宁德时代破解新能源驱动力“魔方” 钠离子电池的潜力有多大?

• 2021-08-06 16:16:15 来源：国际商报

7月29日，宁德时代新能源科技股份有限公司(宁德时代)发布了第一代钠离子电池，锂钠混搭电池包也在发布会上首次亮相。宁德时代的第一代钠离子电池单体电芯能力密度达到160Wh/kg(瓦时每千克)，虽然已经超过了钠离子电池的平均水平，但与行业内主流三元锂和磷酸铁锂电池250Wh/ kg、180Wh/kg的能量密度仍有差距，且处于初期阶段也不具有规模优势。

但未来会如何还需静观其变。

高速“解魔方”

宁德时代董事长曾毓群在钠离子电池发布会上有段意味深长的发言：“有人在议论电池的化学体系已经很难创新了，只能在物理结构上做些改进。我们认为电化学的世界就像能量魔方未知远远大于已知，我们乐此不疲地探索其中的奥秘。“

这并不是宁德时代一味的理想主义，而是因为“解魔方”的速度正在大幅加快。

钠离子电池与锂离子电池几乎是同时在二十世纪七十年代末期开始被研究的。但由于多8个电子，钠的原子半径比锂要大很多，使得单位质量的电池储能比锂少。因此，尽管钠具有资源丰富、获取简单、理论成本更低，而且无过放电特性，不会产生“死锂”等优势，但容量和循环寿命这两大“致命缺陷”也导致钠离子电池被锂离子电池远远落下。

要提升钠离子电池的容量和循环寿命，需要在正负极和电解液三个部分进行材料层面的突破。

此前，材料研究要依据研究者的科学直觉和大量重复的“尝试法”实验，研发周期长达二三十年。但2011年，美国启动的"材料基因组计划"(MGI)改变了这一“行业规律”。

依靠材料第一性原理，开发计算工具，不依赖于经验参数，输入元素种类和原子坐标，对材料性状进行预测，同时进行数据标准化和共享，大幅缩短材料研发的周期。其中部分材料甚至可以把20~30年的材料研发周期缩短到2~3年。2016年，中国也开始了材料基因组重大科研专项，旨在通过高通量材料计算和材料数据共享平台促进新材料的研发。

宁德时代钠离子电池材料层面的技术突破正是以此为背景。

宁德时代研究院副院长黄起森表示，“宁德时代构建了高通量材料集成计算平台，能够在原子级别上对材料进行了模拟计算和设计仿真。在前人的研究的基础上，我们创新性地对材料的体相结构进行电荷重排，对材料表面进行重新的设计，解决了材料在循环过程中容量快速衰减这一世界性的难题，使创新的材料具备了产业化的条件。”

钠离子电池的潜力

通过材料层面的变化，钠离子电池的潜力有多大?

黄起森表示，目前第一代钠离子电池正极所采用的普鲁士白和层状氧化物两类材料，克容量已经达到了160mAh/g，与现有的锂离子电池正极材料相当;负极所应用的硬碳材料克容量可达350mAh/g以上，还具备优异的循环性能，整体性能指标与现有的石墨是相当的。

换而言之，第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的磷酸铁锂电池，但在低温性能和快充方面具有明显的优势，特别是在高寒地区高功率应用场景。

夏普实验室的实验显示，磷酸铁锂-石墨电池的1000次循环后电池性能衰减10%~ 20%，而普鲁士蓝-硬碳电池在1200次循环后仅衰减2%，未来有望在1万次循环后仅衰减5%。而且在放电性能方面的性能对比方面，1-10小时内磷酸铁锂可放电95%，钠离子电池可放电97%。

同时，宁德时代的第一代钠离子电池在零下20℃的环境中仍可有90%以上的放电保持率。华安证券的研究则显示，在当前的价格体系下钠离子电池对比磷酸铁锂电池约对应25.3%的理论原材料成本优势。

与此同时，目前钠离子电池在实验室层面已可与主流三元锂电池的能量密度比肩。

上海交通大学化学化工学院讲席教授马紫峰在2019年题为《钠离子电池发展机遇与技术挑战》的报告中表示，动力锂离子电池能量密度在锂硫/锂空阶段有望达到500Wh/ Kg;钠离子电池在固体电解质的阶段中，能量密度则有望超过400Wh/Kg。

2019年诺贝尔化学奖得主之一，锂离子电池研究者约翰·古迪纳夫在2017年发表的关于钠离子固态电池的论文提到，使用一种掺杂锂或钠等活性“碱”金属的“玻璃”作为电解质的电池技术，其能量密度可达同类锂离子电池的三倍，而且电解液不易燃烧和挥发，并有效抑制了在反复充放电间“枝晶”的产生。而“枝晶”正是导致电池短路起火的主要内部原因。

即使不考虑固态电池这一看似有些遥远的技术路线，马紫峰的研究也显示以一种层状化合物作为正极材料的钠离子电池能量密度也可接近380Wh/Kg这一三元锂电池的峰值水平。宁德时代宣布其下一代钠离子电池能量密度研发目标是200Wh/kg以上。

告别锂的高价“绑架”

钠离子电池的最大优势是将更便宜。

华安证券的研究认为，钠离子电池的低能量密度(按照低于120Wh/kg)及循环性能对应更多的辅材消耗以及更高的度电成本。考虑到目前磷酸铁锂电池上万次的循环性能，其全生命周期的度电原材料成本仅0.02-0.04元/kWh，远低于钠离子电池的0.05-0.3元/KWh。

但在钠离子电池技术突破和产业化之前，锂的价格将没有“天花板”。

就在宁德时代发布钠离子电池同一日，澳大利亚锂矿生产商Pilbala矿业公司举行首次锂辉石线上拍卖，1万吨锂辉石精矿最终拍出了1250美元/吨的历史新高。若按这一拍卖价计算，碳酸锂成本将会超过9.7万元/吨，远远超过当前的现货价格9万元/吨左右。中信证券预计本轮锂价有望上涨至12万~15万元/吨。国泰君安预测下半年锂价将达到18万/吨。

就在2020年，碳酸锂的现货价格还是4.5万元/吨左右，仅以此价格测算，11.5Kwh的钠离子电池成本就比锂离子电池低了12.5%。

根本原因还在于，两者所需材料的稀有程度不同。

统计数据显示，锂离子电池所需的锂、钴、镍在地壳中的丰度仅为17ppm(百万分之一)，10ppm和180ppm。相比之下钠离子电池正极常用的钠、铁、锰在地壳中的丰度则分别为28300ppm、51000ppm和950 ppm，且分布更加均匀。

原材料价格影响之外，如普鲁士蓝类化合物作为钠离子电池的正极材料，合成过程无需高温煅烧和惰性环境，因而也更为简单和便宜。

约翰·古迪纳夫在2015年关于菱形普鲁士白作为钠离子电池正极的论文中强调：“更重要的是，(我们)成功制备了高钠离子浓度的脱水六氰基铁酸铁(普鲁士白)，为使用现有锂离子电池制造技术制造低成本的钠离子电池提供了可能性。”

当火药出现，如何使兵刃更锋利就变得没有意义。此时仍显“弱小”的第一代钠离子电池将只是宁德时代解魔方的一个开始。(本报记者 朱世耘)

标签： 新能源 钠离子电池 规模优势 大幅加快

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