鋰的替代者

數碼產品暫時無緣

很遺憾，鈉離子電池在未來的很長一段時間里，可能都與數碼產品絕緣。原因很簡單，鈉離子電池當前的主攻方向是“動力電池”，屬于電動車電池產業鏈的組成部分（圖1）。

當然，理論上鈉離子電池也能用做筆記本和手機的能源，只是這種方式（就現在來看）并不經濟，因為這種新型電池的單位能量密度小于鋰離子電池，這意味著像火柴盒大小的電池板（圖2），鋰電池可能有5000mAh，換成鈉電池也許就只有3500mAh了。數碼產品本來就在為如何延長續航而發愁，換裝鈉電池后將面臨續航驟降的風險。

雖然鈉電池的能量密度偏低，但它依舊受到了市場和資本的認可，并在電動車市場醞釀著一場風暴。接下來，咱們就來簡單聊聊這種新型電池的特性。

動力電池的分類

除了鈉電池以外，動力電池還包含鉛酸電池和鋰電池，而鋰電池還能被進一步細分成磷酸鐵鋰和三元鋰兩大分支。

鉛酸電池

鉛酸電池（VRLA）誕生于1859年，它是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，充電到2.4V。在實際應用中，鉛酸電池組通常是由多個單格電池串聯而成，比如3格電池串聯成6V、6格電池串聯為12V（圖3），此外還有24V、36V、4 8V 等規格，曾被廣泛應用在交通、通信、電力、軍事等領域。

鉛酸電池的優勢是成本（相對）低廉，安全性較高。在現實生活中我們看到的那些爆炸、燃燒的電動車，多是因鋰電池引起的，因鉛酸電池引起的安全事故相對要少了很多。

但是，鉛酸電池電極的主要材料鉛存在毒性，生產時的廢棄物也會造成環境污染，能量存儲密度很低，循環壽命普遍只有300次，想實現和鋰電池相同的電量需要更大的體積和重量（圖4）。此外，這種電池普遍缺乏BMS電池管理系統，很難做到充滿后充電器自動斷電，而且一旦其中一格電池出現問題會影響到整個電池組的使用。

因此，鉛酸電池顯然無法用于智能手機、筆記本電腦、高性能電動汽車這類對能量存儲密度和循環壽命要求更高的設備，目前兩輪/三輪電動車和汽車內置的電瓶是鉛酸電池的主要客戶。隨著人們環保意識的覺醒，這種電池也許很快就要全面退出主流消費級市場了。

鋰離子電池

關注電腦愛好者的朋友對鋰電池應該非常熟悉，這種電池主要由正極材料、電解質（液）、隔離膜和負極材料（以石墨為主）構成，其工作原理就是鋰離子Li+反復在電池正極和負極之間移動（圖5）。在充電時，鋰離子Li+從正極游離到負極，嵌入負極碳結構內的Li+越多，電池存儲的電量也就越多;在放電時，鋰離子Li+則會擺脫負極碳結構的束縛，重新從負極游離回正極。

在體積不變的情況下，如何提升鋰電池的容量？最簡單的解決方案就是改變正極材料，此外還有優化電池內部結構，比如減少隔膜的厚度（圖6）。但是，隔膜扮演著鋰電池體內的“防爆墻”的角色——在鋰電池的充放電過程中，正極與負極是絕對不能接觸的，否則就會出現短路，造成電池異常發熱。好一點的情況是導致電池鼓包，而差一點的情況，就是燃燒甚至爆炸。因此，優化電池內部結構的風險很大，最穩妥的方案還是從正負極材料著手。

目前鋰電池的正極材料主要以“磷酸鐵鋰”（Li Fe P O 4）和“三元”為主，它們的負極、電解液及隔膜等相似，并因此衍生出了磷酸鐵鋰電池和三元電池兩大分支。其中，三元電池還能被進一步細分為NCA鎳鈷鋁三元電池和NCM鎳鈷錳三元電池。三元常見的表達方式還會在N CM后加一串數字，例如NCM523、NCM811等，代表了鎳鈷錳在材料中的大概比例。

簡單來說，三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰，但成本更高，而且熱穩定性能較差，在極端條件下（如穿刺、變形）更容易爆燃，二者互有優劣。目前，智能手機等數碼產品內置的電池多以磷酸鐵鋰為主，三元電池則偶爾出現在充電寶內置的電芯中。在電動汽車領域，比亞迪刀片電池就是磷酸鐵鋰的代表（圖7），此類電池普遍可以實現400km左右的續航，而三元電池則可帶來500km以上的續航。

總之，鉛酸電池的優勢是安全成本低，但較小的能量密度使其難以搶占高端戰場。鋰電池各方面指標都比較優秀，但鋰元素的主要產能都集中在南美，三元電池中涉及的鎳和鈷等元素也多集中在澳大利亞、新喀里多尼亞、巴西和剛果（金）等地，存在隨時被“卡脖子”的風險。

面向未來的鈉離子電池

從元素周期表來看，鋰和鈉都是最左邊一列的元素，這意味著它們的化學性質相近，都能在電池的正極和負極之間移動（圖8）。只是，鋰是3號元素，也是最輕的金屬元素，作為11號元素的鈉則重了不少，從微觀來看就是鈉的體積要比鋰大得多，因此如果將鈉作為電池的正極材料，相同的尺寸和重量下其能量密度先天就要差一些（見表）。

鈉離子電池的特性

實際上，以鈉離子作為電荷載體的電池早在上世紀70年代就被提出，只是其體積和能量密度僅為鋰離子電池的50%左右，導致之后3 0年都處于研發停滯的狀態。由于鋰元素的相對稀缺性，其成本波動很大，鋰價格在今年的漲幅曾一度超過80%，考慮到日后供應鏈安全的問題，尋找新的替代元素勢在必行。于是，鈉離子電池便再次浮出了水面。

從理論層面看，用鈉替代鋰的優勢多多。首先，鈉元素在地球上的儲量非常豐富，地殼當中含量達到2.75%，無論陸地還是海洋儲量都非常豐富（圖9）。其次，鈉離子不與鋁箔發生合金化反應，因此可以替換鋰電池使用的銅箔，從而大大降低制造成本，還能實現0V運輸，降低電池運輸的安全風險。最重要的一點是，鈉離子電池安全性能好，在針刺、擠壓、過充、過放等安全項目測試中做到不起火不爆炸。在高低溫測試時，其容量保持率都很不錯，不會像磷酸鐵鋰電池一樣在冬天“失能”。

鈉離子電池的首秀

寧德時代發布的第一代鈉離子電池就參數而言已經超過了我們的預期，其電芯單體能量密度已經達到了160Wh/kg，常溫下充電15分鐘就可以達到80%，在零下20°C低溫的環境下也有90%以上的放電保持率，優異的熱穩定性在極端條件下也能確保安全（圖10）。作為對比，亞迪唐EV刀片電池的電池包能量密度已經可以做到160Wh/kg，可以說鈉離子電池已然達到了磷酸鐵鋰電池的水準，但與三元電池相比依舊存在不小的差距（圖11）。

寧德時代曾表示，旗下第二代鈉電池的單體能量密度將達到20 0Wh/kg，已經達到了三元電池的蓄能下限。在國家政策層面也在推動鈉離子電池標準建立，并逐漸實現鈉離子電池的規模化和低成本化，提升綜合性能。作為新生事物，我們可以將目前的鈉離子電池理解為2013年～2014年期間的鋰電池，正處在爆發的前夜，未來可期。

總之，鈉離子電池短期內的著力點，是在儲能領域替代鋰電，在低速車（兩輪/三輪電動車）方面有望完全替代鉛酸，快遞小哥不用頻繁換電池了。電動汽車領域有望替代部分磷酸鐵鋰電池，降低成本并提升安全性。不過，在智能手機和筆記本電腦等數碼產品領域，鈉離子電池暫時還是指望不上的，但隨著產業鏈規模和技術的迭代，也許會在未來的某一天，出現內置鈉離子電池的手機也說不定（圖12）。