鈉離子電池：“備胎”轉(zhuǎn)正何日可期？

趙廣立　田瑞穎

“許多人對(duì)鈉離子電池寄予厚望，您怎么看待它的前景？”在2021年騰訊WE大會(huì)期間，媒體記者將這一問(wèn)題拋給了動(dòng)力電池與儲(chǔ)能及燃料電池技術(shù)科學(xué)家王朝陽(yáng)。

“鈉離子電池是磷酸鐵鋰電池的‘備胎’。”他簡(jiǎn)單、直接的回答讓記者頗感意外。畢竟，鈉離子電池已經(jīng)在國(guó)內(nèi)引發(fā)極大關(guān)注。

“說(shuō)它是‘備胎’，是因?yàn)槠涓鞣矫嫘阅芘c磷酸鐵鋰非常接近，除非后者的供應(yīng)鏈遇到困難，從經(jīng)濟(jì)或性能上有必要啟用鈉離子電池。”王朝陽(yáng)說(shuō)。

中國(guó)科學(xué)院院士歐陽(yáng)明高也曾明確表示“鋰電池還會(huì)用很久”。目前鈉離子電池各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求，預(yù)計(jì)到2035年鈉、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達(dá)到300瓦時(shí)/千克左右時(shí)，才會(huì)大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)。

面對(duì)被稱為“備胎”的鈉離子電池，中國(guó)還能抓住哪些機(jī)會(huì)？

與前述科學(xué)家的分析對(duì)比鮮明的另一番光景是，市場(chǎng)上對(duì)鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備似乎都在“趕早不趕晚”，且布局者中不乏鋰電池上下游企業(yè)。

2021年底，國(guó)內(nèi)鋰電龍頭寧德時(shí)代在投資者互動(dòng)平臺(tái)上表示，公司的鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局已經(jīng)啟動(dòng)，并將在2023年左右形成基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)鏈。

早在2021年7月，寧德時(shí)代就發(fā)布了其第一代鈉離子電池，并透露該鈉離子電池的電芯單體能量密度已經(jīng)達(dá)到160瓦時(shí)/千克，在常溫下充電15分鐘電量可達(dá)80%，在零下20°C低溫的環(huán)境下，可實(shí)現(xiàn)90%以上的放電保持率。寧德時(shí)代還表示，其下一代鈉離子電池能量密度將突破200瓦時(shí)/千克。

有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，寧德時(shí)代發(fā)布的鈉離子電池能量密度直追磷酸鐵鋰電池，用此電池可造出續(xù)航600公里、冬天“只打9折”的電動(dòng)車，輔以更好的快充技術(shù)，“這樣的車型還成不了主流嗎？”

在鈉離子電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化賽道上，還有科技“國(guó)家隊(duì)”的身影。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院物理所）自2011年以來(lái)致力于安全環(huán)保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)開(kāi)發(fā)，已在核心材料方面獲得專利授權(quán)30項(xiàng)（多項(xiàng)專利獲得美國(guó)、日本和歐盟授權(quán)）。相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Cu基層狀氧化物正極材料和低成本無(wú)煙煤基負(fù)極材料，均為國(guó)際首創(chuàng)。

技術(shù)上的突破讓中科院物理所邁出產(chǎn)業(yè)化的腳步。2017年，國(guó)內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)——中科海鈉科技有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱中科海鈉）依托中科院物理所成立。次年，中科海鈉研制的鈉離子電池組首次實(shí)現(xiàn)了在低速電動(dòng)車上的示范應(yīng)用;翌年，研制出的鈉離子電池儲(chǔ)能電站首次實(shí)現(xiàn)了在規(guī)模儲(chǔ)能上的示范應(yīng)用。

更具里程碑意義的是，2021年12月中旬，中科海鈉與三峽集團(tuán)及阜陽(yáng)市人民政府達(dá)成合作，共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線。該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5吉瓦時(shí)（GWh），分兩期建設(shè)，一期1GWh計(jì)劃于2022年正式投產(chǎn)。

在二級(jí)資本市場(chǎng)，已有多家上市企業(yè)在2021年加入鈉離子電池賽道。據(jù)天眼查信息，山西華陽(yáng)集團(tuán)新能股份有限公司（簡(jiǎn)稱華陽(yáng)股份）聯(lián)手中科海鈉，專門(mén)成立生產(chǎn)鈉離子電池正負(fù)極材料的子公司，并展開(kāi)一系列布局。鋰電池模組行業(yè)龍頭企業(yè)“欣旺達(dá)”，在投資者互動(dòng)平臺(tái)披露其很早以前就開(kāi)始了鈉離子電池研究，并擁有鈉離子電池補(bǔ)鈉方法及制備方法等多項(xiàng)專利。以啟動(dòng)電池出口為主業(yè)的猛獅新能源科技（河南）股份有限公司，近期通過(guò)對(duì)外合作，完成了18650圓柱鈉離子電芯的小批量交付。不過(guò)，該公司表示，“受制于國(guó)內(nèi)鈉離子電池關(guān)鍵材料供應(yīng)，目前還不具備量產(chǎn)條件”。

在鈉離子電池上游產(chǎn)業(yè)鏈，山東章鼓、鵬輝能源等企業(yè)也已謀劃布局。山東章鼓近期表示，公司投資的新疆喀什安德新材料擁有PPS體系的鋰離子、鈉離子固態(tài)功能膜片的材料合成技術(shù)，可生產(chǎn)半固態(tài)的鋰、鈉電池。鵬輝能源則表示，公司已經(jīng)做出鈉離子電池樣品（采用磷酸鹽類鈉整機(jī)與硬碳體系負(fù)極），并“有望批量生產(chǎn)”。

鈉離子電池?zé)岢北澈?，有政策助力的功勞?/p>

2021年8月，工業(yè)和信息化部答復(fù)政協(xié)第十三屆全國(guó)委員會(huì)第四次會(huì)議第4815號(hào)（工交郵電類523號(hào)）提案稱，將組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)適時(shí)開(kāi)展鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定，并在標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批等環(huán)節(jié)予以支持。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家政策和產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究有關(guān)鈉離子電池行業(yè)規(guī)范政策，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。

在這份答復(fù)全國(guó)政協(xié)委員高亞光的函件中，工信部稱鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池是“推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石”，是“實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一”，并表示將在“十四五”相關(guān)規(guī)劃等政策文件中加強(qiáng)布局，從促進(jìn)前沿技術(shù)攻關(guān)、完善配套政策、開(kāi)拓市場(chǎng)應(yīng)用等多方面著手，做好頂層設(shè)計(jì)，健全產(chǎn)業(yè)政策，統(tǒng)籌引導(dǎo)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

與此同時(shí)，科技部在“十四五”期間實(shí)施的“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，也將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，目標(biāo)是“進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池的規(guī)模化、低成本化，提升綜合性能”。

市場(chǎng)給力、政策助力的背后，藏著鈉離子電池“天使與魔鬼”的雙重身份。

市場(chǎng)對(duì)鈉電池寄予厚望，更多看到的是其“天使”的一面。王朝陽(yáng)提及“鋰資源儲(chǔ)量足夠”的話雖不假，但其分布不均，70%分布在南美洲，尤其中國(guó)鋰礦資源與新能源發(fā)展所需并不相稱。據(jù)國(guó)際能源署最新數(shù)據(jù)顯示，到2030年，僅靠現(xiàn)有和在建的鋰礦生產(chǎn)項(xiàng)目，全球?qū)⒊霈F(xiàn)約50%的鋰需求缺口。

鈉電池“天使”的一面也正在于此：鈉元素是地殼中儲(chǔ)量第六豐富的元素，是地殼中鋰資源的上千倍，且地理分布均勻，成本低廉;同時(shí)，鈉離子化合物容易獲取、價(jià)格穩(wěn)定且低廉;再者，在低電壓下鈉、鋁不會(huì)合金化，因此鈉電池負(fù)極可使用更便宜的鋁集流體，從而可進(jìn)一步降低電池的成本和重量。此外，鈉、鋰屬同族元素，二者物理化學(xué)特性及儲(chǔ)存機(jī)制相似，前者不僅可兼容鋰電現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備，還具有相對(duì)穩(wěn)定的電化學(xué)特性和安全性，這也讓鈉電池?fù)碛斜蠕囯姵馗嗟南胂罂臻g。

政策希望推動(dòng)鈉電池產(chǎn)業(yè)，是因?yàn)槠淠壳叭蕴幱谘邪l(fā)之中，尚未形成生產(chǎn)規(guī)模、缺乏供應(yīng)鏈。

鈉離子電池坐擁許多優(yōu)點(diǎn)，為何多年枯坐冷板凳？這就是其“魔鬼”的一面：相比鋰離子，鈉離子半徑更大，在充放電過(guò)程中正極材料更易崩塌。這要求正極材料必須有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、有較高的氧化還原電位，才不至于在鈉離子脫嵌過(guò)程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌。目前，已發(fā)現(xiàn)普魯士白和層狀氧化物兩類物質(zhì)能滿足其要求且相對(duì)有商業(yè)價(jià)值。

負(fù)極材料同樣棘手。常用的石墨雖然便宜好用，但其與鈉離子性相不合，鈉離子嵌入后易失去電化學(xué)活性。此外，在進(jìn)一步規(guī)?；矫?，鈉電池也對(duì)制備工藝和環(huán)境友好有著更高要求。

寧德時(shí)代的鈉離子電池方案中，采用了與石墨同屬碳基材料的硬碳作為負(fù)極，將正極材料換成鈉化合物，并使用特定技術(shù)手段處理電解液，初步實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)。只是這些技術(shù)與材料的成本，尚須在規(guī)?；筮M(jìn)一步觀察。

中科院物理所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人胡勇勝說(shuō)，鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)（20世紀(jì)70年代末）開(kāi)展研究，但在多種原因之下鈉離子電池研究一度停滯，直至2010年后才迎來(lái)轉(zhuǎn)折與復(fù)興。而隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉電池不僅具有上述多種優(yōu)勢(shì)，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無(wú)過(guò)放電問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)。

基于當(dāng)前技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化水平，鈉離子電池正對(duì)污染嚴(yán)重的鉛酸電池形成替代之勢(shì)。

胡勇勝還介紹說(shuō)，借助于正負(fù)極均可采用鋁箔集流體構(gòu)造雙極性電池這一特點(diǎn)，可進(jìn)一步提升鈉離子電池的能量密度，可使鈉離子電池向著低成本、長(zhǎng)壽命、高比能和高安全的方向邁進(jìn)。

在新能源潮流之下，世界各國(guó)都在大力發(fā)展或儲(chǔ)備鈉離子電池技術(shù)。

2020年，美國(guó)能源部公布了對(duì)電池研究計(jì)劃的布局，明確將鈉離子電池納入儲(chǔ)能電池的發(fā)展體系。

歐盟儲(chǔ)能計(jì)劃“電池2030”項(xiàng)目公布了未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的電池體系，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(chuàng)新計(jì)劃”也將鈉離子材料作為制造非汽車應(yīng)用耐久電池的核心組件。

截至2020年，全球已有20多家企業(yè)致力于鈉離子電池的研發(fā)。胡勇勝告訴記者，在世界各地研究組努力下，目前鈉離子電池在電極材料、電解質(zhì)材料、表征分析、儲(chǔ)鈉機(jī)制探索和電芯技術(shù)等方面不斷取得突破，鈉離子電池相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)量迅速增加，專利的申請(qǐng)數(shù)目亦逐年遞增。

2021年6月，中科海鈉發(fā)布全球首個(gè)1兆瓦時(shí)（MWh）鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能體系后，鈉離子電池開(kāi)始在儲(chǔ)能領(lǐng)域嶄露頭角，有望推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和變革。

這還不是全部。在胡勇勝看來(lái)，中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)需求巨大、政府對(duì)相應(yīng)技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用推廣高度重視，鈉離子電池作為抓手，未來(lái)機(jī)遇重大。

“面對(duì)巨大的儲(chǔ)能市場(chǎng)，鈉離子電池以其低成本、長(zhǎng)壽命和高安全的諸多優(yōu)勢(shì)有望在各類低速電動(dòng)車、電動(dòng)船、數(shù)據(jù)中心、通信基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展，提升我國(guó)在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力與影響力?！焙聞僬f(shuō)。

胡勇勝認(rèn)為，我國(guó)在鈉離子電池領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備——如電池研發(fā)、核心材料體系、關(guān)鍵材料放大制備和生產(chǎn)、電芯設(shè)計(jì)和研制、模塊化集成與管理等方面，已經(jīng)做好了充分的產(chǎn)業(yè)化準(zhǔn)備，未來(lái)我國(guó)“有機(jī)會(huì)獲得鈉離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)”。

盡管對(duì)鈉離子電池持“備胎論”觀點(diǎn)，王朝陽(yáng)也覺(jué)得鈉離子電池仍將是動(dòng)力電池多元化“比較重要的元素”。

“為了保證供應(yīng)鏈的安全，我們必須堅(jiān)持對(duì)鈉離子電池的研發(fā)，特別是科研院所、國(guó)企、大學(xué)等要持續(xù)研發(fā)，因?yàn)榧幢闶恰畟涮ァ?，有一天也許就會(huì)用上?！蓖醭?yáng)說(shuō)。