钜大LARGE | 点击量：758次 | 2021年09月09日
钠离子电池入局，动力锂电池“三国杀”来了？
我国储能网讯：“15分钟充电80%，零下20度电池不衰减”。不久前，动力锂离子电池“一哥”宁德时代召开了公布会，推出自己的第一代钠离子电池。很多人直呼：宁德时代这是要重塑电动汽车！
钠离子电池能否在三元锂离子电池、磷酸铁锂离子电池等一众对手中脱颖而出，引领潮流，成为下一代的电池技术？
科幻小说为何难成现实？
令人稍感意外的是，钠电池的概念，是法国科幻作家凡尔纳于1870年，在著名科幻小说《海底两万里》当中最先提出。
小说里，鹦鹉螺号通过取得海水当中的电解质钠，制成钠电池作为能源来驱动前进，因为钠元素来自于海水，属于就地取材。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现，但钠电池潜水艇始终进展不大，一直到了上世纪70年代，随着第三次工业革命的到来，钠离子电池才被真正地研发出来，而与钠电池同时代诞生的，还有如今人们非常熟悉的锂离子电池。
如今四十多年过去了，锂离子电池早已广泛应用到生出现活当中，尤其成为新能源汽车的核心产品；但钠电池的发展却不怎么顺利，长期以来只小范围应用在储能电站、低速车领域，甚至到2011年，才有公司尝试将产品商业化。
钠电池，顾名思义就是用钠离子作为驱动的电池。通过钠离子在电池的正负极之间“跑来跑去”实现电荷移动的一种动力锂离子电池。因为自身“素质”不过关，被人遗忘在角落里。
钠离子电池为何一直被冷落？这其实与它的化学属性有非常直接的关系。实际上，无论是钠电池还是锂离子电池，它们的工作原理都是相似的：在电池阴极，元素失去电子，转变成为更高价的离子，随后进入电解质，穿过隔膜，向阳极转移：虽然离子能够穿过电解质和隔膜，但电子却不行，只能从外部的电路跑到阳极，并在外部做功。这就是电池的放电过程。
锂元素的原子量是6.94，在金属中最轻；锂元素的标准电极电位是-3.045V，在金属中最低；此外，锂元素的比容量也是金属中最高，同时其电化学当量最小。
这意味着，锂离子电池理论上能够获得最大的能量密度。在电池领域，假如暂不考虑安全和成本因素的话，能量密度拥有绝对的话语权—锂离子电池就是研发者眼中的首选。
然而打开化学课本的元素周期表，与锂离得最近的金属元素就是钠，它们都位于周期表的第一列，最外层电子数相同，化学性质相似，所以都能作为电荷搬运工，驱动电池充放电。
不过钠离子电池硬伤也比较明显，首当其冲的就是能量密度不足，锂的原子量是7，钠的原子量为23，原子量越小就意味着能量密度越大。
这就导致三元锂离子电池能量密度已经在200Wh/kg（瓦时每千克，比能量单位）以上时，钠离子电池仅100-150Wh/kg，即使宁德时代当前公布的钠离子电池能量密度可以达到160Wh/kg，与锂离子电池的差距也很明显，导致电池使用效率明显偏低。
其次钠离子半径比锂离子大70%，导致自身移动速度极其缓慢，没办法穿过负极石墨材料，也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。
这样一来，在科学技术尚不发达的上世纪80年代，锂离子电池和钠离子电池走上了截然不同的道路：前者迅速商业化，成为消费市场必不可少的用品，后者则完全进入了停滞状态。
如今，宁德时代公布的钠离子电池，让更多人看到了这项“命途多舛”的技术，也让动力锂离子电池未来的发展之路，多了一个强有力的“潜在竞争者”。
锂与钠的爱恨情仇
但实事求是地来讲，钠电池也并非一无是处，它有两个优势是锂离子电池无法比拟的。
首先在储备量方面，锂资源的储量有限。数据显示，目前70%的锂资源分布在南美洲，而现阶段我国80%锂资源依赖进口，随着需求量的新增，锂元素的价格也一路飙升，从最初的3.8万元一吨涨到16万元一吨。
此前，我国工程院院士陈立泉就曾明确表示，假如全世界的车都使用锂离子电池，全世界的电能都用锂离子电池储存，锂根本不够，一定要考虑新的电池。
▲2021年上半年全球动力锂离子电池装机量榜单（/视觉我国）
钠资源储量就很高，仅仅我国一个察尔汗盐湖中，氯化钠储量就高达426.2亿吨，大约是全球锂资源储量的一百多倍，可以说钠资源是非常“优秀”的“非再生能源”。
其次在使用属性上，尽管钠离子能量密度不佳，但它的化学性能相对稳定，所以它对温度并不敏感，不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶，在抗低温和安全性上较同类别的锂离子电池也有明显的优势。
所以从理论上，只要能让钠离子在电池当中自由游走，就有希望解决钠电池能量密度偏低的问题，钠电池也就有了“逆袭”锂离子电池的希望。在国际竞争加剧，全球能源转型、碳减排碳中和的大背景下，开发钠电池这样一条全新的产品路线，有非常丰富的政治和经济利益。
这或许正是宁德时代让钠电池“复活”的初衷。
记者了解到，现有的钠离子电池正极一般是用普鲁士白和层状氧化物两类材料，钠离子虽然能够穿行，但在循环过程中电池容量会快速衰减，导致电池能量密度明显衰减，非常不耐用。
于是宁德时代用全新思路开发的钠电池诞生了—对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减难题。在负极材料方面，开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性，并给正负极材料优化了相适配的电解液。
▲钠离子电池工作原理图（/视觉我国）
这样一来，让钠离子既可以在正负极之间自由穿行，又不至于过度地衰减能量。并且锂离子电池的生产线也可以用来生产钠电池，很好地控制了成本。
按照宁德时代对外公布的数据，技术优化以后“新生”的钠离子电池，单体能量密度已经达到了160Wh/kg，几乎达到磷酸铁锂离子电池（150-210Wh/kg）的标准。在常温下充电15分钟，电量可达80%；而在零下20°C低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。同时在系统集成效率方面，也可以达到80%以上。
“充电快”“耐低温”“高集成效率”几个关键词直击当下锂离子电池痛点，也让人们看到了新能源车续航问题的解决希望，以及动力锂离子电池未来的全新发展思路。
▲动力锂离子电池大PK（制图/柴青艳）
能量密度低仍待解
时间拨回到一年半以前，2020年四月，比亚迪高调公布了刀片电池产品，希望从“续航性”与“安全性”两方面重塑磷酸铁锂离子电池，改变整个动力锂离子电池行业。
但实际情况是，刀片电池提升了续航性能，却无法规避低温影响，甚至有消费者反馈抗低温性能还不如三元锂离子电池。不少业内人士也指出，刀片电池只在体积利用率上进行了极限优化，并未真正做到革新材料。
这与如今宁德时代高调公布的钠电池，颇有些同病相怜之处。
在清华大学化学工程系教授张强看来，钠离子电池最大的问题，就是依然没能解决钠电池能量密度低的问题。
张强解释说，在乘用车领域，三元锂离子电池的能量密度已经朝300Wh/kg、甚至更高的目标迈进。相比而言，钠电池能量密度只有一半，和锂离子电池差距依然比较明显，和自身相比有进步，但在大环境当中能量密度依然偏低。“下一代钠电池能量密度目标虽然是200Wh/kg，但这个研发过程所要的时间，目前很难估测”。
所以此次公布的钠离子电池，宁德时代给出了AB电池的解决方法，也就是将钠离子模组和锂离子模组按照特定的比例，封装在同一电池包内，达到“一机两用”的目的，创造出全新的锂钠电池，为应用创造了更多场景。
但这种一机两用的技术解决路径，更像是公司的自圆其说：因为此前从没有在任何主流新能源车型应用过这个方法，甚至连三元锂和磷酸铁锂两种锂离子电池混用的方法也不曾出现。有关追求超长续航、要超高能量密度的中高端乘用车型来说，磷酸铁锂、三元锂离子电池甚至未来的固态电池，或许才是他们主流的选择。
“在没能大幅提升钠离子电池的能量密度前，钠电池在乘用车领域机会不多，首先应用的场景可能是储能领域。”中关村储能产业技术联盟理事长俞振华这样评价道。
但即便在储能领域，钠电池产业化之路也有诸多难题亟待破解：虽然海水、盐湖当中有丰富的钠，但我国相关提取技术并不成熟，要一按时间培育上下游产业；尽管钠的价格低于锂，但较低的能量密度意味着更多的辅材和制造成本，根据相关试验测算，钠离子电池的辅材与制造成本占比近75%。
“在没有实现上下游产业链打通的前提下，钠电池并不容易控制成本。”上海交通大学化工学院教授、能源与技术研究所副所长杨军认为，按照目前的规模，形成真正市场化、产业化的钠电池产品，可能还要2-3年，甚至更长时间。
尽管要想实现钠离子电池规模化还要一段时间，但可以肯定的是，钠离子电池进军乘用车领域，是动力锂离子电池尝试向上游延伸，降低原材料价格波动影响的一种探索方式。不管产业化之路是否成功，它都为锂离子电池上游价格高涨敲响了警钟，也为能源转型、多技术路线的发展，供应了更多的思路和方法。
磷酸铁锂离子电池迎来“翻身”
在钠电池高调进军动力锂离子电池领域之时，另一个现象也引发了业内人士的广泛关注—三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池的市场占比天平，已经悄然倾斜，十分耐人寻味。
磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池是目前市场的两大主流，有观点认为它们本质上都是锂离子电池，只是材料构造存在差别：磷酸铁锂离子电池用磷酸铁锂做正极；三元锂离子电池也叫三元聚合物锂离子电池，重要是由镍钴铝或者是镍钴锰做正极。
但也有观点认为，磷酸铁锂离子电池本质上是铁电池，并非真正意义上的锂离子电池。所以两者在能量密度、安全性等方面有着不小的差距。
磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，燃点是500℃以上，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂相同结构崩塌发热，或是形成强氧化性物质。因此磷酸铁锂离子电池稳定性更好，但磷酸铁锂离子电池也有明显的短板，即放热慢、产热少、能量密度低，不得不用提高体积比的方式，来换取更高的续航。
在传统认知中，磷酸铁锂离子电池虽然安全性表现更佳、成本更加有优势，但从能量密度和续驶里程角度看，三元锂离子电池更胜一筹，所以在很长一段时间里，尽管锂离子电池导致的电动汽车自燃频频上演，但三元锂离子电池依然成为了市场的热宠。
数据显示，2017年磷酸铁锂离子电池市场份额尚且为49.6％，到了2018年跌至37.8%，到2019年更是下跌到32%。除了商用车以外，几乎所有乘用车都开始采用三元锂离子电池产品。
就在人们认为磷酸铁锂离子电池即将“优雅谢幕”之时，情况却发生了戏剧性的反转：先是磷酸铁锂离子电池市场份额止跌回升，从特斯拉Model3、ModelY(配置|询价)到比亚迪汉、小鹏P5等等，越来越多车企开始推出装配磷酸铁锂离子电池的车型。
▲三元锂离子电池和磷酸铁锂离子电池咋使用材料方面的差别（/视觉我国）
来到2021年，磷酸铁锂离子电池市场份额进一步扩大。今年1-五月，国内磷酸铁锂离子电池产量29.9GWh，近三年来首次超越三元锂离子电池，这种颠覆性的变化在业内引发了广泛关注。
我国电池工业协会副理事长王敬忠分析认为，磷酸铁锂离子电池在安全性能等方面的表现本来就优于三元锂离子电池，近年来随着技术进步，不仅其能量密度及续驶能力有所增强，而且成本也实现了大幅下降，使磷酸铁锂离子电池的“翻身”有了较为可靠的基础。
因此随着钠电池的入场，人们的关注点也有了全新的方向—这种受制于技术因素的动力锂离子电池，未来有可能像磷酸铁锂离子电池相同“咸鱼翻身”，让动力锂离子电池领域的“龙虎斗”变成“三国杀”吗？
专家眼中的钠电池>>>
钠离子电池未来有很多机会
我国科学院院士、北京大学物理学院教授甘子钊：
新能源汽车电池，目前行业内大量使用的是锂离子电池，使用钠电池的比较少，但钠电池相比于锂离子电池，还是有一定优势的。锂离子电池的负极用料是铜，而钠电池是铝，铝的价格比铜便宜得多，所以钠电池未来是有很多机会的。
有关电池的问题，假如深入研究下去，就牵扯到我们对当代凝聚态物理的了解了。在电池当中，传导是离子，随着凝聚态物理学的发展，对离子导电的认识也会更加清晰，最终带来电池行业的进步，而这恰恰是新能源汽车行业的重大进步。
钠电与锂电不存在替代关系
清华大学化学工程系教授张强：
在提倡节能减排碳达峰的大背景下，结合国家有关储能的需求来看，无论是磷酸铁锂、三元锂还是钠电池，存在都是有意义的。但钠电池与锂离子电池细分市场不相同，有各自的工作岗位和应用空间，目前并不存在谁替代谁的问题。
具体来看，锂离子能量密度高，所以在移动式场景优势会突出一些，比如乘用车领域；钠离子电池能量密度没有那么高，可能更适用于固定式储能，例如储能站当中。也要关注具体的型号类型，使用地域差别等等，比如哈尔滨用的电池，和海南岛用的电池肯定不相同。
未来随着能源领域的转型，有关动力锂离子电池的需求量只增不减，会呈现一个供不应求的状态，所以从这个角度看，不管是钠电池还是锂离子电池，市场一定会遵循“哪个能造好用哪个，哪个更好用用哪个”的原则。黑猫白猫，抓到耗子就是好猫。
钠电池必须提高自身“技术含量”
中关村储能产业技术联盟理事长俞振华：
钠电池目前处于一个刚起步的状态。在学术上，钠离子电池没有形成统一的技术路线，入局的公司也处于“摸着石头过河”的状态；在产业上，宁德时代的电池也没有量产，甚至连关键材料的供应体系也不健全。
钠电池未来还有很长一段路要走。在乘用车领域，因为能量密度的问题，短时间内钠电池尚且无法和锂离子电池抗衡，必须提高自身的“技术含量”。
在储能电池领域，目前磷酸铁锂离子电池是储能电池的重要技术路线。钠离子电池和磷酸铁锂离子电池，能量密度差距已经缩小了很多，所以未来技术成熟以后，市场可能会有一些差异性的选择，这也是钠离子电池的一个机会。
钠电池尚不能量产，要市场检验
上海交通大学化工学院教授、能源与技术研究所副所长杨军：
现在公布的钠电池，能量密度已经达到160Wh/kg以上，这个数字是相当高了，进步也是非常明显的，但要注意的是，并不是说这款电池现在就能大量生产。相反的是，可能还要等两三年才能真正上市，无论上市以后面对的是储能领域还是乘用车领域，都要市场来检验，这到底是不是一款满足需求的产品。
至于三元锂和磷酸铁锂离子电池占比的问题，还要具体问题具体分析，它们的使用场景是不同的，有成本的因素也有安全的因素，比如说无人机的电池，就必须要求能量密度非常高，磷酸铁锂离子电池就不合适，所以这方面实际上很难预测。
