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    纳离子电池:风口易起,落地仍有“坎”

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    勤奋达人

      先是2月23日,中科海钠宣布产品在江淮思皓EX10花仙子上首次实现了装车;紧接着,3月17日雅迪华宇发布极钠1号钠电池,以及钠电池两轮车极钠S9。

      更具风向标意义的是宁德时代和比亚迪这类头部企业。宁德时代自2021年7月率先推出第一代钠离子电池以后,对外表示会在2023年内实现产业化,且计划2023年形成基本产业链。

      比亚迪虽然否认了其钠离子电池会在今年第二季度在A00级车型海鸥上装车一事,但通过媒体报道的会议纪要显示,锂价只要在20万元以上,比亚迪就会做钠离子电池,用在续航低的车型上,作为对锂电池的补充。

      与锂离子电池相比,钠离子电池的商业化晚了20年左右,但碳酸锂价格高企,不断压缩中下游盈利空间,寻找可替代方案迫在眉睫,钠离子电池让行业看到了一种近在咫尺的替代方案。

      钠离子电池崛起的原因

      “去年约有500吉瓦时的锂电池出产,这意味着包括整车企业和电池厂在内的全行业,为锂资源产业贡献了将近1000亿元的利润。”在4月2日举行的中国电动汽车百人会论坛上,孚能科技董事长王瑀用“非常糟糕”形容这一情况。

      不少分析认为,过去一段时间锂价的疯长让让新能源汽车产业链上的人们感到了痛苦,不得不在动力电池技术路线上“另辟蹊径”,钠离子电池便是呼声最高的那一个。

      “2018年出现钴价疯长,把钴去掉。2022年出现锂价疯长,我们就用钠来冲击市场,作为解决方案。”王瑀透露,为了彻底解决锂资源制约动力电池行业发展的问题,孚能科技已将“去锂化”列入了公司的议事日程,今年将是该公司钠离子电池产业化的第一年。

      从三元锂电池到磷酸铁锂电池的更迭,动力电池产业链上的企业都绕不开上游原材料价格影响成本的问题,钠离子电池则避开了钴和锂的高价。据中科海钠测算,当超过100GWh的大规模生产实现后, 每生产1GWh钠离子电池的直接材料成本比磷酸铁锂电池低30%~40%。

    纳离子电池:风口易起,落地仍有“坎”

      当然,围绕钠离子电池崛起的原因绝不仅仅只有原材料价格这一因素。

      钠离子电池之所以能够不断落地,还有一个主要原因就是:在技术的不断升级下,钠离子电池的性能已经逐步接近于锂离子电池,尤其是在安全和低温环境下的性能表现。

      由于钠离子电池内阻稍高,短路情况下瞬间发热量少、温升较低,其在过充、过放、短路、针刺、挤压等情况下的安全系数更高。

      另外,在低温情况下,钠离子电池的适应性也更好,可以更好地解决冬季电动车续航大幅衰减的问题。

      根据宁德时代公布的数据来看,其第一代钠离子电池在-20℃低温环境中,其产品也拥有90%以上的放电保持率;蜂巢能源科技股份有限公司技术中心副主任高飞也介绍,目前蜂巢能源研发的钠离子电池在-20℃下,容量保持率可以达到97%。

      2023年会是量产元年?

      随着技术的不断成熟,钠离子电池布局者纷纷入场,尤其是今年开年以来,不少企业开始宣布更清晰的产业化时间表。

      1月12日,星恒电源于发布了第一代钠电池“超钠F1”,该电池未来将配套星恒电源两轮车。

      2月份,中科海钠与思皓新能源打造的行业首台钠离子电池试验车公开亮相。

      3月,雅迪科技集团旗下华宇新能源科技公司发布了华宇的第一代钠离子电池——“极钠1号”及其配套整车——雅迪极钠S9。据官方介绍,极钠S9已经实现小批量生产,计划今年7、8月份大规模量产。

      3月14日,传艺科技在互动平台表示,公司钠离子电池一期项目产线贯通调试已完成,配套设施已准备就绪,即将进行试生产。

      此前宁德时代发布第一代钠离子电池时,说的也是2023年量产。近日在接受机构调研时,其也表示,将在今年完成钠离子电池的量产,并率先应用在A00级车上。

      关于钠离子电池上车的时间,孚能科技则给出了更确切的消息。2月28日,孚能科技公告,公司收到江西江铃集团新能源汽车“EV3钠电池定点函”。定点函显示,江铃集团将向公司采购钠离子电池包总成,并要求公司在2023年6月30日前启动量产。

      企业们摩拳擦掌、磨刀霍霍,以致于行业内不少人都在问:2023年会成为钠离子电池的量产元年吗?

      虽然在安全性、低温性能上,钠离子电池都比锂离子电池表现优秀,但是由于钠离子的半径比锂离子更大,使用石墨嵌入钠离子的效果远远不如锂离子,使得相同石墨材料的钠离子电池的容量大概只有锂离子电池的十分之一,进而导致了钠离子电池的能量密度比锂离子电池低很多。

      亿纬锂能发布的第一代大圆柱钠离子电池产品,能量密度为135Wh/kg;蜂巢能源的第一代钠离子电池原型样件能量密度达到了110Wh/kg,第二代钠离子电池产品正在开发中,预计2023年一季度完成设计定型,能量密度为135Wh/kg,2023年第四季度计划完成160Wh/kg 的钠离子电池开发;宁德时代则公开表示,下一代钠电池的能量密度目标是200Wh/kg。

      从理论上讲,三元锂离子电池为150-350Wh/kg,磷酸铁锂电池则在150-210Wh/kg。因此,我们看到现在的钠离子电池刚刚达到锂离子电池的下限而已。

      这也就导致,2023年钠离子电池在两轮电动车、特种车辆等对能量密度要求相对较低的场景应用速度更快,而在能量密度要求相对较高的乘用车场景,还远远没有达到大规模量产上车的程度。

      相较于电动汽车来说,储能市场方兴未艾,也为钠离子电池提供了更多落地空间。

      去年6月底,国家能源局综合司发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求(2022年版)(征求意见稿)》明确,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池。主要是因为这两种电池虽然具有较高的能量密度,但是实用安全性较差。

      有分析就认为,虽然《征求意见稿》通篇暂未提到钠离子电池,但安全性较锂离子电池有明显改善的钠离子电池,因此可能受益。

      宁德时代等头部企业之所以押注钠离子电池也或许是看重了电动汽车之外的储能战场。

      在宁德时代2022年的财报中,储能电池系统贡献营收449.80亿元,同比增长230.16%,营收占比进一步扩大到13.69%。对比2017年,这一业务的营收仅为1645万,占比0.08%。

      三种路线难定论

      在整个市场情绪逐渐高涨的过程中,与锂电池的发展路线类似,基于正极材料差异化,钠离子电池也发展出了三条技术路线:层状氧化物、普鲁士类化合物、聚阴离子化合物。

      其中,产业化道路最为清晰的是层状氧化物。它在结构上可类比为锂电中的三元材料,比容量相对较高,可通过掺杂其他元素解决易相变、残碱高、易吸湿等难点,且其工艺流程与三元材料相似。

      2023年以来,多家官宣的钠离子电池项目选择的就是这条路线。比如星恒电源、孚能科技、天力锂能、昌意纳电等。

      部分企业

      部分采用层状氧化物路线的企业动态

      普鲁士类化合物则由于制备结晶化及热失控后产生有毒气体,且容易存在比容量低、效率不高、倍率较差和循环不稳定等问题,目前是三条路线中产业化进度最慢的。

      此前,宁德时代推出的第一代钠电池所使用的材料便是普鲁士类化合物。除此之外,由于普鲁士蓝类似物也是一种无机颜料,选择该技术路线的企业多为具有颜料背景的化工企业,比如像今年1月6日,美联新材及旗下美彩新材与立方新能源、七彩化学签订《战略合作协议》,就钠离子电池正极材料普鲁士蓝(白)共同展开研发、实验,首期合作期限为10年。

      聚阴离子化合物稳定性和电化学稳定性高,且具备最长的理论循环寿命,最适宜长时储能。众钠能源、多氟多、传艺科技、鹏辉能源等公司都有在布局聚阴离子正极路线。

      滞后的20年

      不同技术的路线,也让各家电池企业都有各自的打法。

      回顾的钠离子电池的发展史,就不得不提一下谢菲尔德这座距离伦敦170英里,因穿城而过的河流得名的城市。

      从19世纪起,谢菲尔德便开始以钢铁工业闻名于世,但在上世纪七八十年代,国际竞争和英国煤炭工业的崩溃,导致当地工业不断衰落。谢菲尔德不得不寻求改变,从曾经的工业城市向体育与科技之城转变。

      2010年,全球首家钠离子电池公司Faradion就在谢菲尔德市创立。

      Faradion的三位创始人Jerry Barker 、Chris Wright、Ashwin Kumaraswamy都是电化学领域的专家,他们一致认为用于电动汽车和家用太阳能电池板储能的大型电池之所以如此昂贵,问题在于制造它们所用的材料——特别是那些含有锂的材料,因为锂的稀缺性推高了价格。如果他们能够找到一种材料,其中包含一种可比较但更便宜的材料,可以制造出与手机中使用的锂离子电池相当的材料,那么他们“将成为赢家”。他们认为,答案是使用钠,因为它的化学性质与锂相似。

      1976年,Whittingham研究发现了二硫化钛(TiS2)能够进行锂离子的嵌入和脱出,并制作了Li/TiS2电池,钠离子在TiS2中的可逆脱嵌机制也被发现。

      1980年,Armand进一步提出了“摇椅式电池”(Rocking Chair Battery)概念。意思就是,电池像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子或者钠离子就像运动员一样在摇椅来回奔跑。

      钠离子电池主要通过Na+在电池正负极之间来回的脱出和嵌入来实现充放电过程。在充电时,Na+从正极材料脱出,经过电解液和隔膜嵌入到负极材料,此时,外电路中电子从负极流向正极。钠电池放电过程与充电过程相反。锂电池则是通过Li+在电池正负极之间来回的脱出和嵌入来实现上述过程。

      原理相似,提出的时间也在同一时期,但钠离子电池和锂离子电池后续的发展却天差地别。

      虽然20世纪80年代,Delmas和Goodenough相继发现了层状氧化物材料 NaMeO2可作为钠离子电池正极材料。1988年,Fouletier也研究了软碳和石墨的储钠性能,开启了钠离子电池碳类负极材料研究。但受当时研究条件的限制,以及研究者对锂离子电池的浓厚兴趣,尤其在1990年索尼实现了锂离子电池技术的商业化,使锂离子电池技术得到迅速发展,同时期的钠离子电池的研究却处于缓慢和停滞状态,这一慢就慢了20多年。

      好在Faradion成立后,钠离子电池公司不断涌现,钠离子电池示范产品逐渐进入大众视野。

      2015年,法国RS2E机构研究员主导开发了世界上首颗18650钠离子电池,该电芯能量密度达到90Wh/kg,循环寿命超过2000次,性能优于传统铅酸蓄电池。

      2015年5 月Faradion也在位于牛津郡的 Williams Advanced Engineering 总部使用电动自行车展示了钠离子电池。

      在国内,2017年钠离子电池公司中科海钠成立,同年国内实现了首辆钠离子电动自行车示范。2019年国内首座100kWh钠离子电池储能电站示范。2021年6月28日,中科海钠推出了全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统。

      同一年的7月,宁德时代开了一场时长仅有10分钟的钠离子电池发布会,对旗下钠离子电池的研发进展做了介绍,当日股价便上涨了6.05%。

      可以说,用武之地慢慢明确,应用场景及发展路径愈加清晰,挡在钠离子电池前面20多年的薄雾似乎正在慢慢散去。

      (本文首发钛媒体App, 作者|韩敬娴,编辑|张敏)

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