寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群(資料圖片)
眾所周知,多年來(lái)車(chē)用動(dòng)力電池材料采用的是稀有且相對(duì)昂貴的鋰,拖慢了全球電動(dòng)汽車(chē)快速普及的步伐。無(wú)論是電池廠商,還是汽車(chē)廠商都一直在尋求電池技術(shù)的突破。鈉離子電池或許是一個(gè)可行方案。
鈉電池為何物?
鈉離子技術(shù)不需要稀缺資源,制作陰極無(wú)需稀有的鋰鹽,只要普通鹽便足夠。高性能陽(yáng)極可以使用褐煤、木材和其他生物質(zhì)制成。在生產(chǎn)過(guò)程中也不需要鈷或類似的稀有金屬。
鋰和鈉這兩種金屬有非常相似的化學(xué)特性。與較為稀有的鋰相比,鈉具有原材料豐富、容易獲得、安全性高、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),鈉離子電池工藝技術(shù)等也與鋰離子電池相近,可以借鑒使用。因此,鈉離子電池被視為極具潛力的下一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。
但鈉也有兩個(gè)缺點(diǎn),一是重量比鋰高三倍,所以盡管鋰電池的鋰含量占電池總重不到5%,一個(gè)鈉離子的電池仍會(huì)比鋰電池更重。二是鈉電池的性能較弱,由于鈉離子的載電量比鋰電池少0.3伏,不可避免地會(huì)損失約10%的能量密度。國(guó)外有研究結(jié)果顯示,若以石墨烯電極替代石墨陽(yáng)極安裝在鈉離子電池中,或許能實(shí)現(xiàn)更高的儲(chǔ)存容量,這為開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉的鈉電池提供了突破口。 鈉離子電池的研究起始于上世紀(jì)70年代,但與鋰電池相比進(jìn)展相對(duì)緩慢,2010年前后學(xué)術(shù)界開(kāi)始重視鈉離子電池的研發(fā),2015年第一代鈉離子電池開(kāi)始邁入商業(yè)化進(jìn)程。
近年來(lái),鈉離子電池研發(fā)取得積極進(jìn)展,科學(xué)出版物的一些報(bào)告顯示,韓國(guó)研發(fā)的鈉離子電池在經(jīng)過(guò)約500次完整充放電循環(huán)后,電池容量?jī)H下降至原來(lái)的80%。由一個(gè)美中研究小組開(kāi)發(fā)的另一種鈉電池,在相同的電池容量下約能完成450次充放電。而一個(gè)中國(guó)制作的鈉離子電池雖然容量較小,但在經(jīng)過(guò)1200次12分鐘快充后,還有70%的電池容量。
作為未來(lái)的電池趨勢(shì)之一,令人欣喜的是,鈉離子電池已不再是一個(gè)理論概念,相關(guān)技術(shù)的突破似乎已近在眼前。國(guó)外研究結(jié)果表明,目前已經(jīng)有切實(shí)可行、價(jià)格合理且節(jié)省資源的替代品可以取代昂貴的鋰電池,甚至可能通過(guò)多層結(jié)構(gòu)提高其性能。但距離鈉離子電池技術(shù)的完備、大批量生產(chǎn)并用于電動(dòng)車(chē)上,肯定還需要一段時(shí)間。
對(duì)于鈉離子電池的成本問(wèn)題,曾毓群表示,由于是新興的電池技術(shù),鈉離子電池不是剛推出來(lái)就很便宜,因?yàn)槟壳暗墓?yīng)鏈規(guī)模很小,不夠成熟,鈉離子電池可能比鋰離子電池貴一些。
鈉取代鋰?
今年1月,在第七屆百人會(huì)論壇上,中國(guó)工程院院士陳立泉提出,除了固態(tài)電池,現(xiàn)在還應(yīng)該關(guān)注鈉離子電池的發(fā)展。
陳立泉認(rèn)為,目前的鋰離子電池,石墨負(fù)極,磷酸鐵鋰、三元或者鈷酸鋰做正極,電解質(zhì)是可燃的液體電解質(zhì),容易引起安全憂慮。另外,能量密度到達(dá)300瓦時(shí)/公斤,已經(jīng)到了液態(tài)鋰離子電池的極限。
因此,陳立泉建議新一代電池要發(fā)展鈉離子電池,“鈉離子電池跟鋰離子電池工藝、技術(shù)各方面都差不多,負(fù)極也是碳,我們現(xiàn)在是用無(wú)煙煤,正極可以不含貴重金屬,鈷、鎳都不含,可以只含銅、鐵和錳這些比較便宜的元素。目前鈉離子電池能量密度可以到150瓦時(shí)/公斤,做得好可以到200瓦時(shí)/公斤。另外,能源互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能源的低碳化,要發(fā)展能源互聯(lián)網(wǎng)一定需要儲(chǔ)能,儲(chǔ)能現(xiàn)在一個(gè)是鋰離子電池、一個(gè)是鈉離子電池,這就是新一代電池的重要性。”
中國(guó)工程院院士陳立泉(資料圖片)
陳立泉團(tuán)隊(duì)的研究顯示,6安時(shí)軟包裝鈉離子電池的能量密度達(dá)到了145瓦時(shí)/公斤,已經(jīng)相當(dāng)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%,快充性能比鋰離子電池還好。1C充/1C放的循環(huán)性大于6000次,3C充/3C放可以到3000次,循環(huán)性還是相當(dāng)不錯(cuò)的。同時(shí),這款6安時(shí)鈉離子電池的高低溫性能表現(xiàn)也較好。
對(duì)于鈉離子電池能否取代鋰離子電池?國(guó)泰君安證券的報(bào)告指出,中國(guó)70%的鋰資源需要進(jìn)口,因此發(fā)展鈉離子電池是對(duì)三元高鎳技術(shù)的有益補(bǔ)充,鈉離子電池能對(duì)鋰電池供應(yīng)形成支撐和保障作用。
東北證券則認(rèn)為,鈉電池對(duì)鋰電池的替代性實(shí)際上很微弱??紤]到鈉儲(chǔ)量比鋰豐富,應(yīng)當(dāng)重視鈉電池作為技術(shù)儲(chǔ)備、保障能源安全的戰(zhàn)略意義,但不應(yīng)過(guò)分高估其商業(yè)價(jià)值。
華安證券也認(rèn)為,鈉離子電池與鋰離子電池相比的原材料優(yōu)勢(shì)主要在于將鋰鹽換成鈉鹽,且銅箔換成鋁箔;但鈉離子電池的低能量密度及循環(huán)性能對(duì)應(yīng)更多的輔材消耗以及更高的度電成本。除去規(guī)模化因素之外,鈉離子電池的降本之路仍然面臨重重阻礙。
華金證券認(rèn)為,鈉離子電池技術(shù)是鋰離子電池的有效補(bǔ)充,但考慮到其理論能量密度低于三元鋰電池,該短板或?qū)?dǎo)致鈉離子電池永遠(yuǎn)無(wú)法在高端車(chē)型上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。鈉離子電池有望在儲(chǔ)能市場(chǎng)和低端動(dòng)力電池市場(chǎng)對(duì)鋰離子電池實(shí)現(xiàn)部分替代。
氯化鈉炒不起來(lái)
國(guó)際能源署(IEA)預(yù)估,全球電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)將以每年36%的復(fù)合成長(zhǎng)率持續(xù)增加,2030年累計(jì)達(dá)到2.45億輛的規(guī)模。德勤也預(yù)估,電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量將在2030年達(dá)到3100萬(wàn)輛,占整體汽車(chē)銷(xiāo)售的32%。
這股席卷全球的電動(dòng)車(chē)?yán)顺背蔀榱穗姵貥I(yè)者爭(zhēng)奪的戰(zhàn)場(chǎng),全球電池需求量預(yù)計(jì)將從不到200 GWh,在10年內(nèi)飆漲至3000 GWh以上。
電動(dòng)車(chē)狂潮不止,電池用量激增,推升原材料價(jià)格大漲。碳酸鋰價(jià)格從2020年3.9萬(wàn)元/噸低點(diǎn)增長(zhǎng)至2021年5月8.6萬(wàn)元/噸,讓鋰電池生產(chǎn)與企業(yè)成本大增。
研究機(jī)構(gòu)CRU指出,2020年以來(lái)鋰出現(xiàn)了供給短缺的情況,為多年來(lái)首見(jiàn)。CRU預(yù)測(cè),2021年全球鋰需求量約為45萬(wàn)公噸,較供給量高出約1萬(wàn)公噸。
倫敦金屬交易所(LME)鎳期貨價(jià)格走勢(shì)
國(guó)際能源署(IEA)也發(fā)出警告,全球主要國(guó)家都提出了減排目標(biāo),若要達(dá)成這些目標(biāo),鎳、鈷、鋰、銅、稀土等關(guān)鍵原材料的需求將會(huì)大大增加,然而新礦場(chǎng)投資不足,令價(jià)格飛漲。其中,制造電池所需的金屬原材料需求增幅將最為劇烈。如果全球要達(dá)成巴黎協(xié)定目標(biāo),鋰需求將飆升40倍。
曾毓群表示:“鈷被炒起來(lái)了,大家就去搞無(wú)鈷;鎳被炒高了,大家就都不要鎳,但鋰還在……如果誰(shuí)在我們這兒拼命亂漲價(jià),我們會(huì)把他們排除在外。”
鋰電行業(yè)已經(jīng)迎來(lái)TWh時(shí)代,保證高效高質(zhì)量交付的關(guān)鍵條件是原材料的穩(wěn)定合規(guī)供應(yīng),對(duì)于寧德時(shí)代來(lái)說(shuō),資源控制力將是重中之重,材料體系創(chuàng)新也非常重要。
曾毓群去年曾表示,“磷酸鐵鋰、三元材料是基礎(chǔ),在1TWh時(shí)代,估計(jì)就是這兩種材料,但是1TWh之后可能有一些新的東西,希望避開(kāi)很多貴金屬,走出一條性價(jià)比更高的路子來(lái)應(yīng)對(duì)后面的1.5TWh、2TWh、3TWh,從原子尺度上,深入地理解材料內(nèi)稟性質(zhì)及其界面性質(zhì),幫助材料體系實(shí)現(xiàn)根本創(chuàng)新。”
寧德時(shí)代即將發(fā)布的鈉離子電池產(chǎn)品,有望成為鋰電池以外的重要技術(shù)補(bǔ)充,若未來(lái)鋰資源出現(xiàn)供應(yīng)緊張局面,可作為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。然而,短期來(lái)看,鈉離子電池還難以替代鋰離子電池。
原標(biāo)題:電池技術(shù)新突破,寧德時(shí)代瞄準(zhǔn)鈉電池