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固态电池还远,宁德时代瞄准钠离子电池

【EV视界报道】“我们的技术在发展,钠电池已经成熟了。”宁德时代董事长曾毓群在2020年度股东大会上放出了一枚信号弹,7月前后,宁德时代的钠离子电池即将问世。

宁德时代董事长曾毓群(资料图片)

众所周知,多年来车用动力电池材料采用的是稀有且相对昂贵的锂,拖慢了全球电动汽车快速普及的步伐。无论是电池厂商,还是汽车厂商都一直在寻求电池技术的突破。钠离子电池或许是一个可行方案。

钠电池为何物?

钠离子技术不需要稀缺资源,制作阴极无需稀有的锂盐,只要普通盐便足够。高性能阳极可以使用褐煤、木材和其他生物质制成。在生产过程中也不需要钴或类似的稀有金属。

锂和钠这两种金属有非常相似的化学特性。与较为稀有的锂相比,钠具有原材料丰富、容易获得、安全性高、价格低廉等优势,钠离子电池工艺技术等也与锂离子电池相近,可以借鉴使用。因此,钠离子电池被视为极具潜力的下一代电化学储能技术。

但钠也有两个缺点,一是重量比锂高三倍,所以尽管锂电池的锂含量占电池总重不到5%,一个钠离子的电池仍会比锂电池更重。二是钠电池的性能较弱,由于钠离子的载电量比锂电池少0.3伏,不可避免地会损失约10%的能量密度。国外有研究结果显示,若以石墨烯电极替代石墨阳极安装在钠离子电池中,或许能实现更高的储存容量,这为开发价格低廉的钠电池提供了突破口。

钠离子电池的研究起始于上世纪70年代,但与锂电池相比进展相对缓慢,2010年前后学术界开始重视钠离子电池的研发,2015年第一代钠离子电池开始迈入商业化进程。

近年来,钠离子电池研发取得积极进展,科学出版物的一些报告显示,韩国研发的钠离子电池在经过约500次完整充放电循环后,电池容量仅下降至原来的80%。由一个美中研究小组开发的另一种钠电池,在相同的电池容量下约能完成450次充放电。而一个中国制作的钠离子电池虽然容量较小,但在经过1200次12分钟快充后,还有70%的电池容量。

作为未来的电池趋势之一,令人欣喜的是,钠离子电池已不再是一个理论概念,相关技术的突破似乎已近在眼前。国外研究结果表明,目前已经有切实可行、价格合理且节省资源的替代品可以取代昂贵的锂电池,甚至可能通过多层结构提高其性能。但距离钠离子电池技术的完备、大批量生产并用于电动车上,肯定还需要一段时间。

对于钠离子电池的成本问题,曾毓群表示,由于是新兴的电池技术,钠离子电池不是刚推出来就很便宜,因为目前的供应链规模很小,不够成熟,钠离子电池可能比锂离子电池贵一些。

钠取代锂?

今年1月,在第七届百人会论坛上,中国工程院院士陈立泉提出,除了固态电池,现在还应该关注钠离子电池的发展。

陈立泉认为,目前的锂离子电池,石墨负极,磷酸铁锂、三元或者钴酸锂做正极,电解质是可燃的液体电解质,容易引起安全忧虑。另外,能量密度到达300瓦时/公斤,已经到了液态锂离子电池的极限。

因此,陈立泉建议新一代电池要发展钠离子电池,“钠离子电池跟锂离子电池工艺、技术各方面都差不多,负极也是碳,我们现在是用无烟煤,正极可以不含贵重金属,钴、镍都不含,可以只含铜、铁和锰这些比较便宜的元素。目前钠离子电池能量密度可以到150瓦时/公斤,做得好可以到200瓦时/公斤。另外,能源互联网可以实现能源的低碳化,要发展能源互联网一定需要储能,储能现在一个是锂离子电池、一个是钠离子电池,这就是新一代电池的重要性。”

中国工程院院士陈立泉(资料图片)

从成本角度,陈立泉以锂电池中最便宜的磷酸铁锂电池做了对比,磷酸铁锂每瓦时的原材料成本是3毛4,钠离子电池的原材料成本每瓦时是2毛6,比较便宜。“2021年碳酸锂的价格还在上涨,1月是54000元/吨,比去年上涨了12000元/吨,有的公司甚至报63000元/吨,估计以后碳酸锂的价格还会涨,这是一定要发展钠离子电池很重要的原因。”

陈立泉团队的研究显示,6安时软包装钠离子电池的能量密度达到了145瓦时/公斤,已经相当高。5C充/5C放是1C充/1C放容量的90%,10C充/10放容量是1C充/1C放的70%,快充性能比锂离子电池还好。1C充/1C放的循环性大于6000次,3C充/3C放可以到3000次,循环性还是相当不错的。同时,这款6安时钠离子电池的高低温性能表现也较好。  

对于钠离子电池能否取代锂离子电池?国泰君安证券的报告指出,中国70%的锂资源需要进口,因此发展钠离子电池是对三元高镍技术的有益补充,钠离子电池能对锂电池供应形成支撑和保障作用。

东北证券则认为,钠电池对锂电池的替代性实际上很微弱。考虑到钠储量比锂丰富,应当重视钠电池作为技术储备、保障能源安全的战略意义,但不应过分高估其商业价值。

华安证券也认为,钠离子电池与锂离子电池相比的原材料优势主要在于将锂盐换成钠盐,且铜箔换成铝箔;但钠离子电池的低能量密度及循环性能对应更多的辅材消耗以及更高的度电成本。除去规模化因素之外,钠离子电池的降本之路仍然面临重重阻碍。

华金证券认为,钠离子电池技术是锂离子电池的有效补充,但考虑到其理论能量密度低于三元锂电池,该短板或将导致钠离子电池永远无法在高端车型上实现大规模的应用。钠离子电池有望在储能市场和低端动力电池市场对锂离子电池实现部分替代。

氯化钠炒不起来

国际能源署(IEA)预估,全球电动车市场将以每年36%的复合成长率持续增加,2030年累计达到2.45亿辆的规模。德勤也预估,电动车销量将在2030年达到3100万辆,占整体汽车销售的32%。

这股席卷全球的电动车浪潮成为了电池业者争夺的战场,全球电池需求量预计将从不到200 GWh,在10年内飙涨至3000 GWh以上。

电动车狂潮不止,电池用量激增,推升原材料价格大涨。碳酸锂价格从2020年3.9万元/吨低点增长至2021年5月8.6万元/吨,让锂电池生产与企业成本大增。

研究机构CRU指出,2020年以来锂出现了供给短缺的情况,为多年来首见。CRU预测,2021年全球锂需求量约为45万公吨,较供给量高出约1万公吨。

伦敦金属交易所(LME)镍期货价格走势

国际能源署(IEA)也发出警告,全球主要国家都提出了减排目标,若要达成这些目标,镍、钴、锂、铜、稀土等关键原材料的需求将会大大增加,然而新矿场投资不足,令价格飞涨。其中,制造电池所需的金属原材料需求增幅将最为剧烈。如果全球要达成巴黎协定目标,锂需求将飙升40倍。

曾毓群表示:“钴被炒起来了,大家就去搞无钴;镍被炒高了,大家就都不要镍,但锂还在……如果谁在我们这儿拼命乱涨价,我们会把他们排除在外。”

锂电行业已经迎来TWh时代,保证高效高质量交付的关键条件是原材料的稳定合规供应,对于宁德时代来说,资源控制力将是重中之重,材料体系创新也非常重要。

曾毓群去年曾表示,“磷酸铁锂、三元材料是基础,在1TWh时代,估计就是这两种材料,但是1TWh之后可能有一些新的东西,希望避开很多贵金属,走出一条性价比更高的路子来应对后面的1.5TWh、2TWh、3TWh,从原子尺度上,深入地理解材料内禀性质及其界面性质,帮助材料体系实现根本创新。”  

宁德时代即将发布的钠离子电池产品,有望成为锂电池以外的重要技术补充,若未来锂资源出现供应紧张局面,可作为实现大规模应用。然而,短期来看,钠离子电池还难以替代锂离子电池。

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杨晓红编辑
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