有關(guān)鈉離子電池的詳細解讀

引言

此前寧德時代發(fā)布會上公布了“第一代鈉離子電池”，而后關(guān)于鈉離子電池的討論層出不窮，有人說它可以替代現(xiàn)有純電動車上的鋰離子動力電池，更是直言我們?nèi)〉昧穗姵丶夹g(shù)里程碑式的突破，鈉離子電池更是被譽為未來電池之光？然而真實情況是這樣子的嗎？本文將帶來有關(guān)鈉離子電池的詳細解讀。

01鈉離子電池的前世

首先要說的是，其實關(guān)于鈉離子電池技術(shù)的研究，并非這幾年才開始興起的，事實上早在上個世紀(jì)七八十年代，鋰離子電池技術(shù)剛剛興起之時，鈉離子電池自然也被電池界寄予厚望，甚至鈉離子電池的技術(shù)原理，在當(dāng)時就形成了完整的體系，而這一體系至今仍在沿用。

所以，寧德時代推出鈉離子電池并非“新物種”，而是基于原有技術(shù)的升級版本。

為什么鈉離子電池在上世紀(jì)可以和鋰離子電池一起研究呢？

而之所以鈉離子電池和鋰離子電池在上世紀(jì)同時研究，也是因為鈉與鋰在化學(xué)周期表上是距離最近的同族金屬元素，而且眾所周知的是“同族元素的最外層電子數(shù)完全一致”，這意味著它們的化學(xué)性質(zhì)極為相似，因此當(dāng)年電池界是將鈉與鋰放在一起研究并寄予厚望的。

因為不管是鈉離子電池還是鋰離子電池，他們在電池技術(shù)原理上的其實是一樣的。都是通過電解液與金屬產(chǎn)生氧化還原化學(xué)反應(yīng)，將金屬變成離子態(tài)，此時電子作為電荷載體在電池正負極之間的移動就可實現(xiàn)電池的充放電過程，也被成為“搖椅式電池”。

在充電過程中，鈉離子或鋰離子會攜帶著正電荷從正極流向負極，而負電荷電子則通過外部電路一同運動，最終實現(xiàn)電流的傳輸。而放電過程則相反，金屬離子和電荷會從負極遷移至正極，從而實現(xiàn)電流的反方向傳輸。

然而鈉離子電池因自身“缺點”在和鋰離子電池的競爭中掉隊了，最終鮮有人提。

那么鈉離子電池相較于鋰離子電池到底差哪里了呢？

02鈉離子電池比起鋰離子的“缺陷”

最大的問題還是鈉離子的質(zhì)量要比鋰離子大，在元素周期表中可以看到，鋰排名第3，而鈉排名第11，這樣在相同質(zhì)量下的能量密度的差異就會體現(xiàn)在電池電量上的不同。

就拿本次寧德時代推出的鈉離子電池來說，鈉離子電池的能量密度為160Wh/kg，而寧德時代現(xiàn)有的NCM811三元鋰電池能量密度為200Wh/kg。意味著同為1kg質(zhì)量情況下，鈉離子電池僅為三元鋰電池的80%能量密度，這就相當(dāng)于現(xiàn)在大多數(shù)裝配鋰電池的電動車充滿電基本上都可以跑500公里左右，那么同等質(zhì)量的鈉離子動力電池才可以跑400公里。

由此我們也能看到，鈉離子電池的電量要比鋰離子電池的電量低。

事實上，鋰離子電池的電量對鈉離子電池的電量處于碾壓的狀態(tài)。

我國鋰電產(chǎn)業(yè)的奠基人中國工程院院士陳立泉所研究的新型納米硅鋰電池是一般石墨鋰電池容量的的5倍；2018年陳院士的徒弟李泓教授研發(fā)的固態(tài)鋰電池已經(jīng)完成了300Wh/kg固態(tài)動力電池系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工作，實驗室測試車輛搭載該固態(tài)鋰電池后，續(xù)航里程翻了一番。現(xiàn)在正在研發(fā)的350Wh/kg納米硅鋰電池可以讓電動車一次充電能走1000公里。

還有很重要的一點，在電池充放電“循環(huán)壽命”這項指標(biāo)上，鈉離子電池也要遜色于鋰離子電池。根據(jù)統(tǒng)計，目前鈉離子電池的循環(huán)壽命大約在2000次左右，而三元鋰電池循環(huán)壽命可達3000次以上，磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命長達6000次左右。

因此，在新能源電動車市場上，笨重且短壽的鈉離子電池被鋰離子電池打敗，直接喪失了價值萬億的新能源市場，鈉離子電池只能在低速電動車、儲能系統(tǒng)等含金量較低的領(lǐng)域與鉛酸電池搶市場。那么問題來了，寧德時代為何還要去研究和發(fā)布滿是缺點的鈉離子電池呢？

03鈉離子電池比起鋰離子的“優(yōu)勢”

市場是以需求為導(dǎo)向的。鋰離子電池的優(yōu)點固然很多，但它卻有一個致命的短板，就是——少！

資料顯示，鋰元素在地殼中的含量約為0.0065%，原材料稀缺且成本昂貴。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局USGS的統(tǒng)計，截至2020年，全球已探明可開采的鋰資源儲量約為8600噸左右。而2020年我國鋰原料產(chǎn)量占全球比例僅為24%，鋰資源高度依賴進口。

鋰資源的緊缺意味著其價格也會不斷上漲，前幾年不足4萬一噸的碳酸鋰，現(xiàn)今已到10萬元一噸，價格直接翻2.5倍，這將極大影響鋰離子電池的材料成本。

而且，前面提到的三元鋰電池中的“三元”，指的是包含鎳、鈷、錳、鋁的其中三種金屬元素的聚合物，在三元鋰電子電池中作正極，但是鈷、鎳這類金屬的稀缺程度遠遠超過鋰資源，其價格更為昂貴。

因此，如今鋰離子電池材料稀缺度及成本上漲的趨勢已經(jīng)讓鋰電池的發(fā)展陷入困境。

相比之下鈉元素在我們地球上的儲量極為豐富，畢竟占咱們地球上70%面積的海水中鈉鹽簡直太多了，而且工業(yè)上也非常方便提取。另外，鈉資源在地殼中的儲量也排在第六位。

從成本方面看，豐富的鈉資源以及工業(yè)上極易開發(fā)生產(chǎn)，也就意味著價格的低廉。如上所說電池級碳酸鋰價格每噸在10萬元，而鈉離子化合物價格每噸僅250元。

除了鈉材料易獲取和成本低廉外，鈉離子電池還具有鋰離子電池所沒有的優(yōu)勢：

比如在快充方面，全部采用鈉離子電池其充電時間可縮減至10-20分鐘，寧德時代的鈉離子電池在常溫下充電也僅需15分鐘，電量可達80%。鈉離子電池明顯可以緩解電動車車主用電焦慮和滿足減少充電時間方面的需求。

在放電保持率方面，鈉離子電池可在-40℃至80℃工作溫區(qū)工作，而且寧德時代此次鈉離子電池在-20℃的低溫環(huán)境下也仍然有90%以上的放電保持率，而鋰離子電池一般則是0℃可放出額定容量的90%，-20℃時可放出額定容量的70%。如此看，鈉離子電池明顯對冬季行車有更好的續(xù)航保障。這想必是寒冷地區(qū)電動車主的福音。

在安全方面，鈉離子電池在安全上遠高于鋰電池，在過充、過放、短路、針刺、擠壓等場景下也不會輕易起火。這對新能源電動汽車而言尤為重要。

所以對比鈉離子電池與鋰離子電池，其實各自都有各自的優(yōu)勢，但是又都有各自致命的“短板”，而此次寧德時代發(fā)布的新型電池其實也是鈉離子電池和鋰離子電池的“混搭”，也被稱為“AB電池系統(tǒng)解決方案”，寧德時代通過此AB方案揚長避短、發(fā)揮優(yōu)勢，有效解決了鈉離子電池能量密度低的問題。

04鈉鋰之爭的背后

盡管此次發(fā)布會之后，大家眾說紛紜，但在小編看，說是“未來電池之光”不免有些托大，但如果否認其創(chuàng)新的做法也不應(yīng)該被接受。

盡管目前鋰元素儲量還很充沛，但以目前全球“雙碳目標(biāo)”的背景下，電動化的趨勢會進一步加大鋰元素的消耗量，專家分析50年以后鋰元素就會耗光。

所以在新材料電池方面，各個國家以及相關(guān)企業(yè)都在布局，比如特斯拉的無鈷電池，日本和加拿大合作的釩電池，印度與歐洲合作的新型鋁電池等也在研究和積極推向市場。

加之我國鋰元素也極度依賴進口，發(fā)展新材料電池在目前復(fù)雜的國際環(huán)境下也十分具有戰(zhàn)略性意義，而究竟此番能否帶動電池升級，從而促進電動車及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的成本下降，也請我們大家拭目以待。

責(zé)任編輯：haq