中國儲能網(wǎng)訊：“15分鐘充電80%，零下20度電池不衰減”。不久前，動力電池“一哥”寧德時代召開了發(fā)布會，推出自己的第一代鈉離子電池。很多人直呼：寧德時代這是要重塑電動車！
鈉離子電池能否在三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池等一眾對手中脫穎而出，引領(lǐng)潮流，成為下一代的電池技術(shù)？
科幻小說為何難成現(xiàn)實？
令人稍感意外的是，鈉電池的概念，是法國科幻作家凡爾納于1870年，在著名科幻小說《海底兩萬里》當中最先提出。
小說里，鸚鵡螺號通過取得海水當中的電解質(zhì)鈉，制成鈉電池作為能源來驅(qū)動前進，因為鈉元素來自于海水，屬于就地取材。
書中預(yù)言的電擊槍、潛水服、海底隧道一一實現(xiàn)，但鈉電池潛水艇始終進展不大，一直到了上世紀70年代，隨著第三次工業(yè)革命的到來，鈉離子電池才被真正地研發(fā)出來，而與鈉電池同時代誕生的，還有如今人們非常熟悉的鋰電池。
如今四十多年過去了，鋰電池早已廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活當中，尤其成為新能源汽車的核心產(chǎn)品；但鈉電池的發(fā)展卻不怎么順利，長期以來只小范圍應(yīng)用在儲能電站、低速車領(lǐng)域，甚至到2011年，才有公司嘗試將產(chǎn)品商業(yè)化。
鈉電池，顧名思義就是用鈉離子作為驅(qū)動的電池。通過鈉離子在電池的正負極之間“跑來跑去”實現(xiàn)電荷移動的一種動力電池。因為自身“素質(zhì)”不過關(guān)，被人遺忘在角落里。
鈉離子電池為何一直被冷落？這其實與它的化學(xué)屬性有非常直接的關(guān)系。實際上，無論是鈉電池還是鋰電池，它們的工作原理都是相似的：在電池陰極，元素失去電子，轉(zhuǎn)變成為更高價的離子，隨后進入電解質(zhì)，穿過隔膜，向陽極轉(zhuǎn)移：雖然離子能夠穿過電解質(zhì)和隔膜，但電子卻不行，只能從外部的電路跑到陽極，并在外部做功。這就是電池的放電過程。
鋰元素的原子量是6.94，在金屬中最輕；鋰元素的標準電極電位是-3.045V，在金屬中最低；此外，鋰元素的比容量也是金屬中最高，同時其電化學(xué)當量最小。
這意味著，鋰電池理論上能夠獲得最大的能量密度。在電池領(lǐng)域，如果暫不考慮安全和成本因素的話，能量密度擁有絕對的話語權(quán)—鋰電池就是研發(fā)者眼中的首選。
然而打開化學(xué)課本的元素周期表，與鋰離得最近的金屬元素就是鈉，它們都位于周期表的第一列，最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相似，所以都能作為電荷搬運工，驅(qū)動電池充放電。
不過鈉離子電池硬傷也比較明顯，首當其沖的就是能量密度不足，鋰的原子量是7，鈉的原子量為23，原子量越小就意味著能量密度越大。
這就導(dǎo)致三元鋰電池能量密度已經(jīng)在200Wh/kg（瓦時每千克，比能量單位）以上時，鈉離子電池僅100-150Wh/kg，即使寧德時代當前發(fā)布的鈉離子電池能量密度可以達到160Wh/kg，與鋰離子電池的差距也很明顯，導(dǎo)致電池使用效率明顯偏低。
其次鈉離子半徑比鋰離子大70%，導(dǎo)致自身移動速度極其緩慢，沒辦法穿過負極石墨材料，也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。
這樣一來，在科學(xué)技術(shù)尚不發(fā)達的上世紀80年代，鋰離子電池和鈉離子電池走上了截然不同的道路：前者迅速商業(yè)化，成為消費市場必不可少的用品，后者則完全進入了停滯狀態(tài)。
如今，寧德時代發(fā)布的鈉離子電池，讓更多人看到了這項“命途多舛”的技術(shù)，也讓動力電池未來的發(fā)展之路，多了一個強有力的“潛在競爭者”。
鋰與鈉的愛恨情仇
但實事求是地來講，鈉電池也并非一無是處，它有兩個優(yōu)勢是鋰電池?zé)o法比擬的。
首先在儲備量方面，鋰資源的儲量有限。數(shù)據(jù)顯示，目前70%的鋰資源分布在南美洲，而現(xiàn)階段我國80%鋰資源依賴進口，隨著需求量的增加，鋰元素的價格也一路飆升，從最初的3.8萬元一噸漲到16萬元一噸。
此前，中國工程院院士陳立泉就曾明確表示，如果全世界的車都使用鋰離子電池，全世界的電能都用鋰離子電池儲存，鋰根本不夠，一定要考慮新的電池。
▲2021年上半年全球動力電池裝機量榜單（圖片來源/視覺中國）
鈉資源儲量就很高，僅僅中國一個察爾汗鹽湖中，氯化鈉儲量就高達426.2億噸，大約是全球鋰資源儲量的一百多倍，可以說鈉資源是非?！皟?yōu)秀”的“非再生能源”。
其次在使用屬性上，盡管鈉離子能量密度不佳，但它的化學(xué)性能相對穩(wěn)定，所以它對溫度并不敏感，不容易形成鋰枝晶那樣堅硬的枝晶，在抗低溫和安全性上較同類別的鋰離子電池也有明顯的優(yōu)勢。
所以從理論上，只要能讓鈉離子在電池當中自由游走，就有希望解決鈉電池能量密度偏低的問題，鈉電池也就有了“逆襲”鋰電池的希望。在國際競爭加劇，全球能源轉(zhuǎn)型、碳減排碳中和的大背景下，開發(fā)鈉電池這樣一條全新的產(chǎn)品路線，有非常豐富的政治和經(jīng)濟利益。
這或許正是寧德時代讓鈉電池“復(fù)活”的初衷。
記者了解到，現(xiàn)有的鈉離子電池正極一般是用普魯士白和層狀氧化物兩類材料，鈉離子雖然能夠穿行，但在循環(huán)過程中電池容量會快速衰減，導(dǎo)致電池能量密度明顯衰減，非常不耐用。
于是寧德時代用全新思路開發(fā)的鈉電池誕生了—對材料體相結(jié)構(gòu)進行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減難題。在負極材料方面，開發(fā)了具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料，其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性，并給正負極材料優(yōu)化了相適配的電解液。
▲鈉離子電池工作原理圖（圖片來源/視覺中國）
這樣一來，讓鈉離子既可以在正負極之間自由穿行，又不至于過度地衰減能量。并且鋰離子電池的生產(chǎn)線也可以用來生產(chǎn)鈉電池，很好地控制了成本。
按照寧德時代對外發(fā)布的數(shù)據(jù)，技術(shù)優(yōu)化以后“新生”的鈉離子電池，單體能量密度已經(jīng)達到了160Wh/kg，幾乎達到磷酸鐵鋰電池（150-210Wh/kg）的標準。在常溫下充電15分鐘，電量可達80%；而在零下20°C低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。同時在系統(tǒng)集成效率方面，也可以達到80%以上。
“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個關(guān)鍵詞直擊當下鋰電池痛點，也讓人們看到了新能源車續(xù)航問題的解決希望，以及動力電池未來的全新發(fā)展思路。
▲動力電池大PK（制圖/柴青艷）
能量密度低仍待解
時間撥回到一年半以前，2020年4月，比亞迪高調(diào)發(fā)布了刀片電池產(chǎn)品，希望從“續(xù)航性”與“安全性”兩方面重塑磷酸鐵鋰電池，改變整個動力電池行業(yè)。
但實際情況是，刀片電池提升了續(xù)航性能，卻無法規(guī)避低溫影響，甚至有消費者反饋抗低溫性能還不如三元鋰電池。不少業(yè)內(nèi)人士也指出，刀片電池只在體積利用率上進行了極限優(yōu)化，并未真正做到革新材料。
這與如今寧德時代高調(diào)發(fā)布的鈉電池，頗有些同病相憐之處。
在清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強看來，鈉離子電池最大的問題，就是依然沒能解決鈉電池能量密度低的問題。
張強解釋說，在乘用車領(lǐng)域，三元鋰電池的能量密度已經(jīng)朝300Wh /kg、甚至更高的目標邁進。相比而言，鈉電池能量密度只有一半，和鋰電池差距依然比較明顯，和自身相比有進步，但在大環(huán)境當中能量密度依然偏低?！跋乱淮c電池能量密度目標雖然是200Wh/kg，但這個研發(fā)過程所需要的時間，目前很難估測”。
所以此次發(fā)布的鈉離子電池，寧德時代給出了AB電池的解決方案，也就是將鈉離子模組和鋰離子模組按照特定的比例，封裝在同一電池包內(nèi)，達到“一機兩用”的目的，創(chuàng)造出全新的鋰鈉電池，為應(yīng)用創(chuàng)造了更多場景。
但這種一機兩用的技術(shù)解決路徑，更像是企業(yè)的自圓其說：因為此前從沒有在任何主流新能源車型應(yīng)用過這個方案，甚至連三元鋰和磷酸鐵鋰兩種鋰電池混用的方法也不曾出現(xiàn)。對于追求超長續(xù)航、需要超高能量密度的中高端乘用車型來說，磷酸鐵鋰、三元鋰電池甚至未來的固態(tài)電池，或許才是他們主流的選擇。
“在沒能大幅提升鈉離子電池的能量密度前，鈉電池在乘用車領(lǐng)域機會不多，首先應(yīng)用的場景可能是儲能領(lǐng)域?！敝嘘P(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長俞振華這樣評價道。
但即便在儲能領(lǐng)域，鈉電池產(chǎn)業(yè)化之路也有諸多難題亟待破解：雖然海水、鹽湖當中有豐富的鈉，但我國相關(guān)提取技術(shù)并不成熟，需要一定時間培育上下游產(chǎn)業(yè)；盡管鈉的價格低于鋰，但較低的能量密度意味著更多的輔材和制造成本，根據(jù)相關(guān)試驗測算，鈉離子電池的輔材與制造成本占比近75%。
“在沒有實現(xiàn)上下游產(chǎn)業(yè)鏈打通的前提下，鈉電池并不容易控制成本?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長楊軍認為，按照目前的規(guī)模，形成真正市場化、產(chǎn)業(yè)化的鈉電池產(chǎn)品，可能還需要2-3年，甚至更長時間。
盡管要想實現(xiàn)鈉離子電池規(guī)模化還需要一段時間，但可以肯定的是，鈉離子電池進軍乘用車領(lǐng)域，是動力電池嘗試向上游延伸，降低原材料價格波動影響的一種探索方式。不管產(chǎn)業(yè)化之路是否成功，它都為鋰電池上游價格高漲敲響了警鐘，也為能源轉(zhuǎn)型、多技術(shù)路線的發(fā)展，提供了更多的思路和方法。
磷酸鐵鋰電池迎來“翻身”
在鈉電池高調(diào)進軍動力電池領(lǐng)域之時，另一個現(xiàn)象也引發(fā)了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注—三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的市場占比天平，已經(jīng)悄然傾斜，十分耐人尋味。
磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是目前市場的兩大主流，有觀點認為它們本質(zhì)上都是鋰電池，只是材料構(gòu)造存在區(qū)別：磷酸鐵鋰電池用磷酸鐵鋰做正極；三元鋰電池也叫三元聚合物鋰電池，主要是由鎳鈷鋁或者是鎳鈷錳做正極。
但也有觀點認為，磷酸鐵鋰電池本質(zhì)上是鐵電池，并非真正意義上的鋰電池。所以兩者在能量密度、安全性等方面有著不小的差距。
磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，燃點是500℃以上，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱，或是形成強氧化性物質(zhì)。因此磷酸鐵鋰電池穩(wěn)定性更好，但磷酸鐵鋰電池也有明顯的短板，即放熱慢、產(chǎn)熱少、能量密度低，不得不用提高體積比的方式，來換取更高的續(xù)航。
在傳統(tǒng)認知中，磷酸鐵鋰電池雖然安全性表現(xiàn)更佳、成本更有優(yōu)勢，但從能量密度和續(xù)駛里程角度看，三元鋰電池更勝一籌，所以在很長一段時間里，盡管鋰電池導(dǎo)致的電動車自燃頻頻上演，但三元鋰電池依然成為了市場的熱寵。
數(shù)據(jù)顯示，2017年磷酸鐵鋰電池市場份額尚且為49.6％，到了2018年跌至37.8%，到2019年更是下跌到32%。除了商用車以外，幾乎所有乘用車都開始采用三元鋰電池產(chǎn)品。
就在人們認為磷酸鐵鋰電池即將“優(yōu)雅謝幕”之時，情況卻發(fā)生了戲劇性的反轉(zhuǎn)：先是磷酸鐵鋰電池市場份額止跌回升，從特斯拉Model3、Model Y(配置|詢價)到比亞迪漢、小鵬P5等等，越來越多車企開始推出裝配磷酸鐵鋰電池的車型。
▲三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池咋使用材料方面的區(qū)別（圖片來源/視覺中國）
來到2021年，磷酸鐵鋰電池市場份額進一步擴大。今年1-5月，國內(nèi)磷酸鐵鋰電池產(chǎn)量29.9GWh，近三年來首次超越三元鋰電池，這種顛覆性的變化在業(yè)內(nèi)引發(fā)了廣泛關(guān)注。
中國電池工業(yè)協(xié)會副理事長王敬忠分析認為，磷酸鐵鋰電池在安全性能等方面的表現(xiàn)本來就優(yōu)于三元鋰電池，近年來隨著技術(shù)進步，不僅其能量密度及續(xù)駛能力有所增強，而且成本也實現(xiàn)了大幅下降，使磷酸鐵鋰電池的“翻身”有了較為可靠的基礎(chǔ)。
因此隨著鈉電池的入場，人們的關(guān)注點也有了全新的方向—這種受制于技術(shù)因素的動力電池，未來有可能像磷酸鐵鋰電池一樣“咸魚翻身”，讓動力電池領(lǐng)域的“龍虎斗”變成“三國殺”嗎？
專家眼中的鈉電池>>>
鈉離子電池未來有很多機會
中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)物理學(xué)院教授甘子釗：
新能源汽車電池，目前行業(yè)內(nèi)大量使用的是鋰電池，使用鈉電池的比較少，但鈉電池相比于鋰電池，還是有一定優(yōu)勢的。鋰電池的負極用料是銅，而鈉電池是鋁，鋁的價格比銅便宜得多，所以鈉電池未來是有很多機會的。
關(guān)于電池的問題，如果深入研究下去，就牽扯到我們對當代凝聚態(tài)物理的了解了。在電池當中，傳導(dǎo)是離子，隨著凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，對離子導(dǎo)電的認識也會更加清晰，最終帶來電池行業(yè)的進步，而這恰恰是新能源汽車行業(yè)的重大進步。
鈉電與鋰電不存在替代關(guān)系
清華大學(xué)化學(xué)工程系教授張強：
在提倡節(jié)能減排碳達峰的大背景下，結(jié)合國家對于儲能的需求來看，無論是磷酸鐵鋰、三元鋰還是鈉電池，存在都是有意義的。但鈉電池與鋰電池細分市場不一樣，有各自的工作崗位和應(yīng)用空間，目前并不存在誰替代誰的問題。
具體來看，鋰離子能量密度高，所以在移動式場景優(yōu)勢會突出一些，比如乘用車領(lǐng)域；鈉離子電池能量密度沒有那么高，可能更適用于固定式儲能，例如儲能站當中。也需要關(guān)注具體的型號類型，使用地域區(qū)別等等，比如哈爾濱用的電池，和海南島用的電池肯定不一樣。
未來隨著能源領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型，對于動力電池的需求量只增不減，會呈現(xiàn)一個供不應(yīng)求的狀態(tài)，所以從這個角度看，不管是鈉電池還是鋰電池，市場一定會遵循“哪個能造好用哪個，哪個更好用用哪個”的原則。黑貓白貓，抓到耗子就是好貓。
鈉電池必須提高自身“技術(shù)含量”
中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟理事長俞振華：
鈉電池目前處于一個剛起步的狀態(tài)。在學(xué)術(shù)上，鈉離子電池沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)路線，入局的企業(yè)也處于“摸著石頭過河”的狀態(tài)；在產(chǎn)業(yè)上，寧德時代的電池也沒有量產(chǎn)，甚至連關(guān)鍵材料的供應(yīng)體系也不健全。
鈉電池未來還有很長一段路要走。在乘用車領(lǐng)域，因為能量密度的問題，短時間內(nèi)鈉電池尚且無法和鋰電池抗衡，必須提高自身的“技術(shù)含量”。
在儲能電池領(lǐng)域，目前磷酸鐵鋰電池是儲能電池的主要技術(shù)路線。鈉離子電池和磷酸鐵鋰電池，能量密度差距已經(jīng)縮小了很多，所以未來技術(shù)成熟以后，市場可能會有一些差異性的選擇，這也是鈉離子電池的一個機會。
鈉電池尚不能量產(chǎn)，需要市場檢驗
上海交通大學(xué)化工學(xué)院教授、能源與技術(shù)研究所副所長楊軍：
現(xiàn)在發(fā)布的鈉電池，能量密度已經(jīng)達到160Wh/kg以上，這個數(shù)字是相當高了，進步也是非常明顯的，但需要注意的是，并不是說這款電池現(xiàn)在就能大量生產(chǎn)。相反的是，可能還要等兩三年才能真正上市，無論上市以后面對的是儲能領(lǐng)域還是乘用車領(lǐng)域，都需要市場來檢驗，這到底是不是一款滿足需求的產(chǎn)品。
至于三元鋰和磷酸鐵鋰電池占比的問題，還需要具體問題具體分析，它們的使用場景是不同的，有成本的因素也有安全的因素，比如說無人機的電池，就必須要求能量密度非常高，磷酸鐵鋰電池就不合適，所以這方面實際上很難預(yù)測。
