2023鈉離子電池：風(fēng)口易起，落地仍有“坎”

時間:2023-04-09 09:33來源:鈦媒體APP 作者:韓敬嫻
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2023年以來，鈉離子電池不斷傳出產(chǎn)業(yè)化提速的消息。
 
先是2月23日，中科海鈉宣布產(chǎn)品在江淮思皓EX10花仙子上首次實現(xiàn)了裝車；緊接著，3月17日雅迪華宇發(fā)布極鈉1號鈉電池，以及鈉電池兩輪車極鈉S9。
 
更具風(fēng)向標(biāo)意義的是寧德時代和比亞迪這類頭部企業(yè)。寧德時代自2021年7月率先推出第一代鈉離子電池以后，對外表示會在2023年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，且計劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。
 
比亞迪雖然否認(rèn)了其鈉離子電池會在今年第二季度在A00級車型海鷗上裝車一事，但通過媒體報道的會議紀(jì)要顯示，鋰價只要在20萬元以上，比亞迪就會做鈉離子電池，用在續(xù)航低的車型上，作為對鋰電池的補(bǔ)充。
 
與鋰離子電池相比，鈉離子電池的商業(yè)化晚了20年左右，但碳酸鋰價格高企，不斷壓縮中下游盈利空間，尋找可替代方案迫在眉睫，鈉離子電池讓行業(yè)看到了一種近在咫尺的替代方案。
 
鈉離子電池崛起的原因
 
“去年約有500吉瓦時的鋰電池出產(chǎn)，這意味著包括整車企業(yè)和電池廠在內(nèi)的全行業(yè)，為鋰資源產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)了將近1000億元的利潤。”在4月2日舉行的中國電動汽車百人會論壇上，孚能科技董事長王瑀用“非常糟糕”形容這一情況。
 
不少分析認(rèn)為，過去一段時間鋰價的瘋長讓讓新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈上的人們感到了痛苦，不得不在動力電池技術(shù)路線上“另辟蹊徑”，鈉離子電池便是呼聲最高的那一個。
 
“2018年出現(xiàn)鈷價瘋長，把鈷去掉。2022年出現(xiàn)鋰價瘋長，我們就用鈉來沖擊市場，作為解決方案。”王瑀透露，為了徹底解決鋰資源制約動力電池行業(yè)發(fā)展的問題，孚能科技已將“去鋰化”列入了公司的議事日程，今年將是該公司鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的第一年。
 
從三元鋰電池到磷酸鐵鋰電池的更迭，動力電池產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)都繞不開上游原材料價格影響成本的問題，鈉離子電池則避開了鈷和鋰的高價。據(jù)中科海鈉測算，當(dāng)超過100GWh的大規(guī)模生產(chǎn)實現(xiàn)后， 每生產(chǎn)1GWh鈉離子電池的直接材料成本比磷酸鐵鋰電池低30%~40%。
 
當(dāng)然，圍繞鈉離子電池崛起的原因絕不僅僅只有原材料價格這一因素。
 
鈉離子電池之所以能夠不斷落地，還有一個主要原因就是：在技術(shù)的不斷升級下，鈉離子電池的性能已經(jīng)逐步接近于鋰離子電池，尤其是在安全和低溫環(huán)境下的性能表現(xiàn)。
 
由于鈉離子電池內(nèi)阻稍高，短路情況下瞬間發(fā)熱量少、溫升較低，其在過充、過放、短路、針刺、擠壓等情況下的安全系數(shù)更高。
 
另外，在低溫情況下，鈉離子電池的適應(yīng)性也更好，可以更好地解決冬季電動車續(xù)航大幅衰減的問題。
 
根據(jù)寧德時代公布的數(shù)據(jù)來看，其第一代鈉離子電池在-20℃低溫環(huán)境中，其產(chǎn)品也擁有90%以上的放電保持率；蜂巢能源科技股份有限公司技術(shù)中心副主任高飛也介紹，目前蜂巢能源研發(fā)的鈉離子電池在-20℃下，容量保持率可以達(dá)到97%。
 
2023年會是量產(chǎn)元年？
 
隨著技術(shù)的不斷成熟，鈉離子電池布局者紛紛入場，尤其是今年開年以來，不少企業(yè)開始宣布更清晰的產(chǎn)業(yè)化時間表。
 
1月12日，星恒電源于發(fā)布了第一代鈉電池“超鈉F1”，該電池未來將配套星恒電源兩輪車。
 
2月份，中科海鈉與思皓新能源打造的行業(yè)首臺鈉離子電池試驗車公開亮相。
 
3月，雅迪科技集團(tuán)旗下華宇新能源科技公司發(fā)布了華宇的第一代鈉離子電池——“極鈉1號”及其配套整車——雅迪極鈉S9。據(jù)官方介紹，極鈉S9已經(jīng)實現(xiàn)小批量生產(chǎn)，計劃今年7、8月份大規(guī)模量產(chǎn)。
 
3月14日，傳藝科技在互動平臺表示，公司鈉離子電池一期項目產(chǎn)線貫通調(diào)試已完成，配套設(shè)施已準(zhǔn)備就緒，即將進(jìn)行試生產(chǎn)。
 
此前寧德時代發(fā)布第一代鈉離子電池時，說的也是2023年量產(chǎn)。近日在接受機(jī)構(gòu)調(diào)研時，其也表示，將在今年完成鈉離子電池的量產(chǎn)，并率先應(yīng)用在A00級車上。
 
關(guān)于鈉離子電池上車的時間，孚能科技則給出了更確切的消息。2月28日，孚能科技公告，公司收到江西江鈴集團(tuán)新能源汽車“EV3鈉電池定點函”。定點函顯示，江鈴集團(tuán)將向公司采購鈉離子電池包總成，并要求公司在2023年6月30日前啟動量產(chǎn)。
 
企業(yè)們摩拳擦掌、磨刀霍霍，以致于行業(yè)內(nèi)不少人都在問：2023年會成為鈉離子電池的量產(chǎn)元年嗎？
 
雖然在安全性、低溫性能上，鈉離子電池都比鋰離子電池表現(xiàn)優(yōu)秀，但是由于鈉離子的半徑比鋰離子更大，使用石墨嵌入鈉離子的效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鋰離子，使得相同石墨材料的鈉離子電池的容量大概只有鋰離子電池的十分之一，進(jìn)而導(dǎo)致了鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低很多。
 
億緯鋰能發(fā)布的第一代大圓柱鈉離子電池產(chǎn)品，能量密度為135Wh/kg；蜂巢能源的第一代鈉離子電池原型樣件能量密度達(dá)到了110Wh/kg，第二代鈉離子電池產(chǎn)品正在開發(fā)中，預(yù)計2023年一季度完成設(shè)計定型，能量密度為135Wh/kg，2023年第四季度計劃完成160Wh/kg 的鈉離子電池開發(fā)；寧德時代則公開表示，下一代鈉電池的能量密度目標(biāo)是200Wh/kg。
 
從理論上講，三元鋰離子電池為150-350Wh/kg，磷酸鐵鋰電池則在150-210Wh/kg。因此，我們看到現(xiàn)在的鈉離子電池剛剛達(dá)到鋰離子電池的下限而已。
 
這也就導(dǎo)致，2023年鈉離子電池在兩輪電動車、特種車輛等對能量密度要求相對較低的場景應(yīng)用速度更快，而在能量密度要求相對較高的乘用車場景，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到大規(guī)模量產(chǎn)上車的程度。
 
相較于電動汽車來說，儲能市場方興未艾，也為鈉離子電池提供了更多落地空間。
 
去年6月底，國家能源局綜合司發(fā)布的《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》明確，中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池。主要是因為這兩種電池雖然具有較高的能量密度，但是實用安全性較差。
 
有分析就認(rèn)為，雖然《征求意見稿》通篇暫未提到鈉離子電池，但安全性較鋰離子電池有明顯改善的鈉離子電池，因此可能受益。
 
寧德時代等頭部企業(yè)之所以押注鈉離子電池也或許是看重了電動汽車之外的儲能戰(zhàn)場。
 
在寧德時代2022年的財報中，儲能電池系統(tǒng)貢獻(xiàn)營收449.80億元，同比增長230.16%，營收占比進(jìn)一步擴(kuò)大到13.69%。對比2017年，這一業(yè)務(wù)的營收僅為1645萬，占比0.08%。
 
三種路線難定論
 
在整個市場情緒逐漸高漲的過程中，與鋰電池的發(fā)展路線類似，基于正極材料差異化，鈉離子電池也發(fā)展出了三條技術(shù)路線：層狀氧化物、普魯士類化合物、聚陰離子化合物。
 
其中，產(chǎn)業(yè)化道路最為清晰的是層狀氧化物。它在結(jié)構(gòu)上可類比為鋰電中的三元材料，比容量相對較高，可通過摻雜其他元素解決易相變、殘堿高、易吸濕等難點，且其工藝流程與三元材料相似。
 
2023年以來，多家官宣的鈉離子電池項目選擇的就是這條路線。比如星恒電源、孚能科技、天力鋰能、昌意納電等。
部分采用層狀氧化物路線的企業(yè)動態(tài)
 
普魯士類化合物則由于制備結(jié)晶化及熱失控后產(chǎn)生有毒氣體，且容易存在比容量低、效率不高、倍率較差和循環(huán)不穩(wěn)定等問題，目前是三條路線中產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度最慢的。
 
此前，寧德時代推出的第一代鈉電池所使用的材料便是普魯士類化合物。除此之外，由于普魯士藍(lán)類似物也是一種無機(jī)顏料，選擇該技術(shù)路線的企業(yè)多為具有顏料背景的化工企業(yè)，比如像今年1月6日，美聯(lián)新材及旗下美彩新材與立方新能源、七彩化學(xué)簽訂《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，就鈉離子電池正極材料普魯士藍(lán)（白）共同展開研發(fā)、實驗，首期合作期限為10年。
 
聚陰離子化合物穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性高，且具備最長的理論循環(huán)壽命，最適宜長時儲能。眾鈉能源、多氟多、傳藝科技、鵬輝能源等公司都有在布局聚陰離子正極路線。
 
滯后的20年
 
不同技術(shù)的路線，也讓各家電池企業(yè)都有各自的打法。
 
回顧的鈉離子電池的發(fā)展史，就不得不提一下謝菲爾德這座距離倫敦170英里，因穿城而過的河流得名的城市。
 
從19世紀(jì)起，謝菲爾德便開始以鋼鐵工業(yè)聞名于世，但在上世紀(jì)七八十年代，國際競爭和英國煤炭工業(yè)的崩潰，導(dǎo)致當(dāng)?shù)毓I(yè)不斷衰落。謝菲爾德不得不尋求改變，從曾經(jīng)的工業(yè)城市向體育與科技之城轉(zhuǎn)變。
 
2010年，全球首家鈉離子電池公司Faradion就在謝菲爾德市創(chuàng)立。
 
Faradion的三位創(chuàng)始人Jerry Barker 、Chris Wright、Ashwin Kumaraswamy都是電化學(xué)領(lǐng)域的專家，他們一致認(rèn)為用于電動汽車和家用太陽能電池板儲能的大型電池之所以如此昂貴，問題在于制造它們所用的材料——特別是那些含有鋰的材料，因為鋰的稀缺性推高了價格。如果他們能夠找到一種材料，其中包含一種可比較但更便宜的材料，可以制造出與手機(jī)中使用的鋰離子電池相當(dāng)?shù)牟牧�，那么他�?ldquo;將成為贏家”。他們認(rèn)為，答案是使用鈉，因為它的化學(xué)性質(zhì)與鋰相似。
 
1976年，Whittingham研究發(fā)現(xiàn)了二硫化鈦（TiS2）能夠進(jìn)行鋰離子的嵌入和脫出，并制作了Li/TiS2電池，鈉離子在TiS2中的可逆脫嵌機(jī)制也被發(fā)現(xiàn)。
 
1980年，Armand進(jìn)一步提出了“搖椅式電池”（Rocking Chair Battery）概念。意思就是，電池像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子或者鈉離子就像運動員一樣在搖椅來回奔跑。
 
鈉離子電池主要通過Na+在電池正負(fù)極之間來回的脫出和嵌入來實現(xiàn)充放電過程。在充電時，Na+從正極材料脫出，經(jīng)過電解液和隔膜嵌入到負(fù)極材料，此時，外電路中電子從負(fù)極流向正極。鈉電池放電過程與充電過程相反。鋰電池則是通過Li+在電池正負(fù)極之間來回的脫出和嵌入來實現(xiàn)上述過程。
 
原理相似，提出的時間也在同一時期，但鈉離子電池和鋰離子電池后續(xù)的發(fā)展卻天差地別。
 
雖然20世紀(jì)80年代，Delmas和Goodenough相繼發(fā)現(xiàn)了層狀氧化物材料 NaMeO2可作為鈉離子電池正極材料。1988年，F(xiàn)ouletier也研究了軟碳和石墨的儲鈉性能，開啟了鈉離子電池碳類負(fù)極材料研究。但受當(dāng)時研究條件的限制，以及研究者對鋰離子電池的濃厚興趣，尤其在1990年索尼實現(xiàn)了鋰離子電池技術(shù)的商業(yè)化，使鋰離子電池技術(shù)得到迅速發(fā)展，同時期的鈉離子電池的研究卻處于緩慢和停滯狀態(tài)，這一慢就慢了20多年。
 
好在Faradion成立后，鈉離子電池公司不斷涌現(xiàn)，鈉離子電池示范產(chǎn)品逐漸進(jìn)入大眾視野。
 
2015年，法國RS2E機(jī)構(gòu)研究員主導(dǎo)開發(fā)了世界上首顆18650鈉離子電池，該電芯能量密度達(dá)到90Wh/kg，循環(huán)壽命超過2000次，性能優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池。
 
2015年5 月Faradion也在位于牛津郡的 Williams Advanced Engineering 總部使用電動自行車展示了鈉離子電池。
 
在國內(nèi)，2017年鈉離子電池公司中科海鈉成立，同年國內(nèi)實現(xiàn)了首輛鈉離子電動自行車示范。2019年國內(nèi)首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范。2021年6月28日，中科海鈉推出了全球首套1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)。
 
同一年的7月，寧德時代開了一場時長僅有10分鐘的鈉離子電池發(fā)布會，對旗下鈉離子電池的研發(fā)進(jìn)展做了介紹，當(dāng)日股價便上漲了6.05%。
 
可以說，用武之地慢慢明確，應(yīng)用場景及發(fā)展路徑愈加清晰，擋在鈉離子電池前面20多年的薄霧似乎正在慢慢散去。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鈉離子電池
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