鈉電池：“取代”鋰電池為時尚早

畢競悅

近期，工信部在對《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》答復(fù)函中表示，鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池是推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“壓艙石”，工信部將加快布局，推動鈉離子電池的發(fā)展。

電池行業(yè)專家普遍認(rèn)為，鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補充，尤其是在固定式儲能領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。技術(shù)路線選擇決定著高科技公司的前途命運，對于鈉離子電池，需要理性地分析其利弊。

鈉電池是“新風(fēng)口”嗎

7月29日，寧德時代新能源科技有限公司（下稱“寧德時代”）召開線上發(fā)布會，正式推出鈉離子電池。作為該公司開發(fā)的第一代鈉離子電池，電芯單提能量密度達到了160Wh/kg。為了彌補鈉離子電池現(xiàn)階段的能量密度短板，寧德時代還發(fā)布了鋰鈉混搭電池包，兼具鈉離子電池的熱穩(wěn)定性、長壽命和鋰離子電池的高能量密度、快沖性能。

目前，國內(nèi)外有近二十家企業(yè)布局鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。國外企業(yè)主要包括英國Faradion公司、美國Natron Energy公司、日本岸田化學(xué)、松下、三菱等，國內(nèi)的鈉創(chuàng)新能源企業(yè)包括中科海鈉、寧德時代。

相比于鋰離子電池，鈉離子電池這一相對小眾的電池技術(shù)路線很少進入公眾視野。實際上，鈉離子電池并不是一項新技術(shù)，關(guān)于其研究可以追溯到上世紀(jì)70年代。鋰離子電池先行成功商業(yè)化后，使得科研力量開始向鈉離子電池集中。由于具有資源豐富、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點，2010年以來，鈉離子電池受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，迎來發(fā)展轉(zhuǎn)折點。

2020年，美國能源部公布了對電池研究計劃的布局，著力開展對動力電池和儲能電池的基礎(chǔ)研究與先進制造，同時明確了將鈉離子電池作為儲能電池的發(fā)展體系。歐盟儲能計劃“電池2030”項目公布了未來重點發(fā)展的電池體系，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(chuàng)新計劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應(yīng)用耐久電池的核心組件”列為重點發(fā)展項目。目前，鈉離子電池已逐步從實驗室走向?qū)嵱没A段。

英國Faradion是較早開展鈉離子電池技術(shù)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作的公司，現(xiàn)已研制出10A.h軟包電池樣品，能量密度達到140（W.h）/kg，在80%放電深度下的循環(huán)壽命預(yù)測可超過1000次；美國Aquion Energy公司是全球第一家批量生產(chǎn)水系鈉離子電池的公司，該公司的電池成本低廉，不足鋰離子電池使用成本的1/3，可以實現(xiàn)持續(xù)5000次以上的充放電循環(huán)，并且效率在85%以上。水系鈉離子電池?fù)碛邪踩煽俊⒊杀镜?、資源豐富、運維簡單、環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，有望成為新一代電化學(xué)儲能的重要技術(shù)。

歐盟Naiades項目開發(fā)出了基于氟磷酸釩鈉-硬碳體系的1A.h鈉離子電池原型，能量密度為90（W.h）/kg，1C倍率下的循環(huán)壽命達到4000次；美國Natron Energy公司采用普魯士藍材料開發(fā)了高倍率水系鈉離子電池，2C倍率下的循環(huán)壽命達到10000次。但是，普魯士藍材料作為正極材料，壓實密度較低，生產(chǎn)制作工藝也較為復(fù)雜，其體積能量密度僅為50（W.h）/L。

中國鈉離子電池技術(shù)研究，一直處于世界前列。中國首家鈉離子電池公司中科海鈉成立于2017年，其背后是中科院物理研究所研究團隊。中科海鈉的鈉離子電池產(chǎn)品，首先應(yīng)用在低速電動車、電動自行車和5G基站。2019年，由中科院物理研究所和中科海鈉公司研發(fā)團隊共同完成的世界首座100KWh鈉離子電池儲能電站在江蘇溧陽誕生，標(biāo)志著我國在世界率先實現(xiàn)了鈉離子電池儲能電站示范運行。6月28日，中科海鈉推出的全球首個1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)在山西太原正式投運。

盡管部分國家相關(guān)研究早有布局，不過，鈉離子電池目前仍處在產(chǎn)業(yè)化初期，其相關(guān)專利在全世界還非常少。由于缺乏規(guī)模效應(yīng)，其成本優(yōu)勢目前并不明顯。寧德時代預(yù)計，2023年將形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。

鈉電池是“優(yōu)秀替代品”

鈉離子電池最大優(yōu)點在于鈉資源的豐富。全球鋰資源儲量有限，70%的鋰資源分布在南美洲，隨著電動汽車和新能源產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，鋰資源重要性不斷上升，其供應(yīng)問題成為業(yè)界最大擔(dān)憂，許多國家已將鋰列為關(guān)鍵原材料或戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源。

就中國而言，盡管鋰資源儲量排在世界前列，但現(xiàn)實是，中國的鋰資源品質(zhì)和開發(fā)條件較差，開發(fā)難度大、成本高，導(dǎo)致中國鋰資源供應(yīng)80%依賴進口。目前，中國是全球鋰資源第一進口國。與鋰元素相比，地殼中鈉資源儲量豐富，且在全球范圍內(nèi)分布廣泛，供應(yīng)短缺風(fēng)險要小得多。

成本方面，由于資源豐富，每千克鈉僅2元左右，而每千克鋰高達150元左右，目前仍在瘋狂漲價，鋰價預(yù)測將超過歷史前高18萬元/噸。采用鈉離子作正極材料的電池，成本較鋰離子電池低30%至40%，成本優(yōu)勢顯而易見。同時，相比鋰離子電池，鈉離子電池生產(chǎn)工序簡單，容易實現(xiàn)低成本制備。

鈉離子電池還具有耐寒特性，低溫性能優(yōu)異，在零下20攝氏度的溫度下也能保持較高容量。鋰離子電池在這方面就表現(xiàn)一般，例如，一些電動汽車在極其寒冷的天氣下，續(xù)航里程可能大幅縮水。中國的新能源配儲需求最高的地區(qū)正是冬季氣溫相對更加寒冷的三北地區(qū)，鈉離子電池正好可以發(fā)揮作用。

在便攜式設(shè)備中，電池安全隱患會給用戶帶來較大不便和潛在危險。電網(wǎng)規(guī)模方面，電池安全隱患將會造成更為嚴(yán)重的生命損傷和高昂的財產(chǎn)損失，電池起火和爆炸的安全事故將更具災(zāi)難性。一些關(guān)于鈉離子電池的報告表明，由于其電極材料具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，比鋰離子電池更為安全。

“鈉鋰混搭”是未來常態(tài)

當(dāng)前的動力電池市場，主要有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種技術(shù)方向。鈉離子電池會不會顛覆動力電池行業(yè)這種格局呢？

其實，動力電池在使用方面一直面臨兩大難題：一是續(xù)航問題，鈉離子電池電芯單體能量密度最高可達到160Wh/kg，但相較于三元鋰電池約300Wh/kg，能量密度仍有很大欠缺。所以，鈉離子電池只能配備在低端車型上；二是質(zhì)量和體積問題，鈉離子質(zhì)量和半徑較大，使得鈉離子電池在這方面也不如鋰離子電池。

筆者認(rèn)為，盡管鈉離子電池獲得了極大關(guān)注度，但從其基本特性來看，很難撼動鋰離子電池在動力電池領(lǐng)域的主導(dǎo)地位。長期來看，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化難改鋰離子電池剛需。

近年來，為應(yīng)對全球氣候變化，可再生能源發(fā)電系統(tǒng)激增，但由于可再生能源具有隨機性、間歇性特點，若將可再生能源所產(chǎn)生的電能全部直接接入電網(wǎng)，會對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊。因此，高效便捷的電網(wǎng)儲能裝備成為必需品。

二次電池是能夠部署在家庭、城市和電網(wǎng)端的大規(guī)模能源存儲裝置，現(xiàn)有的二次電池技術(shù)以鋰離子電池和鉛酸電池為主導(dǎo)。盡管鋰離子電池在電動汽車和便攜式電子設(shè)備等傳統(tǒng)市場上表現(xiàn)出色，但由于其存在成本高、安全性低和使用壽命不足問題，在大規(guī)模電網(wǎng)存儲中部署仍然面臨阻力。因此，發(fā)展低成本、高性能以及安全性好的替代方案成為電網(wǎng)儲能的迫切需要。發(fā)展鈉離子電池可以減少或避免鋰、鈷和鎳等昂貴元素的使用，降低儲能成本。因而鈉離子電池在電網(wǎng)儲能領(lǐng)域具有相當(dāng)競爭力，是鋰離子電池的“優(yōu)秀替代品”，有望成為二次電池技術(shù)的新貴。

鈉離子電池中，鈉硫電池仍以日本特殊陶業(yè)公司為龍頭，由于安全性能因素，參與研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)較少；水系鈉離子電池以高安全性占據(jù)一席之地，越來越多的企業(yè)關(guān)注于此，并投入研發(fā)；固態(tài)鈉離子電池仍處于研發(fā)階段，還未實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。隨著全球大規(guī)模儲能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，伴隨眾多電化學(xué)儲能技術(shù)的涌現(xiàn)，作為鋰離子電池技術(shù)的重要補充，鈉離子電池將憑借其獨特優(yōu)勢在儲能領(lǐng)域開拓出廣闊的用武之地。預(yù)計2025年，國內(nèi)鈉離子電池市場空間可超500億元。

盡管擁有較大發(fā)展前景，將鈉離子電池應(yīng)用于電網(wǎng)儲能仍需克服一些障礙，其中包括電解質(zhì)的穩(wěn)定性、電極和電解質(zhì)界面的穩(wěn)定性、安全性以及廢棄電池的可回收性等幾個問題。在碳達峰、碳中和的大背景下，新能源需求激增，鈉離子電池、鋰離子電池以及其他技術(shù)路線多元共存可能是未來常態(tài)。鈉離子電池是否能夠成為新能源的未來，產(chǎn)業(yè)界將會作出明智的選擇。

（責(zé)編 王茜 美編 劉曉瑩）