寧德時(shí)代又放大招了??？5 月 21 日，寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群表示，將于 2021 年下半年發(fā)布鈉電池。作為全球鋰電池行業(yè)的老大，寧德時(shí)代的這一消息引發(fā)了廣泛關(guān)注，也將人們的視線(xiàn)吸引到了較為陌生的“鈉電池”身上。
一直以來(lái)，鋰電池憑借著能量密度高、充放電速度快、使用循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)勢(shì)，在很多產(chǎn)業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。尤其是車(chē)載動(dòng)力電池方面，目前市場(chǎng)上的主流純電汽車(chē)幾乎都搭載三元鋰或磷酸鐵鋰電池。
然而，隨著搭載鋰電池的純電汽車(chē)產(chǎn)量持續(xù)增加，鋰電池產(chǎn)業(yè)諸如核心原材料儲(chǔ)量低、開(kāi)采難度大、三元鋰電池有一定的安全隱患等局限性逐漸顯露了出來(lái)，人們已經(jīng)開(kāi)始尋找鋰電池的替代品了。
鈉電池就是鋰電池的替代品之一，相比之下，鈉電池的核心原材料儲(chǔ)量更高、開(kāi)采難度更低，原材料成本自然也就更低。此外，鈉電池在面對(duì)擠壓、穿刺等情景時(shí)的安全性也更好。
那么“鈉電池”到底是怎樣一種產(chǎn)品？國(guó)內(nèi)外又有哪些企業(yè)在研發(fā)這種電池呢？
鈉電池更便宜更安全，可惜能量密度低
鈉電池是一種以鈉離子為電荷載體的電池，通過(guò)鈉離子在正負(fù)極間插入和分離來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的充放電。鈉電池的工作原理本質(zhì)上和鋰電池一樣，只是電荷載體不同。
鈉電池的正極材料主要包括鈉過(guò)渡金屬氧化物、鈉過(guò)渡金屬磷酸鹽、鈉過(guò)渡金屬硫酸鹽、鈉過(guò)渡金屬普魯士藍(lán)類(lèi)化合物等幾大類(lèi)；負(fù)極材料主要包括軟碳、硬碳、過(guò)渡金屬氧化物等；電解液成分跟鋰電池的電解液成分差別不大，只是把鋰離子改為鈉離子。
其他諸如中間隔膜成分、封裝工藝等方面，鈉電池與鋰電池并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。
相比鋰電池，鈉電池的一大優(yōu)勢(shì)就是成本低。鈉電池需要的鈉元素不僅儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，而且獲取渠道更多、開(kāi)采難度更低。就像曾毓群所說(shuō)：“氯化鈉（價(jià)格）炒不起來(lái)，鹽很多。”
而且，鈉電池在架構(gòu)、封裝工藝上與鋰電池高度相似，原先生產(chǎn)鋰電池的工廠(chǎng)不必經(jīng)過(guò)大的改動(dòng)就能直接進(jìn)行鈉電池的生產(chǎn)，也就是說(shuō)鈉電池取代鋰電池這一改變的成本也不會(huì)太高。
鈉電池的另一大優(yōu)勢(shì)是安全性高。在國(guó)外一科研團(tuán)隊(duì)對(duì)由 Tiamat Energy 制造的 18650 圓筒型鈉離子電芯進(jìn)行的針刺測(cè)試中，鈉電池在外殼被刺穿 10 分鐘后，內(nèi)部溫度的最高值也只在 130℃左右。團(tuán)隊(duì)也對(duì)由 Novasis Energies 制造的軟包型鈉離子電芯進(jìn)行了針刺測(cè)試，整個(gè)過(guò)程中沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的明火出現(xiàn)。
▲ 鈉電池安全性測(cè)試過(guò)程
鈉電池沒(méi)能取代鋰電池的主要原因是能量密度還不夠高。目前，市場(chǎng)上鈉電池的電芯能量密度普遍在 100~150Wh/kg。而主流的車(chē)規(guī)級(jí)動(dòng)力電池中，三元鋰電池的電芯能量密度已經(jīng)能達(dá)到 250Wh/kg 左右。磷酸鐵鋰電池的電芯能量密度稍低，但也有 180Wh/kg 左右。
不過(guò)，在純電汽車(chē)產(chǎn)量不斷增加的當(dāng)今，不少企業(yè)都意識(shí)到儲(chǔ)量低、開(kāi)采難的鋰恐怕不能支撐企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，紛紛選擇投身鈉電池的研發(fā)。
歐美企業(yè)起步較早，已有多家拿出成品
目前鈉電池產(chǎn)業(yè)中，來(lái)自歐美的企業(yè)數(shù)量較多，實(shí)力也相對(duì)較強(qiáng)。
比如來(lái)自英國(guó)的 Faradion 公司，這家公司成立于 2011 年，致力于開(kāi)發(fā)鈉離子技術(shù)并將其推向市場(chǎng)。2015 年，F(xiàn)aradion 與 Williams Advanced Engineering 和牛津大學(xué)合作，展示了世界上第一種由鈉電池供電的電動(dòng)自行車(chē)。此外，在 2020 年 1 月，該公司還參與了由英國(guó)創(chuàng)新基金會(huì)資助的可再生能源低成本存儲(chǔ)項(xiàng)目，以展示鈉離子技術(shù)在太陽(yáng)能存儲(chǔ)中的應(yīng)用。
▲ Faradion 推出的車(chē)規(guī)級(jí)鈉電池供電模塊
來(lái)自法國(guó)的 Tiamat Energy 公司是法國(guó) CNRS 研究實(shí)驗(yàn)室的衍生產(chǎn)品，也是鈉電池領(lǐng)域的先行者。其技術(shù)在過(guò)去八年中得到了發(fā)展，并在第一輪融資中籌集了 500 萬(wàn)歐元（約合 3890 萬(wàn)元人民幣）。該公司還是法國(guó)政府成立的汽車(chē)研究與移動(dòng)性指導(dǎo)委員會(huì)（CORAM）的一部分，以支持汽車(chē)領(lǐng)域作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
Tiamat Energy 已經(jīng)與塑膠產(chǎn)品公司 Plastic Omnium 展開(kāi)了合作，前者的 18650 圓筒鈉電池將被后者改造成于車(chē)輛的 48V 鈉電池組，并提供給所有汽車(chē)制造商。
▲ Tiamat Energy 推出的 18650 圓筒鈉離子電芯
來(lái)自美國(guó)的 Natron Energy 也在鈉電池領(lǐng)域有較強(qiáng)的實(shí)力，他們開(kāi)發(fā)了一種新的工藝，用常見(jiàn)于染料中的普魯士藍(lán)來(lái)制造陰極和陽(yáng)極。這種材料的成本雖低，但它的化學(xué)結(jié)構(gòu)非常擅長(zhǎng)吸收和釋放鈉離子，有利于提高鈉電池的充放電效率。而且，普魯士藍(lán)電極的使用壽命也比碳基和金屬基電極長(zhǎng)，使用壽命最高可達(dá) 5 萬(wàn)次。
▲ Natron Energy 推出的鈉電池
中國(guó)企業(yè)不甘落后 曾毓群導(dǎo)師也在研發(fā)
中國(guó)在鈉電池領(lǐng)域的發(fā)展也并不落后，目前也有多家企業(yè)開(kāi)發(fā)出了可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域的鈉電池產(chǎn)品。
除了寧德時(shí)代外，浙江安力能源也已經(jīng)在鈉電池領(lǐng)域取得了一些成果。這家公司是超威集團(tuán)和美國(guó)通用電氣公司共同成立的一家合資公司，致力于鈉 - 氯化鎳（簡(jiǎn)稱(chēng)鈉鹽電池）的研發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，目前公司的主力產(chǎn)品之一：T126 型鈉鎳電池包的能量密度已做到 102Wh/kg（電芯能量密度未提供）。
▲ 浙江安力能源 T126 型鈉鎳電池包
中科海鈉是國(guó)內(nèi)鈉電池領(lǐng)域的又一先頭企業(yè)，它的技術(shù)團(tuán)隊(duì)由中國(guó)工程院院士陳立泉、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員胡勇勝等人領(lǐng)導(dǎo)。值得指出的是，中國(guó)工程院院士陳立泉正是曾毓群的博士生導(dǎo)師。
通過(guò)多年努力，中科海鈉已成長(zhǎng)為國(guó)際少有的、擁有鈉離子電池核心專(zhuān)利與技術(shù)的電池企業(yè)之一。
比如，為了降低鈉電池成本，科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了銅基鈉離子層狀氧化物正極材料和無(wú)煙煤基負(fù)極材料。如果用戶(hù)有需求，中科海鈉也能提供電解液、鈉鹽等產(chǎn)品，且支持定制。
同時(shí)，中科海鈉也充分考慮到了電池生產(chǎn)線(xiàn)轉(zhuǎn)型的問(wèn)題，在鈉電池設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到了產(chǎn)品與原有的鋰電池工廠(chǎng)的適配度。胡勇勝表示，中科海鈉科技已經(jīng)通過(guò)鋰電池生產(chǎn)線(xiàn)制造了數(shù)萬(wàn)個(gè)鈉電池產(chǎn)品，目前他們的鈉離子電芯產(chǎn)能最高可達(dá) 30 萬(wàn)只 / 月，產(chǎn)品包括圓筒形電芯和軟包型電芯。
▲ 中科海鈉推出的低速電動(dòng)車(chē)用鈉電池組
結(jié)語(yǔ)：高能量密度鈉電池或可替代鋰電池
隨著便攜式電子設(shè)備和電動(dòng)汽車(chē)的迅速發(fā)展，鋰離子電池的生產(chǎn)已達(dá)到空前的規(guī)模。所有主要的鋰電池制造商都在不斷擴(kuò)大生產(chǎn)能力，以滿(mǎn)足日益旺盛的市場(chǎng)需求。
然而，鋰并不是一種豐富的元素，其在地殼中的含量?jī)H為 0.0065％。它還分布不均，其中約 70％分布在南美。如果人類(lèi)放任鋰電池產(chǎn)業(yè)“野蠻生長(zhǎng)”，該產(chǎn)業(yè)可能在幾十年內(nèi)便因?yàn)殇囋乜萁叨坏貌凰ヂ洹?br />
鈉元素的化學(xué)性質(zhì)與鋰元素有較高的相似性，也很適合作為電池材料使用，而且它的儲(chǔ)量更高、開(kāi)采難度更低、價(jià)格也更便宜。
多家歐美企業(yè)早早意識(shí)到了鋰電池的局限與鈉電池的發(fā)展前景，已經(jīng)給出了鈉電池領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)。一些中國(guó)企業(yè)也不甘落后，尤其是中科海鈉科技，通過(guò)多年的自主研發(fā)，在鈉電池正負(fù)極材料方面都擁有了自己的核心科技。
不僅如此，中科海鈉科技還在鈉電池設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考慮到了產(chǎn)品與原有的鋰電池工廠(chǎng)的適配度，并親自使用鋰電池生產(chǎn)線(xiàn)制造了鈉電池且獲得了成功。
當(dāng)下，鈉電池尚未取代鋰電池并成為電動(dòng)車(chē)輛動(dòng)力電池的首選，主要原因是鈉電池的能量密度還不夠高。
鈉電池的電芯能量密度往往在 100~150Wh/kg 之間，而磷酸鐵鋰電池的電芯能量密度在 180Wh/kg 左右，三元鋰電池的電芯能量密度更是達(dá)到了 250Wh/kg 左右。也就是說(shuō)，當(dāng)前水平的鈉電池恐怕很難滿(mǎn)足高動(dòng)力、長(zhǎng)續(xù)航車(chē)輛的需求。
但是，鈉電池優(yōu)勢(shì)和鋰電池即將面臨的困境都是不爭(zhēng)的事實(shí)。假以時(shí)日，人們通過(guò)努力，顯著提升了鈉電池的能量密度，補(bǔ)齊了鈉電池的短板，鈉電池的優(yōu)勢(shì)將會(huì)大放異彩，成為鋰電池的最佳替代品。
