時代的入場。

走出實驗室的關鍵

在今年5月的業績會上,寧德時代即預告公司開發了鈉離子電池,將進行釋出。行業內外無不為之側目——佔據全球鋰離子電池近三分之一市場份額的寧德時代,為何要瞄準這根難啃的骨頭。

7月29日鈉離子電池釋出會上,寧德時代董事長曾毓群親自回答了這個問題。

“碳中和推動了新能源產業的蓬勃發展,新的應用場景不斷出現,給了不同技術施展的舞臺。鈉離子電池在低溫效能、快充以及環境的適應性等方面擁有獨特的優勢,與鋰離子電池相互相容互補。”

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正如上文所說,迴圈壽命短與能量密度低是鈉離子電池商業化不得不面對的攔路虎。為了滿足應用場景的需求,寧德時代依託數千人的研發團隊,應用高通量計算平臺和模擬模擬技術,在豐富的電化學研究經驗基礎上,對鈉離子電池的材料體系進行了進一步的創新。

寧德時代研究院副院長黃起森介紹,寧德時代鈉離子電池的正極材料選擇了相對成熟的普魯士白,其克容量達到160mAh/g。其創新性工作在於,寧德時代對普魯士白的體相結構進行了電荷重排,重新設計了材料表面,解決了電池容量快速衰減的問題。

換言之,寧德時代對普魯士白材料的微觀結構進行了最佳化,使其更加穩固,能夠更多次地承受鈉離子的脫嵌而不被破壞。

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而在負極材料方面,寧德時代特製了能夠容納鈉離子的硬碳材料,其克容量為350mAh/g,並有良好的倍率效能和迴圈壽命,整體效能與鋰離子電池負極所用的石墨相當。

此外,由於鈉離子電池的正負極材料比鋰離子電池發生了改變,寧德時代還新開發了與之配套的電解液。

最終,寧德時代釋出的鈉離子電池在一些關鍵指標上,成績堪稱亮眼:

電芯單體能量密度達160Wh/kg,是目前行業已釋出產品的最高水平,略低於磷酸鐵鋰;

電池系統成組效率80%以上,意味著鈉離子電池成組後的系統能量密度可以達到160X0。8=128Wh/kg,超過宏光MINI EV電池系統的110Wh/kg,已滿足低速電動車和入門級電動汽車需求;

支援快充,常溫充電15分鐘可充至80%電量,且不懼低溫,在-20°C低溫時放電效率仍能達到90%。

熱穩定性強,遠超國家動力電池強制標準。

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從這些指標來看,寧德時代釋出的第一代鈉離子電池在定位上與磷酸鐵鋰頗有些相似。關於下一代鈉離子電池,寧德時代則計劃將單體電芯能量密度提升至200Wh/kg,屆時其能量密度將與磷酸鐵鋰處在同一水平,在乘用車市場的應用前景將更為廣闊。

更值得一提的是,為了滿足對能量密度的需求,寧德時代還創新性地提出了AB電芯混排的技術方案,即在一個電池包裡同時配置能量密度較高的鋰離子電池與能量密度較低的鈉離子電池,透過BMS統一管理,從而平衡效能指標。

寧德時代開闢第二戰場,鈉離子電池的春天來了?

如果得以量產,寧德時代的鈉離子電池將具有適中的能量密度,突出的安全性、價效比與寒冷適應性,這些特徵將為其提供廣闊的應用場景。

和鋰電成為互補的友軍

在寧德時代的鈉離子電池釋出後,市場上有聲音響起:鈉離子電池會不會搶奪鋰離子電池尤其是磷酸鐵鋰離子電池的生態位?

但在寧德時代的規劃中,鈉電與鋰電並非是要分個你死我活,而是互補的友軍關係。

事實上,當全球碳達峰、碳中和勢在必行之時,所創造的龐大市場可能會使鋰資源供不應求。

在今年早些時候舉行的電動汽車百人會論壇上,中國工程院院士陳立泉呼籲,“全世界的電能都用鋰離子電池儲存,根本不夠,所以我們一定要考慮新的電池,鈉離子電池是首選。”

寧德時代開闢第二戰場,鈉離子電池的春天來了?

在地殼元素中,鋰的佔比約為0。0065%,目前全球探明鋰儲量約為8000萬噸,不僅總量較少,且主要分佈在南美洲。如今國內使用的鋰資源,大量依賴從智利與澳大利亞進口。

從國家能源安全的角度考慮,鋰過度依賴進口的局面,不僅為保障能源安全帶來了更多的風險,也為企業經營帶來了更多的不確定性。

而相較於稀缺的鋰,鈉在地殼中的佔比約為2。75%,容易獲取。生產鈉離子電池需要的碳酸鈉,中國是全球第一大生產國,有充足的產能供應,年產量接近3000萬噸,並且具備進一步擴產的條件。

開闢鈉離子電池的技術路線,一大重要意義是,有利於減輕對鋰資源的進口依賴,避免出現像華為一樣被卡脖子的境況。

與此同時,鈉比之鋰,價格也更加實惠。根據近一週的市場實時報價,碳酸鋰接近9萬元/噸;碳酸鈉約3。2萬元/噸。而不含鎳、鈷等昂貴金屬的鈉離子電池材料體系,可進一步壓低成本。

在陳立泉院士展示的成本估算中,磷酸鐵鋰離子電池的原材料成本為0。34元/Wh,而鈉離子電池的原材料成本可低至0。26元/Wh,接近以便宜著稱的鉛酸電池(約0。2元/Wh)。

有行業人士認為,在鋰資源丰度不夠的條件下,鋰可以“好鋼用在刀刃上”,主要供應高溢價的高能量密度電池市場,比如對電池容量要求較高的中高階電動汽車。而對能量密度要求不高但對成本、安全性敏感,同時原材料需求大的市場,則與鈉離子電池高度契合。

比如,中國目前每年生產超過200GWh的鉛酸電池,其中有五分之一到四分之一用於電動腳踏車。隨著人們對電動腳踏車續航里程要求的提高,許多電動腳踏車開始換用高能量密度的鋰電電芯,但卻帶來了安全事故頻發(主要是自燃起火)的負面影響。如果鈉離子電池得以在電動腳踏車領域大規模應用,將有效降低安全隱患。

而在儲能領域,根據日前國家發改委和能源局釋出的《關於加快推動新型儲能發展的指導意見》,至2025年國內計劃使新型儲能裝機規模達到30GW,是目前儲能裝機規模的10倍。國家能源局解讀稱,30GW的裝機規模只是基本目標,在未來10年,新型儲能將“留足充分預期空間”。

事實上,儲能領域已經對蓄能電池提出了迫切的市場需求。以2018年為例,中國可再生能源發電中有數百億千瓦時的“棄風棄光”因為找不到合適的儲能介質被白白耗散。

而寧德時代釋出的鈉離子電池,在補齊了迴圈壽命與能量密度的短板後,其安全性高與價格低廉的特性凸顯出來,與儲能市場的需求高度匹配,不僅能夠為可再生能源發電蓄能服務,在電網執行的谷峰調蓄中也有極大的用武之地,前景廣闊。

此外,還有業內人士表示,船舶尤其是大型船舶的電動化,亦將為鈉離子電池提供一塊龐大的潛在市場。

由此觀之,鈉離子電池其實有著相當的市場潛力。而這背後,是鈉離子電池不錯的效能潛力與很強的成本潛力。但要挖掘這些潛力,都要仰賴完整產業鏈的建立,產量大幅增長帶來的規模效應,以及對材料電化學體系的持續改進。

寧德時代開闢第二戰場,鈉離子電池的春天來了?

正因如此,寧德時代在7月29日釋出會的最後,不但宣告了自己的首要目標:2023年形成鈉離子電池基本產業鏈。與此同時,它還呼叫友軍,並向行業上下游以及科研機構發出了邀請,希望共同將鈉離子電池的蛋糕做大。

在鋰離子電池需求仍在快速增長之時,作為全球最大的鋰離子電池生產商,寧德時代並未止步於鋰電的成功,反而有著充分的危機意識與開拓意識,勇敢邁入了鈉離子電池這個第二戰場,用技術創新解決被卡脖子的風險、更好地滿足市場的多元需求,繼續擔當電化學世界的“探路者”。

如今,行業領頭羊已然發出英雄帖,鈉離子電池的春天正在到來。

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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