中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2021年7月29日，寧德時(shí)代通過首場(chǎng)線上發(fā)布會(huì)推出第一代鈉離子電池。新的鈉離子電池能否在動(dòng)力電池市場(chǎng)領(lǐng)域與三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出？
“預(yù)言家”凡爾納為何在鈉離子電池上“失算”？
相信很多人最初接觸到鈉離子電池這個(gè)概念就是通過寧德時(shí)代的這場(chǎng)發(fā)布會(huì)�；蛟S有一部分人知道，鈉離子電池最初是和鋰離子電池于上世紀(jì)70年代一起誕生的。但大部分人想不到的是，鈉電池的概念，其實(shí)最早是由法國(guó)科幻作家凡爾納1870年在著名科幻小說《海底兩萬里》當(dāng)中提出的。在小說里，潛水艇鸚鵡螺號(hào)通過取得海水當(dāng)中的電解質(zhì)氯化鈉，制成鈉電池作為能源來驅(qū)動(dòng)前進(jìn)。
想必大家對(duì)《海底兩萬里》高超的預(yù)言能力有所耳聞，歸功于凡爾納天馬行空的想象力和良好的科學(xué)素養(yǎng)，書中預(yù)言的電擊槍、潛水服、海底隧道都在后面一一實(shí)現(xiàn)，但鈉電池卻遲遲沒有出現(xiàn)。盡管到了上世紀(jì)70年代，可以被稱為鈉離子電池的電池已被真正地研發(fā)出來，但卻遲遲沒有進(jìn)入平常人的生活中。而與鈉電池同時(shí)代誕生的，還有如今社會(huì)必不可少的鋰電池。
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(dāng)中，比如作為動(dòng)力電池成為新能源汽車的核心部件；但鈉電池的發(fā)展卻不怎么順利，長(zhǎng)期以來只有一些高溫的鈉離子電池小范圍應(yīng)用在儲(chǔ)能電站、低速車領(lǐng)域，甚至到2011年，關(guān)于室溫鈉離子電池的研究才開始復(fù)興，最近幾年才有公司嘗試將產(chǎn)品商業(yè)化。
鈉離子電池，簡(jiǎn)稱鈉電池，顧名思義就是用鈉離子作為驅(qū)動(dòng)的電池。通過鈉離子在電池的正負(fù)極之間“游來游去”實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)的一種動(dòng)力電池。
鈉離子電池為何曾經(jīng)一度被冷落？這其實(shí)與它的化學(xué)屬性有非常直接的關(guān)系。實(shí)際上，鈉電池與鋰電池之所以會(huì)一起誕生，是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ髟矶际窍嗨频�。而鋰元素的原子量�?.94，在金屬中最輕；此外，鋰元素的比容量也是金屬中最高，同時(shí)其電化學(xué)當(dāng)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，能量密度就是最能代表電池性能的指標(biāo)了。因此，鋰電池在當(dāng)時(shí)就是研發(fā)者眼中的首選。而鈉離子電池，則一度被科研人員遺忘在角落，直到2010年后室溫鈉離子電池才重返研究人員的視野。
翻看元素周期表，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，所以都能形成第一氧化態(tài)，作為電荷搬運(yùn)工驅(qū)動(dòng)電池充放電。但是，與鋰離子電池相比，鈉離子電池的缺陷十分明顯。首先就是能量密度，原因是鈉離子比鋰離子重，電負(fù)性沒有鋰低，因此相同的電極材料通常比相應(yīng)的鋰離子具有較低的電壓和較低的比容量，從而導(dǎo)致電池的能量密度較低。另一方面，由于鈉離子半徑（0.102nm）比鋰離子半徑（0.076nm）大30%以上，鈉離子在剛性結(jié)構(gòu)中相對(duì)穩(wěn)定，難以可逆脫嵌。即使能發(fā)生脫嵌，鈉離子的嵌入和脫嵌動(dòng)力學(xué)非常緩慢，容易引起電極材料結(jié)構(gòu)不可逆的相變，降低電池的循環(huán)性能。
這就導(dǎo)致先進(jìn)的三元鋰電池能量密度已經(jīng)在200Wh/kg以上時(shí)，鈉離子電池僅100-150Wh/kg，即使寧德時(shí)代最新發(fā)布的先進(jìn)鈉離子電池能量密度可以達(dá)到160Wh/kg，與鋰離子電池的差距也很明顯。
這樣一來，在科學(xué)技術(shù)尚不發(fā)達(dá)的上世紀(jì)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(fèi)市場(chǎng)必不可少的用品，后者則完全進(jìn)入了停滯狀態(tài)。
如今，寧德時(shí)代發(fā)布的鈉離子電池，讓更多人看到了這項(xiàng)“命途多舛”的技術(shù)，也讓將來動(dòng)力電池未來的發(fā)展之路，多了一個(gè)強(qiáng)有力的“潛在競(jìng)爭(zhēng)者”。
鈉與鋰的一較高下
前面講了許多鈉不如鋰的地方，但實(shí)事求是地來講，這對(duì)鈉離子電池并不公平。鈉電池不可能是一無是處，否則也不可能會(huì)有人在鋰電池如日中天的時(shí)候去研究鈉電池。據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)了解，簡(jiǎn)單來說，鈉電池至少有兩個(gè)方面要?jiǎng)龠^鋰電池一籌。
首先在儲(chǔ)備量方面，鋰資源的儲(chǔ)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(guó)80%鋰資源依賴進(jìn)口。隨著傳統(tǒng)汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型，鋰資源的需求量越來越高，鋰元素的價(jià)格也一路飆升。中國(guó)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，鋰根本不夠，一定要考慮新的電池。而鈉不同。眾所周知，人們每天都會(huì)接觸到的食鹽就是氯化鈉，鈉資源儲(chǔ)量十分豐富。以中國(guó)察爾汗鹽湖為例，僅僅一個(gè)鹽湖里的氯化鈉儲(chǔ)量就高達(dá)426.2億噸，已經(jīng)是全球鋰資源儲(chǔ)量的一百多倍了。而原材料資源來源豐富，又會(huì)帶來成本上的降低。
其次，我們知道，現(xiàn)在的鋰電池并不是完美無缺的。鋰電池的起火爆炸風(fēng)險(xiǎn)非常高，從過去十幾年大量的鋰電池起火報(bào)告和航空地鐵等部門對(duì)鋰電池的嚴(yán)格管制中可窺得一斑。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(duì)穩(wěn)定，所以它對(duì)溫度并不敏感，不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)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(shì)。并且，鈉離子電池可以安全的放電到0V來進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)輸而不影響其電池容量，更是大幅提高了鈉電池的安全性。
所以，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(jì)利益。因此，寧德時(shí)代著手開發(fā)鈉離子電池，也是為了順應(yīng)時(shí)代的需求。
寧德時(shí)代的鈉電池有什么特點(diǎn)？
據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)了解，早期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，但是如未加特殊改性或修飾，在循環(huán)過程中材料結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞，導(dǎo)致電池容量會(huì)快速衰減，最終體現(xiàn)的性能便是循環(huán)壽命過低。于是寧德時(shí)代針對(duì)這一點(diǎn)，用全新思路開發(fā)的鈉電池誕生了。對(duì)材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)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(fù)極材料方面，開發(fā)了具有獨(dú)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(fù)極材料優(yōu)化了相適配的電解液。這樣一來，讓鈉離子既可以在正負(fù)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(shí)代對(duì)外發(fā)布的數(shù)據(jù)，技術(shù)優(yōu)化以后的鈉離子電池，單體能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg，幾乎達(dá)到磷酸鐵鋰電池（150-210Wh/kg）的標(biāo)準(zhǔn)。在常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%；而在零下20℃低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。同時(shí)在系統(tǒng)集成效率方面，也可以達(dá)到80%以上。
“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個(gè)關(guān)鍵詞直擊當(dāng)下鋰離子電池的痛點(diǎn)，也讓人們看到了新能源車?yán)m(xù)航問題的解決希望，以及動(dòng)力電池未來的全新發(fā)展思路。
鋰退幕，鈉上位？
那么，在寧德時(shí)代推出了新的鈉電池后，鈉電池是否有希望在動(dòng)力電池領(lǐng)域占有鋰電池的市場(chǎng)份額甚至最終代替鋰電池？其實(shí)，據(jù)中國(guó)粉體網(wǎng)了解，盡管現(xiàn)在的鈉電池已經(jīng)展現(xiàn)出了部分優(yōu)于鋰電池的性能，但是鈉電池現(xiàn)在向動(dòng)力電池領(lǐng)域“大舉進(jìn)犯”仍然為時(shí)尚早。
究其原因，首先就是鈉電池的一個(gè)本征屬性難以改變，那就是能量密度低。由于鈉離子的半徑、重量以及電負(fù)性等原因，鈉電池很難達(dá)到同等技術(shù)條件下鋰電池的能量密度。雖然上文提到寧德時(shí)代發(fā)布的鈉電池的能量密度已經(jīng)接近磷酸鐵鋰電池，但是要知道現(xiàn)在動(dòng)力電池的高端領(lǐng)域用的多數(shù)是三元鋰電池，三元鋰電池的能量密度要更高，當(dāng)前量產(chǎn)的三元電池的電芯能量密度普遍在200Wh/kg以上，高鎳體系甚至超過250Wh/kg，對(duì)于鈉電池的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)比較顯著，鈉電池目前難以望其項(xiàng)背。因此，僅從能量密度考慮，鈉電池有望首先替代鉛酸和磷酸鐵鋰電池主打的啟停、低速電動(dòng)車、儲(chǔ)能等市場(chǎng)，但較難應(yīng)用于電動(dòng)汽車和消費(fèi)便攜電子等領(lǐng)域，在這兩大領(lǐng)域鋰電池仍將是主流選擇。
其次，鈉電池目前的循環(huán)壽命相比鋰電池仍然較短。由于鈉離子半徑比較大, 大量的嵌入或脫出鈉離子會(huì)使材料發(fā)生很大的體積膨脹或收縮，容易誘導(dǎo)電極材料發(fā)生不可逆的結(jié)構(gòu)變化，從而使高容量鈉離子電池表現(xiàn)出不足的循環(huán)壽命。據(jù)中信證券的統(tǒng)計(jì)，主流的鈉離子電池循環(huán)壽命僅1000~1500次，只有寧德時(shí)代和中科海鈉兩家的產(chǎn)品壽命可達(dá)3000次。最先進(jìn)的鈉電池勉強(qiáng)能追平三元電池，但也不及磷酸鐵鋰電池。
最后，盡管鈉電池的理論成本要明顯低于目前市面上的任何一種鋰電池，但由于鈉電池的生產(chǎn)技術(shù)尚不成熟以及產(chǎn)業(yè)鏈不完整等原因，導(dǎo)致目前的鈉電池成本并沒有對(duì)鋰電池產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)。
對(duì)此，中國(guó)粉體網(wǎng)認(rèn)為，鈉電池和鋰電池之間不是簡(jiǎn)單的“替換”的關(guān)系。在動(dòng)力電池領(lǐng)域，二者之間確實(shí)存在一定的競(jìng)爭(zhēng)，但是也有各自更偏向的領(lǐng)域。將來，隨著鈉電池技術(shù)的逐步成熟和產(chǎn)業(yè)鏈的形成，以及鋰資源的日益短缺，鈉電池有望在動(dòng)力電池的低速低端領(lǐng)域中替代鋰電池，而鋰電池則繼續(xù)在高速高端領(lǐng)域中發(fā)揮作用。
參考來源：
1. 容曉輝，陸雅翔等. 鈉離子電池：從基礎(chǔ)研究到工程化探索
2. Kudakwashe Chayambuka, Grietus Mulder, Dmitri L. Danilov, and Peter H. L. Notten. Advanced Energy Materials. From Li-Ion Batteries toward Na-Ion Chemistries: Challenges and Opportunities
3. 寧德時(shí)代官網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/波德）
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