CATL公布钠离子电池,新能源的未来在"钠"里？

近日，电池一哥宁德时代已经不局限于锂离子电池了，而是要向全新的钠离子电池领域进军！

讲到电动车，人们第一时间肯定会想到动力电池，它作为电动车的心脏，成本接近整车的百分之四十，因此如果要扩大电动汽车的使用规模、降低电动车制造成本，研究如何降低动力电池成本理论上是可行的。

说到降低电池成本，大家第一时间肯定会想到锂离子电池。不过除了与锂离子电池斗争到底外，电动车产业其实还存在着第二条路可走——那就是改用钠离子电池。

所谓钠离子电池，正极一般由钠离子层状氧化物等构成，负极则为硬碳，替代锂电使用的石墨，电解液为钠离子化合物，它跟锂离子电池一样都是二次电池，即可以循环充电的充电电池。二者起步发展时间相近，只是钠离子电池与锂离子电池相比起来发展时遇到的瓶颈更多，因此长年名声不显。

不过钠离子电池始终有着自己独家优势，因为科学家并没有放弃它，反而专心钻研近年来取得了不少突破，被不少知名厂商纳入眼底甚至推出相关产品。比如说数月前国内电动电池龙头企业宁德时代就宣布要在七月左右发布钠离子电池，彻底引爆了业内关于钠离子电池是否能在动力电池界占据一席之地的讨论。

既然两者都可用作动力电池，就注定会被相提并论。那到底钠离子电池具备什么优势，它有没有机会取代部分锂离子电池呢？接下来就来一起看看它的优势与缺点。

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。钠离子电池与锂离子电池均起源于上世纪七八十年代，但命运却截然不同。

锂离子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。

与锂电池一样，钠离子电池也有多条技术路线。

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。阳极材料用硬碳，能提高钠电池的可逆比容量和循环寿命。

钠离子电池的优势

首先是安全性，钠离子电池的热失控温度比锂离子电池更高，与水直接发生接触产生化学反应的时间也相当缓慢。并且有研究人士表示，钠离子电池虽然和锂离子电池一样不能过充，但是却可以过放，在长期保存中更加安全。

其次是成本，这也是钠离子电池最重要的优势。钠离子电池正极材料的原料钠资源在地壳中的储量极其丰富，地壳丰度是锂的1000倍以上，而且遍布全球，不像锂资源75%都集中在了美洲，因此成本上会大大降低，而且价格十分稳定。此外，由于钠离子不会与铝形成合金，因此钠离子电池的负极可以用金属铝箔作为集流体，成本比锂离子电池的铜箔更低。不过钠离子因为半径较大，所以负极材料要嵌入离子就比较困难一些，所以负极材料的成本会比锂离子电池贵一些。

不过总体来说，如果储存相同的能量，钠离子电池成本会比锂离子电池少30%~40%（如下图）。除此之外由于电池结构相似，现有的大部分锂离子电池生产设备可直接投入到钠离子电池生产中，在成本控制方面更进一步。

钠离子电池的缺点

首先是能量密度，钠离子的离子半径大于锂离子，导致钠离子无法嵌入石墨材料，需采用硬碳或其他负极材料，能量密度低于石墨材料。而且主流的钠离子电池正极材料的理论能量密度不及三元锂，实际能量密度较磷酸铁锂低。

其次是充放电效率，更大的尺寸使钠离子很难嵌入发生化学反应所在的电极晶体结构中，导致钠离子的移动速率就比较慢，影响钠离子电池充、放电速率。

最后是寿命，由于钠离子嵌出电极的晶体结构也较难，导致电池可逆性差，多次充放电后的能量密度下降速度快。目前钠离子电池的充放电次数大约为1000+次，而锂离子电池足足达3000+次，所以它还有很大的改进空间。

总的来说，钠离子电池虽有缺点，但综合性能依旧显示出多重优势，业界应该努力进一步提升钠离子电池的能量密度，使钠离子电池向着低成本、长寿命、高比能和高安全的方向迈进。

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，中国锂资源紧张，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，且进口矿石主要都来自澳大利亚。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，比锂离子电池低30%~40%。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离子电池体系具有优势。

钠离子电池的应用与未来发展

钠离子电池的能量密度大概介于铅酸电池和锂离子电池之间，约100~150Wh/kg，远高于铅酸电池（30~50Wh/kg），但比锂离子电池低不少（150~250Wh/kg）。所以钠离子电池要取代铅酸电池是绰绰有余的，但是要取代锂离子电池还有难度。未来应用场景或主要集中于储能（风力电站、太阳电站、家庭储能等）、低速新能源车（物流车、农具车等）及小动力领域，而锂离子电池仍是新能源汽车电池主流技术路线。

目前多个先进国家或是国际知名厂商均积极投入钠离子电池研发，如美国PNNL、SNL国家实验室、日本产业技术综合研究所、日本丰田汽车等。2009年后美国已成立两间以钠离子电池产品为主的新创公司，其产品目的主要为开发目标为成本售价达到美国能源部对于储能电池的终极目标并实现大型量产化生产，以结合再生能源使用，利于扩大再生能源的普及率。

日本东北大学与美俄合作，在2014年发表钠离子电池的固态电解质有新进展的研究，能使钠离子电池降低操作温度至110℃左右；2015年日本东京大学的研究团队发现钛和碳所构成的层状化合物，可脱嵌大量的钠离子，对于快速充电和稳定性都有很大的突破；在2014年IEEESpectrum有石墨烯复合材料提供钠离子电池关键性的补救方法。

总而言之，若能突破操作温度和改良电极添加物以增进电极的脱嵌能力，钠离子电池无疑是极具商用价值的未来电池。但在国内，钠离子电池产业链的完善、产品系列的丰富、性能的成熟、标准的制定、市场的认可等方面仍然有很长的路要走，按照常规的节奏需要5-10年时间。目前，宁德时代的加入以及双碳目标的制订，可以大大加速这个过程，3年以后产业或将成熟。放大灯，粉体圈