鉅大LARGE | 點擊量：493次 | 2023年07月15日
鋰電池會被鈉電池取而代之？新能源的未來在"鈉"里？
早在1870年，法國預(yù)言家作家凡爾納就在《海底兩萬里》中，首次提出了鈉電池的構(gòu)想："鸚鵡螺號"通過取得海水中的電解質(zhì)鈉，制成鈉電池作為能源。
150年過去，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。直到今年七月，CATL公布了一款鈉離子電池，讓尼摩船長的"新能源潛水艇"有了眉目，也讓更多人看到了這項"命途多舛"的技術(shù)。
1、一塊遲到四十年的電池
鈉和鋰，在元素周期表上位于同一主族，化學性質(zhì)相似。鈉離子電池和鋰電池均起源于上世紀七八十年代，但命運卻截然不同。
鋰電池因為優(yōu)異的電化學性能，成了手機、相機、汽車等大小電器必不可少的器件，而鈉離子電池卻因電池容量低、循環(huán)壽命短等短板，無人問津。直到2010年以后，才陸續(xù)有研究人員把鈉電池這項老技術(shù)撿起來。
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-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
和鋰電池相同，鈉離子電池也有多條技術(shù)路線。
鈉離子電池的技術(shù)路線
高溫鈉離子電池對工作溫度要求高、安全性差，研究人員關(guān)注更多的是室溫鈉離子電池，并針對性開發(fā)出適合其性質(zhì)的陰陽極材料，如在陽極上，有合金類、金屬氧化物類和碳材料等選擇，而陰極材料則包括聚陰離子類、普魯士藍衍生物、層狀氧化物類等。
其中，層狀氧化物和普魯士藍衍生物做陰極的鈉電池，不僅成本便宜，而且能量密度接近磷酸鐵鋰電池，甚至還有所超越［1］。陽極材料用硬碳，能提高鈉電池的可逆比容量和循環(huán)壽命。
在CATL公布會上，提到了這三種電極材料，根據(jù)公布會新聞稿，CATL確認其鈉電池采用"普魯士白"作為正極材料，它是普魯士藍的還原產(chǎn)物。
不同技術(shù)路線的鋰電池（左）、鈉電池（中）和鉀電池（右）的材料成本和能量密度比較
解決了關(guān)鍵的容量和壽命問題，鈉離子電池的應(yīng)用自然多了起來。CATL炒熱了鈉電池，然而它并不是第一家生產(chǎn)鈉電池的我國公司，在它之前，超威、星空、中科海鈉等多家公司，都已涉足鈉電池的研發(fā)和生產(chǎn)。
此外，我國長城、鵬輝能源、圣陽股份等公司已經(jīng)研發(fā)出了鈉離子電池樣品。欣旺達、百川股份等也在為鈉離子電池進行技術(shù)和專利儲備。
從被科研人員拋棄，到大公司爭相研發(fā)，鈉離子電池為何突然吃香？
2、新能源的未來在"鈉"里
新能源蓬勃發(fā)展、碳中和成為世界議題。各國紛紛推出政策，將"停產(chǎn)燃油車"提上日程，電動汽車取而代之。但這又帶來另一個問題：鋰資源不夠用了。
全球探明的可供開采的鋰資源儲量僅能滿足14．8億輛電動汽車，而根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2020年全球汽車保有量便超過14．9億輛［2］。
更不必說，我國鋰資源緊張，高度依賴進口。
2019年國內(nèi)利用自身的鋰資源加工的基礎(chǔ)鋰鹽僅為6．5萬噸，其余鋰精礦依賴進口，共進口172萬噸鋰輝石精礦，且進口礦石重要都來自澳大利亞［3］。鑒于近年緊張的中澳關(guān)系，尋找鋰電池的替代產(chǎn)品意義非凡。
業(yè)界對鈉離子電池寄予厚望。
一方面，鈉元素的含量足夠豐富。鋰在地殼中的含量只有0．0065％，而鈉的含量則為2．75％，是前者的400多倍。
另一方面，鈉離子電池成本低、安全性高。據(jù)中科海鈉的測算，鈉離子電池的材料成本，比鋰電池低30％～40％［4］。并且由于鈉電池化學性性能穩(wěn)定，不容易形成鋰枝晶那樣堅硬的枝晶，在安全性上較同類別的鋰電池體系具有優(yōu)勢［5］。中科海鈉官網(wǎng)
但鈉電池該用在哪里呢？
3、誰在呼喚鈉離子電池？
學界一般認為，鈉離子電池在儲能系統(tǒng)上大有用途。
在2030年碳達峰、2060年碳中和的要求下，中央明確提出，要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，并點名風力發(fā)電和光伏發(fā)電。但風光電發(fā)電不穩(wěn)定，想把這些清潔能源接入電網(wǎng)，就得建設(shè)儲能站，為電力創(chuàng)造"緩沖區(qū)"［6］。
儲能站的儲能方式，有機械儲能、電磁儲能、電化學（電池）儲能、熱儲能等類別，目前抽水蓄能占絕對主體地位。根據(jù)北極星電力網(wǎng)報道，截至2020年，我國抽水蓄能電站投運總裝機規(guī)模3179萬千瓦，在建總裝機規(guī)模5243萬千瓦；而在今年三月，隨著碳中和目標提出，儲能需求推動了新一批儲能設(shè)施建設(shè)，截至2021年七月，已有39個、總裝機4770萬千瓦抽水蓄能電站獲得了簽約、核準、開工等重要進展。
但抽水蓄能也有劣勢，導(dǎo)致其近年來發(fā)展速度減緩。申港證券認為，抽水蓄能存在地理局限性、建設(shè)周期長成本高，適合作為大型發(fā)電設(shè)備配套；而從使用效率、布局靈活性、循環(huán)壽命、投資成本等方面綜合考慮，電池儲能是當下最適合規(guī)模化發(fā)展的儲能形式［7］。
電池儲能以鋰電池、鉛酸電池和全釩液流電池手段為主。其中，鋰電池擁有更高的能量密度，能量轉(zhuǎn)換效率超過90％，產(chǎn)業(yè)鏈配套也更加成熟［8］。截至2019年底，在電化學儲能裝機中，鋰電池裝機占比超過75％以上，占主導(dǎo)地位［9］。
2019年起，鈉離子電池在儲能行業(yè)嶄露頭角，國內(nèi)先后建成了三座鈉離子電池儲能系統(tǒng)。
光大證券測算，到2025年國內(nèi)鈉離子電池在儲能上的潛在需求量達48GWh，以磷酸鐵鋰電池價格計量，對應(yīng)近210億元的市場空間［10］。
除了儲能行業(yè)，電動汽車行業(yè)也在呼喚安全系數(shù)更高的鈉離子電池。鈉離子電池能給電動汽車性能帶來多大提升還有待觀察，但若能解決低溫"趴窩"和碰撞自燃問題，已是好事一樁。
4、"鈉"還是個"孩子＂
在商業(yè)化上，鈉離子電池還只是個"孩子"。Patsnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫顯示，鈉電池相關(guān)專利申請人集中于高校和研究所。申請專利最多的陜西科技大學有169項，而CATL和中科海鈉兩家公司加起來，也只有35項。
標題及摘要包含"鈉離子電池"關(guān)鍵詞的專利分布
比如，鈉離子電池的壽命仍不盡人意。
據(jù)中信證券的統(tǒng)計，主流的鈉離子電池循環(huán)壽命僅1000～1500次，只有CATL和中科海鈉兩家的產(chǎn)品壽命可達3000次。這勉強能追平三元電池，但也遠不及磷酸鐵鋰電池。
鈉離子電池制造成本也暫時偏高。
一方面，鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，拉高了制造成本。
今年二月，在我國鐵塔和我國電信的招標上，磷酸鐵鋰電池組價格已低于0．5元／Wh，但目前鈉離子電池的實際生產(chǎn)成本在1元／Wh以上。
只有當鈉離子電池產(chǎn)量達到GWh級別時，才能依靠攤薄設(shè)備折舊費用，體現(xiàn)出鈉離子電池材料成本低的優(yōu)勢［10］，但截至2020年，國內(nèi)電池儲能項目的裝機規(guī)模累計只有3．3GW［11］。
另一方面，鈉電池的材料生產(chǎn)方法也有待優(yōu)化。
高校和公司一直在尋找更廉價的方法，制備鈉電池的電極材料。但這些專利和研究多處于理論階段，距離大規(guī)模投產(chǎn)仍有距離。
鈉電池的優(yōu)勢已無需多言，可命運的天平何時傾斜，猶未可知。
References：
［1］YaosenTian，GuoboZeng，AnnRutt，TanShi，HaegyeomKim，JingyangWang，JuliusKoettgen，YingzhiSun，BinOuyang，TinaChen，ZhengyanLun，ZiqinRong，KristinPersson，andGerbrandCeder．PromisesandChallengesofNext－Generation"BeyondLi－ion"BatteriesforElectricVehiclesandGridDecarbonization．Chem．Rev．2021，121，3，1623–1669PublicationDate：December24，2020
［2］朱琳慧．十張圖帶你看2020年全球汽車維修行業(yè)市場現(xiàn)狀和發(fā)展前景未來上升潛力巨大2020－9－7
［3］聶來斌．動力鋰電池的"備胎"故事：鋰不夠，鈉來湊？
［4］中科海鈉官網(wǎng)
［5］宋韶靈祖國鵬王喆李鷂吳威辰．新能源汽車｜鈉離子電池：兼具資源和成本優(yōu)勢，有望加速導(dǎo)入2021－7－26
［6］儲能超級風口下，誰是下一個陽光電源？
［7］儲能：踏上未來電力系統(tǒng)主角之路2021－4－1
［8］許超．一文看懂火爆的儲能行業(yè)：行業(yè)格局、商業(yè)模式、投資機會
［9］全釩液流電池將迎來產(chǎn)業(yè)推廣紅利期2020－10－28
［10］鈉離子電池：潛在空間廣闊，CATL入局加速產(chǎn)業(yè)化2021－7－22
［11］2021年我國儲能電站裝機規(guī)模和發(fā)展前景分析電化學儲能增速最快
