鈉電池：“取代”鋰電池為時尚早

畢競悅

近期，工信部在對《關于在我國大力發展鈉離子電池的提案》答復函中表示，鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池是推動新能源產業發展的“壓艙石”，工信部將加快布局，推動鈉離子電池的發展。

電池行業專家普遍認為，鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補充，尤其是在固定式儲能領域具有良好的發展前景。技術路線選擇決定著高科技公司的前途命運，對于鈉離子電池，需要理性地分析其利弊。

鈉電池是“新風口”嗎

7月29日，寧德時代新能源科技有限公司（下稱“寧德時代”）召開線上發布會，正式推出鈉離子電池。作為該公司開發的第一代鈉離子電池，電芯單提能量密度達到了160Wh/kg。為了彌補鈉離子電池現階段的能量密度短板，寧德時代還發布了鋰鈉混搭電池包，兼具鈉離子電池的熱穩定性、長壽命和鋰離子電池的高能量密度、快沖性能。

目前，國內外有近二十家企業布局鈉離子電池產業化生產。國外企業主要包括英國Faradion公司、美國Natron Energy公司、日本岸田化學、松下、三菱等，國內的鈉創新能源企業包括中科海鈉、寧德時代。

相比于鋰離子電池，鈉離子電池這一相對小眾的電池技術路線很少進入公眾視野。實際上，鈉離子電池并不是一項新技術，關于其研究可以追溯到上世紀70年代。鋰離子電池先行成功商業化后，使得科研力量開始向鈉離子電池集中。由于具有資源豐富、價格低廉、環境友好等優點，2010年以來，鈉離子電池受到國內外學術界和產業界的廣泛關注，迎來發展轉折點。

2020年，美國能源部公布了對電池研究計劃的布局，著力開展對動力電池和儲能電池的基礎研究與先進制造，同時明確了將鈉離子電池作為儲能電池的發展體系。歐盟儲能計劃“電池2030”項目公布了未來重點發展的電池體系，將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。歐盟“地平線2020研究和創新計劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應用耐久電池的核心組件”列為重點發展項目。目前，鈉離子電池已逐步從實驗室走向實用化階段。

英國Faradion是較早開展鈉離子電池技術開發及產業化工作的公司，現已研制出10A.h軟包電池樣品，能量密度達到140（W.h）/kg，在80%放電深度下的循環壽命預測可超過1000次；美國Aquion Energy公司是全球第一家批量生產水系鈉離子電池的公司，該公司的電池成本低廉，不足鋰離子電池使用成本的1/3，可以實現持續5000次以上的充放電循環，并且效率在85%以上。水系鈉離子電池擁有安全可靠、成本低、資源豐富、運維簡單、環境友好等顯著優勢，有望成為新一代電化學儲能的重要技術。

歐盟Naiades項目開發出了基于氟磷酸釩鈉-硬碳體系的1A.h鈉離子電池原型，能量密度為90（W.h）/kg，1C倍率下的循環壽命達到4000次；美國Natron Energy公司采用普魯士藍材料開發了高倍率水系鈉離子電池，2C倍率下的循環壽命達到10000次。但是，普魯士藍材料作為正極材料，壓實密度較低，生產制作工藝也較為復雜，其體積能量密度僅為50（W.h）/L。

中國鈉離子電池技術研究，一直處于世界前列。中國首家鈉離子電池公司中科海鈉成立于2017年，其背后是中科院物理研究所研究團隊。中科海鈉的鈉離子電池產品，首先應用在低速電動車、電動自行車和5G基站。2019年，由中科院物理研究所和中科海鈉公司研發團隊共同完成的世界首座100KWh鈉離子電池儲能電站在江蘇溧陽誕生，標志著我國在世界率先實現了鈉離子電池儲能電站示范運行。6月28日，中科海鈉推出的全球首個1MWh鈉離子電池儲能系統在山西太原正式投運。

盡管部分國家相關研究早有布局，不過，鈉離子電池目前仍處在產業化初期，其相關專利在全世界還非常少。由于缺乏規模效應，其成本優勢目前并不明顯。寧德時代預計，2023年將形成基本產業鏈。

鈉電池是“優秀替代品”

鈉離子電池最大優點在于鈉資源的豐富。全球鋰資源儲量有限，70%的鋰資源分布在南美洲，隨著電動汽車和新能源產業飛速發展，鋰資源重要性不斷上升，其供應問題成為業界最大擔憂，許多國家已將鋰列為關鍵原材料或戰略性礦產資源。

就中國而言，盡管鋰資源儲量排在世界前列，但現實是，中國的鋰資源品質和開發條件較差，開發難度大、成本高，導致中國鋰資源供應80%依賴進口。目前，中國是全球鋰資源第一進口國。與鋰元素相比，地殼中鈉資源儲量豐富，且在全球范圍內分布廣泛，供應短缺風險要小得多。

成本方面，由于資源豐富，每千克鈉僅2元左右，而每千克鋰高達150元左右，目前仍在瘋狂漲價，鋰價預測將超過歷史前高18萬元/噸。采用鈉離子作正極材料的電池，成本較鋰離子電池低30%至40%，成本優勢顯而易見。同時，相比鋰離子電池，鈉離子電池生產工序簡單，容易實現低成本制備。

鈉離子電池還具有耐寒特性，低溫性能優異，在零下20攝氏度的溫度下也能保持較高容量。鋰離子電池在這方面就表現一般，例如，一些電動汽車在極其寒冷的天氣下，續航里程可能大幅縮水。中國的新能源配儲需求最高的地區正是冬季氣溫相對更加寒冷的三北地區，鈉離子電池正好可以發揮作用。

在便攜式設備中，電池安全隱患會給用戶帶來較大不便和潛在危險。電網規模方面，電池安全隱患將會造成更為嚴重的生命損傷和高昂的財產損失，電池起火和爆炸的安全事故將更具災難性。一些關于鈉離子電池的報告表明，由于其電極材料具有優異的熱穩定性，比鋰離子電池更為安全。

“鈉鋰混搭”是未來常態

當前的動力電池市場，主要有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種技術方向。鈉離子電池會不會顛覆動力電池行業這種格局呢？

其實，動力電池在使用方面一直面臨兩大難題：一是續航問題，鈉離子電池電芯單體能量密度最高可達到160Wh/kg，但相較于三元鋰電池約300Wh/kg，能量密度仍有很大欠缺。所以，鈉離子電池只能配備在低端車型上；二是質量和體積問題，鈉離子質量和半徑較大，使得鈉離子電池在這方面也不如鋰離子電池。

筆者認為，盡管鈉離子電池獲得了極大關注度，但從其基本特性來看，很難撼動鋰離子電池在動力電池領域的主導地位。長期來看，鈉離子電池產業化難改鋰離子電池剛需。

近年來，為應對全球氣候變化，可再生能源發電系統激增，但由于可再生能源具有隨機性、間歇性特點，若將可再生能源所產生的電能全部直接接入電網，會對電網產生很大沖擊。因此，高效便捷的電網儲能裝備成為必需品。

二次電池是能夠部署在家庭、城市和電網端的大規模能源存儲裝置，現有的二次電池技術以鋰離子電池和鉛酸電池為主導。盡管鋰離子電池在電動汽車和便攜式電子設備等傳統市場上表現出色，但由于其存在成本高、安全性低和使用壽命不足問題，在大規模電網存儲中部署仍然面臨阻力。因此，發展低成本、高性能以及安全性好的替代方案成為電網儲能的迫切需要。發展鈉離子電池可以減少或避免鋰、鈷和鎳等昂貴元素的使用，降低儲能成本。因而鈉離子電池在電網儲能領域具有相當競爭力，是鋰離子電池的“優秀替代品”，有望成為二次電池技術的新貴。

鈉離子電池中，鈉硫電池仍以日本特殊陶業公司為龍頭，由于安全性能因素，參與研發生產的企業較少；水系鈉離子電池以高安全性占據一席之地，越來越多的企業關注于此，并投入研發；固態鈉離子電池仍處于研發階段，還未實現規模化生產。隨著全球大規模儲能產業飛速發展，伴隨眾多電化學儲能技術的涌現，作為鋰離子電池技術的重要補充，鈉離子電池將憑借其獨特優勢在儲能領域開拓出廣闊的用武之地。預計2025年，國內鈉離子電池市場空間可超500億元。

盡管擁有較大發展前景，將鈉離子電池應用于電網儲能仍需克服一些障礙，其中包括電解質的穩定性、電極和電解質界面的穩定性、安全性以及廢棄電池的可回收性等幾個問題。在碳達峰、碳中和的大背景下，新能源需求激增，鈉離子電池、鋰離子電池以及其他技術路線多元共存可能是未來常態。鈉離子電池是否能夠成為新能源的未來，產業界將會作出明智的選擇。

（責編 王茜 美編 劉曉瑩）