寧德時代推出鈉離子電池,搶佔新能源TWh時代的戰略要塞

“我們認為,電化學的世界,就像能量魔方,未知遠遠大於已知,我們樂此不疲地探索著其中的奧秘。”

7月29號,寧德時代鈉離子電池釋出會上,寧德時代董事長曾毓群表示。這場釋出會僅歷時10分鐘時間,其不僅宣告了該公司一款全新電池產品的問世,也向行業展示了一家龍頭企業雄厚的技術底蘊。

過去數年,鋰離子電池遭遇能量密度上升的瓶頸,各家電池公司幾乎都在發力配方和結構改良,而對於底層技術的探索卻鮮見蹤跡。“有人認為電池的化學體系已很難創新,只能在物理結構上做些改進。”曾毓群對這一現狀如此總結。

但顯然,寧德時代打破了這個桎梏,其推出的第一代鈉離子電池,單體能量密度達到160Wh/kg。雖然比磷酸鐵鋰略低,但在低溫效能和快充能力上,則都優於磷酸鐵鋰。

寧德時代推出鈉離子電池,搶佔新能源TWh時代的戰略要塞

黃起森博士 寧德時代研究院副院長

寧德時代黃起森博士公佈的資訊顯示:

第一代鈉離子電池在常溫下充電15分鐘,電量就可以達到80%,具備了快充能力;

不僅如此,在零下20°C低溫的環境下,仍然有90%以上的放電保持率;

同時在系統整合效率方面,也可以達到80%以上;

此外,鈉離子電池優異的熱穩定性,也超越了國家動力電池強標的安全要求。

寧德時代同時宣佈,在第二代鈉離子電池中,也會快速補齊能量密度短板,有望達到200Wh/kg。

全球碳中和、碳達峰的背景下,新能源產業在蓬勃發展,電池行業正跑步進入TWh時代,鈉離子電池也將如同30年前的鋰離子電池一樣,開闢出一條新的商業化電池路線。

搶佔戰略要塞

全球能源結構正在進行巨大轉變,煤炭、石油、天然氣三大化石能源的儲量已經不可再生,取而代之的可再生能源發電。在這個鏈條上,電池成為最關鍵的能源介質。

在儲能及動力電池需求高速增長拉動下,鋰離子電池的需求已經呈現爆發式增長。彭博新能源財經曾釋出過一組預測資料,2020年動力電池和儲能電池的市場規模已達174GWh,而其預測未來10年的複合增長率將超過30%,到2030年,交通和儲能對鋰離子電池的需求將激增至5。9TWh。也就是說,10年間,鋰電池的需求要正價超過33倍。

這對能源行業來說是空前巨大的機遇,但也會形成新的產業,新的能源秩序也在形成。電池技術就是這其中的關鍵要塞。

鋰離子電池仍然是當下應用最廣泛的電池型別,但鋰礦資源儲量有限,素有“白色石油”之稱。高工鋰電曾釋出預測資料,全球目前的鋰儲量為14Mt,當下每年的需求為32。5kt,隨著儲能和出行領域的需求爆發,到2050年,Li的需求預計為3-35Mt,也就是說,到2030年,鋰資源的供求關係就將日趨緊繃。

何況,從鋰礦資源分佈來看,鋰資源主要掌握在澳大利亞和智利手中,兩國合計掌控了全世界75%的鋰礦資源,我國鋰資源超85%分佈於西部山區和鹽湖地區,開採難度大,導致我國80%的鋰資源供應依賴進口,也讓我國成為全球鋰資源第一進口國。各國擺脫對鋰資源依賴的途徑,只能是開闢新的技術路線。

相比之下,鈉資源分佈在地殼中的儲量豐富,地殼元素含量排名第6,儲量0。36%),是鋰的1000倍以上。而且鈉的化學性質、電池工作原理都和鋰非常相似,兩者在元素週期表裡屬於同一主族,電池工作原理都是搖椅式(電池)。因此,鈉也被認為是可利用的電池關鍵原料,在全球範圍內成為新一代電池研究熱點。

更為關鍵的是,儲量大,也讓鈉電池成本具有結構化的優勢。資料顯示,工業級鈉的價格約為2萬元/噸,且保持平穩,而碳酸鋰/氫氧化鋰價格分別達8。6/9。3萬元/噸,年初以來增幅分別為62%/71%,鈉離子電池具有成本優勢。

據鑫欏鋰電分析,鈉離子電池的BOM(物料清單)成本約0。25元/Wh,而磷酸鐵鋰電池BOM成本超0。35元/Wh,理論上鈉離子電池材料成本比磷酸鐵鋰電池低30%-40%左右。而隨著產業鏈逐步完善、製備工藝成熟,這其中的成本差距顯然也會對映在產業落地上。

在需求量巨大、能量密度要求不高的儲能領域,鈉離子電池有望與磷酸鐵鋰結合,替代鉛酸電池,例如,資料中心、備用電源、基站電源、電力儲能、智慧電網等。

國家發展改革委、國家能源局也在不久前,正式釋出關於加快推動新型儲能發展的指導意見,該指導意見是國家層面首次明確提出量化的儲能發展目標,即到2025年,實現新型儲能從商業化初期向規模化發展轉變,新型儲能裝機規模達3000萬千瓦以上。到2030年,實現新型儲能全面市場化發展,新型儲能裝機規模基本滿足新型電力系統相應需求,成為能源領域碳達峰碳中和的關鍵支撐之一。

意見中就指出,堅持儲能技術多元化,推動鋰離子電池等相對成熟新型儲能技術成本持續下降和商業化規模應用,實現壓縮空氣、液流電池等長時儲能技術進入商業化發展初期,加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規模化試驗示範,以需求為導向,探索開展儲氫、儲熱及其他創新儲能技術的研究和示範應用。

實際上,除了儲能領域,在兩輪車以及中低端電動汽車等出行市場,鈉離子電池也會有直接需求。據寧德時代資訊,鈉離子的整合效率可達80%,以160Wh/kg的單體能量密度算,系統能量密度有望達到128Wh/kg,而從工信部公告的產品資訊看,目前的A00級車型,甚至Model 3、小鵬P7等爆款車型,電池系統能量密度也都在這個水平線上。

在迴應媒體時,寧德時代方面也表示:“第一代鈉離子電池已經開始了與車企和儲能客戶進行商業化合作。”

按照寧德時代的目標,鈉離子電池將在2023年形成基本產業鏈。鈉離子電池的大規模應用,顯然將緩解鋰資源短缺引發的電池發展受限問題,以多元化的技術路線,提升我國新能源發展過程中的競爭力。

為什麼是寧德時代?

“我們有超過5000名的研發人員聚精會神地在搞科研。”寧德時代董事長曾毓群在釋出會上直言。這句話也揭示了寧德時代能推出鈉離子電池的核心原因。

鈉離子電池成本低,效能較優,對產業鏈有積極的最佳化、補充作用,但前提是完成大量的技術攻關,達到產業應用標準。

與小巧的鋰離子相比,鈉離子是一個大胖子。更大,也就意味著在電池的執行過程中,鈉離子在材料中的嵌入和脫出中,對材料的結構穩定性和動力學提出了更高的要求。

國信汽車發表的觀點也認為,鈉離子電池的工作原理及結構與鋰離子電池相似,因此發展鈉離子電池技術的關鍵,同樣在於探尋合適的正、負極材料以及電解液。

在正極材料上,寧德時代採用了目前具有潛在商業化價值的有普魯士白和層狀氧化物兩類材料,克容量已經達160mAh/g,與現有的鋰離子電池正極材料相當。

寧德時代還構建了高通量材料整合計算平臺,能夠在原子級別上對材料進行了模擬計算和設計模擬,對材料的體相結構進行電荷重排,對材料表面進行重新的設計,解決了材料在迴圈過程中容量快速衰減的難題,使創新的材料具備產業化的條件。

在負極材料方面,由於鈉離子無法像鋰離子一樣在石墨層間自由的穿梭,寧德時代開發了能夠讓大量的鈉離子儲存和快速通行,具有獨特孔隙結構的硬碳材料,這種硬碳材料克容量可達350mAh/g以上,並具備優異的迴圈效能,整體效能指標與現有的石墨相當。

在電解液方面,主要包括鈉鹽+溶劑,除鈉鹽之外,溶劑與鋰離子電池差別不大,因此,寧德時代也開發了適配這樣的正極負極材料的新型獨特電解液體系,在製造工藝方面可以與目前的鋰離子電池製造工藝和裝置相相容。

同樣重要的是,在製造工藝方面,鈉離子電池可以與目前的鋰離子電池製造工藝和裝置相相容。寧德時代提出了2023年形成基本產業鏈的目標,製造工藝的相相容十分重要,這會大幅降低產業落地門檻。

當然,鈉離子電池的產業落地,寧德時代打了多手牌。除了化學體系的技術突破,在系統整合上,寧德時代也開發出了AB電池解決方案,可以實現鈉離子電池與鋰離子電池的整合混合共用。

寧德時代推出鈉離子電池,搶佔新能源TWh時代的戰略要塞

鈉離子原理動圖)

具體來說,在鈉離子的能力樹上,有成本低、可快充、低溫效能好、熱穩定性優異,幾乎唯一的短板就是能量密度低,而寧德時代的AB電池方案,是可以將鈉離子電池與鋰離子電池同時整合到同一個電池系統裡,取長補短,用系統能力彌補鈉離子電池的個體短板。

“將兩種電池(鈉離子和鋰離子電池)按一定的比例和排列進行混搭,串聯、並聯整合,透過BMS的精準演算法進行不同電池體系的均衡控制,這樣可以實現取長補短,既彌補了鈉離子電池在現階段的能量密度短板,也發揮出了它高功率、低溫效能的優勢。”寧德時代黃起森博士在釋出會上表示,“這樣的鋰-鈉電池系統,就能適配更多應用場景。”

清潔能源的能源轉型,已經是全球共識。伴隨著新能源科技的創新發展,一場以清潔能源替代化石能源的革命,正加速到來。而每一次技術突破和落地,都將影響未來的行業格局。

事實上,作為一項成本低、效能優的新電池技術,鈉離子電池已經城為各國新的角逐陣地。其中,美國已經將鈉離子電池作為儲能電池的發展體系,2020年美國能源部在其公佈的對電池研究計劃的佈局中已經在儲能電池的發展體系中對鈉離子電池有所涉及。

歐盟儲能計劃“電池2030”專案也公佈了包括鋰離子電池、非鋰離子電池和未來新型電池的未來重點發展的電池體系,其中又將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系首位;歐盟“地平線2020研究和創新計劃”更是將“鈉離子材料作為製造用於非汽車應用耐久電池的核心元件”重點發展專案。

這難免讓人想到與寧德時代同天釋出P50系列手機的華為。這款手機在效能、顏值、快充、螢幕等方面也都是行業頂級的水平,但遺憾的是,因為5G晶片技術受到制裁,華為P50系列僅支援4G。甚至在一年前,華為手機市場份額還位列全球手機行業前列,但如今已經跌出前五,原因正是高製程的晶片製造能力不足,甚至缺乏一家高精度光刻機裝置公司。

而作為新能源產業下的能源介質,電池的角色幾乎與光刻機相當。寧德時代率先推出鈉離子電池,也是作為頭部企業,自建“光刻機”,避免卡脖子的行業擔當和頂層視野。

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