钜大LARGE | 点击量：479次 | 2023年07月15日
锂电池会被钠电池取而代之？新能源的未来在"钠"里？
早在1870年，法国预言家作家凡尔纳就在《海底两万里》中，首次提出了钠电池的构想："鹦鹉螺号"通过取得海水中的电解质钠，制成钠电池作为能源。
150年过去，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。直到今年七月，CATL公布了一款钠离子电池，让尼摩船长的"新能源潜水艇"有了眉目，也让更多人看到了这项"命途多舛"的技术。
1、一块迟到四十年的电池
钠和锂，在元素周期表上位于同一主族，化学性质相似。钠离子电池和锂电池均起源于上世纪七八十年代，但命运却截然不同。
锂电池因为优异的电化学性能，成了手机、相机、汽车等大小电器必不可少的器件，而钠离子电池却因电池容量低、循环寿命短等短板，无人问津。直到2010年以后，才陆续有研究人员把钠电池这项老技术捡起来。
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%
和锂电池相同，钠离子电池也有多条技术路线。
钠离子电池的技术路线
高温钠离子电池对工作温度要求高、安全性差，研究人员关注更多的是室温钠离子电池，并针对性开发出适合其性质的阴阳极材料，如在阳极上，有合金类、金属氧化物类和碳材料等选择，而阴极材料则包括聚阴离子类、普鲁士蓝衍生物、层状氧化物类等。
其中，层状氧化物和普鲁士蓝衍生物做阴极的钠电池，不仅成本便宜，而且能量密度接近磷酸铁锂电池，甚至还有所超越［1］。阳极材料用硬碳，能提高钠电池的可逆比容量和循环寿命。
在CATL公布会上，提到了这三种电极材料，根据公布会新闻稿，CATL确认其钠电池采用"普鲁士白"作为正极材料，它是普鲁士蓝的还原产物。
不同技术路线的锂电池（左）、钠电池（中）和钾电池（右）的材料成本和能量密度比较
解决了关键的容量和寿命问题，钠离子电池的应用自然多了起来。CATL炒热了钠电池，然而它并不是第一家生产钠电池的我国公司，在它之前，超威、星空、中科海钠等多家公司，都已涉足钠电池的研发和生产。
此外，我国长城、鹏辉能源、圣阳股份等公司已经研发出了钠离子电池样品。欣旺达、百川股份等也在为钠离子电池进行技术和专利储备。
从被科研人员抛弃，到大公司争相研发，钠离子电池为何突然吃香？
2、新能源的未来在"钠"里
新能源蓬勃发展、碳中和成为世界议题。各国纷纷推出政策，将"停产燃油车"提上日程，电动汽车取而代之。但这又带来另一个问题：锂资源不够用了。
全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14．8亿辆电动汽车，而根据前瞻产业研究院的数据，2020年全球汽车保有量便超过14．9亿辆［2］。
更不必说，我国锂资源紧张，高度依赖进口。
2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6．5万吨，其余锂精矿依赖进口，共进口172万吨锂辉石精矿，且进口矿石重要都来自澳大利亚［3］。鉴于近年紧张的中澳关系，寻找锂电池的替代产品意义非凡。
业界对钠离子电池寄予厚望。
一方面，钠元素的含量足够丰富。锂在地壳中的含量只有0．0065％，而钠的含量则为2．75％，是前者的400多倍。
另一方面，钠离子电池成本低、安全性高。据中科海钠的测算，钠离子电池的材料成本，比锂电池低30％～40％［4］。并且由于钠电池化学性性能稳定，不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶，在安全性上较同类别的锂电池体系具有优势［5］。中科海钠官网
但钠电池该用在哪里呢？
3、谁在呼唤钠离子电池？
学界一般认为，钠离子电池在储能系统上大有用途。
在2030年碳达峰、2060年碳中和的要求下，中央明确提出，要建立以新能源为主体的新型电力系统，并点名风力发电和光伏发电。但风光电发电不稳定，想把这些清洁能源接入电网，就得建设储能站，为电力创造"缓冲区"［6］。
储能站的储能方式，有机械储能、电磁储能、电化学（电池）储能、热储能等类别，目前抽水蓄能占绝对主体地位。根据北极星电力网报道，截至2020年，我国抽水蓄能电站投运总装机规模3179万千瓦，在建总装机规模5243万千瓦；而在今年三月，随着碳中和目标提出，储能需求推动了新一批储能设施建设，截至2021年七月，已有39个、总装机4770万千瓦抽水蓄能电站获得了签约、核准、开工等重要进展。
但抽水蓄能也有劣势，导致其近年来发展速度减缓。申港证券认为，抽水蓄能存在地理局限性、建设周期长成本高，适合作为大型发电设备配套；而从使用效率、布局灵活性、循环寿命、投资成本等方面综合考虑，电池储能是当下最适合规模化发展的储能形式［7］。
电池储能以锂电池、铅酸电池和全钒液流电池手段为主。其中，锂电池拥有更高的能量密度，能量转换效率超过90％，产业链配套也更加成熟［8］。截至2019年底，在电化学储能装机中，锂电池装机占比超过75％以上，占主导地位［9］。
2019年起，钠离子电池在储能行业崭露头角，国内先后建成了三座钠离子电池储能系统。
光大证券测算，到2025年国内钠离子电池在储能上的潜在需求量达48GWh，以磷酸铁锂电池价格计量，对应近210亿元的市场空间［10］。
除了储能行业，电动汽车行业也在呼唤安全系数更高的钠离子电池。钠离子电池能给电动汽车性能带来多大提升还有待观察，但若能解决低温"趴窝"和碰撞自燃问题，已是好事一桩。
4、"钠"还是个"孩子＂
在商业化上，钠离子电池还只是个"孩子"。Patsnap智慧芽全球专利数据库显示，钠电池相关专利申请人集中于高校和研究所。申请专利最多的陕西科技大学有169项，而CATL和中科海钠两家公司加起来，也只有35项。
标题及摘要包含"钠离子电池"关键词的专利分布
比如，钠离子电池的寿命仍不尽人意。
据中信证券的统计，主流的钠离子电池循环寿命仅1000～1500次，只有CATL和中科海钠两家的产品寿命可达3000次。这勉强能追平三元电池，但也远不及磷酸铁锂电池。
钠离子电池制造成本也暂时偏高。
一方面，钠电池产业链不成熟，拉高了制造成本。
今年二月，在我国铁塔和我国电信的招标上，磷酸铁锂电池组价格已低于0．5元／Wh，但目前钠离子电池的实际生产成本在1元／Wh以上。
只有当钠离子电池产量达到GWh级别时，才能依靠摊薄设备折旧费用，体现出钠离子电池材料成本低的优势［10］，但截至2020年，国内电池储能项目的装机规模累计只有3．3GW［11］。
另一方面，钠电池的材料生产方法也有待优化。
高校和公司一直在寻找更廉价的方法，制备钠电池的电极材料。但这些专利和研究多处于理论阶段，距离大规模投产仍有距离。
钠电池的优势已无需多言，可命运的天平何时倾斜，犹未可知。
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．十张图带你看2020年全球汽车维修行业市场现状和发展前景未来上升潜力巨大2020－9－7
［3］聂来斌．动力锂电池的"备胎"故事：锂不够，钠来凑？
［4］中科海钠官网
［5］宋韶灵祖国鹏王喆李鹞吴威辰．新能源汽车｜钠离子电池：兼具资源和成本优势，有望加速导入2021－7－26
［6］储能超级风口下，谁是下一个阳光电源？
［7］储能：踏上未来电力系统主角之路2021－4－1
［8］许超．一文看懂火爆的储能行业：行业格局、商业模式、投资机会
［9］全钒液流电池将迎来产业推广红利期2020－10－28
［10］钠离子电池：潜在空间广阔，CATL入局加速产业化2021－7－22
［11］2021年我国储能电站装机规模和发展前景分析电化学储能增速最快
