鈉離子電池與鋰離子電池競爭分析

全球能源轉型需要大規模部署應用于電動汽車和需大的電池年，動有進入市場的新儲能系統都與鋰離子電池相關，這在很大程度上得益于鋰離子電池過去30年商業化進程中大幅下降的生產成本一1991年，鋰離子電池首次實現商業化，現在的生產成本相比當時已經下降超過 97% 。然而，近年來，快速上漲的鋰離子電池原材料需求也給相關礦物（具體來說就是鋰、鎳、石墨和鈷）供應鏈造成了極大負擔。結果就是，鋰離子電池價格平均指數在2022年首次上漲—但隨后便因為礦產價格暴跌再度下挫。于是，部分人士開始擔憂過度依賴鋰離子電池的現狀，以及生產瓶頸、供應鏈沖擊和地緣政治約束的風險。

鈉離子電池有望在短期內就成為鋰離子電池的可靠替代品，原因主要有二：一是已探明的鈉的相關礦物儲量和可開采量近年來不斷上升，這意味著原材料價格降低；二是生產制造鈉離子電池與鋰離子電池的基礎設備完全兼容，這意味著鈉離子電池能以很快的速度實現規模化生產。因此，為應對新冠疫情之后鋰離子電池原材料價格大幅飆升的現實，相關電池制造商最近宣布，他們計劃在2030年之前新增至少240吉瓦時的鈉離子電池產能，并且有望讓鈉離子電池的成本小于鋰離子電池。然而，鈉離子電池究竟是否能夠擁有相比鋰離子電池的價格優勢，能夠在何時以及多大程度上實現這種優勢，目前基本還停留在猜測層面。

20世紀30年代，航空工程師西奧多·萊特（TheodoreWright）提出萊特定律：當飛機產量翻倍時，飛機生產成本以特定速度下降。自那之后，基于萊特定律的學習曲線就被廣泛應用于預測技術進步和產品價格。標準學習曲線預測，價格下降是累積產量的函數（“干中學”）。從統計結果上看，標準學習曲線能夠準確預測包括能源技術在內的眾多領域的價格變化。考慮到鋰離子電池在產業端的重要性，已然有一些研究試圖用傳統形式的萊特定律描述這類電池的價格走勢。與此同時，還有一些研究則在標準學習曲線中添加了諸如“研中學”“規模經濟”等特征因素，以理解鋰離子電池的歷史發展趨勢。然而，傳統學習曲線不切實際地假設鋰離子電池的成本會無限降低直至最后趨近于零，忽略了原材料價格設定的限制。于是，另有一些研究方案試圖引入原材料價格下限以進一步約束學習曲線，從而讓其預測結果更貼近實際。值得注意的是，我們不能先入為主地假定所有額外引入的價格下限或參量都有效。舉例來說，歷史已經證明，以專家意見為基礎的價格下限不符合現實，而額外的參量則會因為過度擬合而降低模型預測結果的準確性。

在這項研究中，我們提出的方法將各種電池材料組件的學習曲線（受成本價格限制）同技術開發路線圖（也能體現足以更好預測未來價格趨勢的學習行為）結合起來，從而在模型的簡潔性和準確性之間取得平衡。模型、方法建立后，我們就會預測在各種技術、市場和供應鏈環境中鋰離子電池和鈉離子電池的價格發展趨勢，從而確定能夠提升鈉離子電池技術經濟競爭力的策略。

將學習曲線同技術路線圖結合在一起

我們根據兩方面的信息構建了歷史價格曲線和未來價格曲線：一是材料組件價格（每千克或每平方米材料多少美元），通過“干中學”的方式演化，形成基于累積經驗的函數；二是“材料強度”（每生產可以儲能1千瓦時的電池需要多少千克原材料），隨時間的推移變化，動因是不斷進步的電池工程技術和相關原材料技術。我們對這兩類因素都設定了實際應用場景中的下限：對于材料組件價格用的是相關礦物價格下限，對于材料強度用的是工程技術設置的下限。因此，我們的研究方法其實算是結合了修正版的萊特定律和修正版的摩爾定律。我們為電池中的各種材料組件都構建了單獨的學習曲線，并且根據其基準關鍵礦物的元素構成設定了價格下限，這樣的價格下限當然隨時間而動態變化。于是，每種材料組件成本都由兩方面因素構成：一是波動的價格材料下限，代表從一系列歷史價格和未來預測價格中得出的各種潛在礦物價格下限的加權總和；二是與歷史市場份額和預測市場份額成比例的學習曲線，代表非礦物投入成本的下降。非礦物投入包括與資本設備相關的費用、運營成本、生產廢料處理費用、化學轉化效率導致的浪費以及其他各個方面的花費。整條學習曲線總體呈下降趨勢，與技術改進（包括處理方式創新、優化，規模經濟等因素）的預期相符。相比之下，市場驅動的波動預計會出現在原材料價格的下限部分。這種方法類似以往文獻中將燃煤發電成本分解為燃料商品的“波動”價格下限以及由于技術進步而降低的發電廠建設成本。不過，我們在這項研究中并沒有將材料組件學習曲線進一步分解為上述確定的技術因素，預計會在未來的研究中把重點放在這些因素上。

只要有了每種材料組件受下限價格約束的學習曲線，接著就能根據它們的質量或面積強度求和。為了呈現材料強度穩定隨時間推移而下降的特性（到目前為止，這是鋰離子電池價格不斷下降的主要原因），我們以自下而上的方式模擬電池設計，既能代表過去已經生產出來的商業產品，也能體現當前最先進的設計，還能兼顧材料性能提升和電池技術進步的未來發展。我們從各種電池設計之間的材料強度（都歸結到每個具體的時間點）差異出發，通過擬合各條曲線（漸近極限由理論或實際工程學極限定義）構建路線圖。這種方法類似以往文獻中基于硅耗量和硅片尺寸等可觀測技術因素分析太陽能光伏設備價格下降的做法。不過，在這項研究中，我們以自下而上的建模為基礎，通過擬合各種材料組件的強度曲線提高分辨率，并且不再將制造成本進一步分解為其他技術因素。眾所周知，電池的成本主要由其原材料決定。我們正是基于這一事實證明了研究方法的有效性，并且力求具體探究材料技術和電池設計的提升會如何影響電池價格走勢。因此，我們模擬得到的間接制造成本變化趨勢囊括了因原材料加工收率提升和規模經濟而促成的成本下降。至于具體的材料清單和制造成本，我們借助了美國阿貢國家實驗室設計開發的基于電池性能與成本過程的模型BatPaC。由于BatPaC模型針對的是最先進電池的制造模擬，我們只使用其中有關當前電池設計、制造的間接成本部分，然后再通過歷史制造成本數據擬合各種材料的學習曲線，以預測未來發展趨勢。

我們的模型取決于從產業數據貢獻者那里獲取的數據，來源相當廣泛，盡可能地保證了準確性和相關性。具體來說，這些數據源包括：“基準礦物情報”“伍德麥肯錫”“彭博新能源財經”“阿維森能源”“標普全球”以及其他商業報告。另外，為了獲取有關實際價格指數、最先進電池設計以及生產成本方面的數據，我們還特地咨詢了產業專家小組，以驗證上述數據的準確性和相關性。

以鋰離子電池為基礎建立基準線

我們建立鋰離子電池基準線的過程主要分為兩步：一是建立受底線價格限制的各種材料組件學習曲線；二是建立符合實際情況的技術發展路線圖。我們把2023年定義為現在。2023年之前的年份則設定為歷史的、靜態的，相關信息用于參數擬合。2023年之后的年份則是對未來的預測，基礎是對未來礦產價格和市場增長的預期。

只要確定了特征學習率，就可以通過對市場增長和礦產價格的未來判斷預測鋰離子電池價格，當然前提是學習率不變。值得一提的是，這兩者之間其實存在內稟性關聯，但我們視其為互相獨立的。另外，我們還意識到曲線預測的時間跨度要長于用來擬合學習率常數的歷史數據的時間跨度，但就模擬未來情況的自的來說，這已經足夠提供一階近似。我們根據多個市場數據源提供的情報預測了鋰離子電池市場的增長。其中，“市場以鋰離子電池為主導”這個場景默認，到2050年之前，鈉離子電池的市場份額沒有達到能叫板鋰離子電池的程度，且磷酸鐵鋰（LFP）電池的市場滲透率達到至少 50% 。接著，我們就可以按質量將其轉換為對鎳鈷錳酸鋰（NMC）型電池的需求。由于預測關鍵礦物未來價格走勢這項任務本身就很有挑戰性，我們還分別對鎳和鋰建立了固定價格的高/中／低預測場景模型，以測試模型的靈敏度。然后，我們又能計算出材料組件的價格下限。為了確保歷史材料價格時間序列和預測價格時間序列之間保持連續，我們給這兩者都施加了限制：都讓其收斂于當前（2023年）的價格。而2023年的數據是從各個相關產業的數據源那兒獲取并匯總得到的，具有相當高的可靠性。最后的結果是形成了對材料組件價格的預測，并且能夠對礦物價格的動態波動和市場滲透的動態變化做出反應。

我們把上述這一整套流程應用在了鋰離子電池要用到的所有原材料組件上，其中包括陰極材料的各種化學成分。雖然就自前的情況而言，鋰離子電池的陰極材料有NMC和LFP兩種，但在后文中我們將重點討論LFP，因為就性能和成本而言，普遍認為LFP電池才是鈉離子電池的主要競爭對手。我們應用前文介紹的方法得到了LFP電池材料的預測價格。

為了建立鋰離子技術路線圖，我們開發了代表過去與現在的NMC電池和LFP電池的模型。當前的電池設計建模基于近年來在文獻中發表的對最先進商用電池的拆解分析。過去的電池設計建模當然也基于以往文獻中對先進商用電池的拆解分析，但同時還囊括了這些商用電池發布時記錄了其工程學過程的相關產業報告。這樣一來，我們就能擬合出與技術發展路線圖相對應的材料強度發展趨勢。需要特別注意的是，我們沒有建模下一代鋰離子技術發展路線圖（磷酸錳鐵鋰陰極、硅陽極等技術），而這些新技術其實可以大幅降低材料強度。因此，我們的分析給出的其實是對鋰離子價格下降預期的保守結果。

最后，我們結合材料組件價格預測結果和材料強度技術發展路線圖，以LFP電池為對象構建了完整的鋰離子價格曲線。我們的結論是，在鋰價格略低于每噸22000美元（高位）的前提下，LFP電池在2030年的預測價格為每千瓦時51美元。另外，如果鋰的價格處于每噸10500美元（低位），那么LFP電池在2030年的預測價格將低至每千瓦時45美元。

解析技術學習的源頭

詳細考察各材料組件的擬合學習率之后，我們發現學習率似乎與處理復雜性相關，這可能與生產過程中所需的控制參數數量相關（更清晰地定義技術學習率并且將其同復雜性關聯起來是未來研究的鋰離子電池價格大幅下降的趨勢其實是兩大方面因素作用的共同結果：一是生產實踐帶來的材料成本降低；二是重大工程技術的進步和經驗的積累。

主題）。復雜性更高的過程（比如陰極合成和電池組裝）往往具有更高的技術學習率，而復雜性更低的過程（比如生產金屬箔和陽極）的技術學習率則往往較低。然而，與以往文獻中的鋰離子技術學習率相比，我們發現，我們研究中的各個材料組件的技術學習率均低于電池歷史價格呈現的總體平均降幅（ 21.1±3.7% ）。這表明，肯定還存在另一個關鍵因素與鋰離子電池價格整體下降相關。這可以用過去幾十年中鋰離子電池設計方面的技術進步解釋，比如現在生產一千瓦時電池的材料強度已經大大低于以往。具體而言，電池從功率優化向能量優化轉變，從而使得材料的利用率提高。另外，材料比容量的持續提升也是促成這種現象的原因之一。

因此，鋰離子電池價格大幅下降的趨勢其實是兩大方面因素作用的共同結果：一是生產實踐帶來的材料成本降低；二是重大工程技術的進步和經驗的積累。

預測鈉離子電池發展技術路線圖

同鋰離子電池一樣，鈉離子電池也是一個涵蓋了多種電池技術的總稱，通常按電池陰極材料類別進行分類，包括：過渡金屬層狀氧化物電池、聚陰離子電池和普魯士藍類似物電池。近年來的商業化努力表明兩種類型的鈉離子電池具備極強的發展潛力：一是通式為 （ x 約等于1，M可以是鎳、鐵、錳、銅）的層狀氧化物型，其中 $＼mathrm{NaNi_{＼scriptscriptstyleX}M n}_{＼scriptscriptstyle y}（＼mathrm{M}）_{＼scriptscriptstyle1-＼scriptscriptstyle X-＼scriptscriptstyle y}＼mathrm{O}_{2}$ （NaNM）最為常見；二是不含釩的混合聚陰離子材料，化學式為 （NFPP）。幾乎所有的鈉離子電池陽極材料用的都是無序硬碳（HCs），而不是鋰離子電池中使用的結晶石墨，這是因為鈉的存儲容量較低。當然，無序硬碳也并非完全沒有替代方案，新興技術方向包括：一是金屬錫（ Sn ）與鈉形成合金；二是“無陽極”方案，直接在電流收集器上沉積并剝離金屬鈉。我們在研究中以NaNM為參考，專門對 建模，其中，M包含鎂和鈦的摻雜劑，且目前正處于商業化階段。由于非鎳過渡金屬對礦物成本和氧化還原活性的貢獻可以忽略不計，我們的NaNM模型在功能上也可以表征諸如 （NFM111）之類的成分。由于鎳的價格近年來不斷走高，產業界對于使用鐵、錳等儲量豐富的元素代替鎳產生了濃厚的興趣。考慮到這一點，我們還對 （NaFM）等材料做了建模。不過，由于這些材料仍然存在無法解決的性能難題，我們還構建了技術路線圖。按照這張技術發展路線圖，鎳在鈉離子電池中的含量在2040年左右會逐漸減少到0一類似多年以來NMC型鋰離子電池陰極材料中鈷含量逐步降低。值得一提的是，這張技術發展路線圖與保持靜態 33% 鎳化學計量比的技術發展路線圖是分開建模的。

模型中涉及的三大關鍵細分市場分別是固定式儲能系統、兩輪/三輪及其他微型交通工具，以及電動汽車。具體來說，我們假想了三種鈉離子市場增長場景，市場滲透率依次遞增，最保守的是到2040年在固定式儲能系統中鈉離子電池市場滲透率達 100% ，而最激進的則是到2035年鈉離子電池在固定式儲能系統中市場滲透率達 100% ，到2040年在兩輪/三輪及其他微型交通工具中市場滲透率達100% ，并且到2040年在電動汽車中市場滲透率達25% 。需要注意的是，其中最保守的市場滲透率預測場景與產業數據貢獻者提供的預測結果最為接近。

考慮到在技術經濟上捕捉工程進展的重要性，我們為各種設計方案的鈉離子電池都建立了不過，我們同樣相信，在鋰離子電池原材料供應鏈出現波動的情況下，鈉離子電池絕對是一種可行的替代方案，能夠代替鋰離子電池在全球能源轉型中發揮重要作用。

技術發展路線圖，比如NaNM|HC、NaFM|HC、NFPP|HC、NaNM|Sn、NaFM|Sn、NFPP|Sn、NaNM|無陽極和NaFM無陽極。所有這些路線圖都假定從2024年最前沿的設計方案開始逐步提升，到2030年實現符合未來需求的技術進步，從而提高電池能量密度并降低價格。

在此，有必要強調我們所做的關鍵假設，主要有以下幾點。第一，我們假設生產制造未來鈉離子電池的基礎設備與現在生產制造鋰離子電池的完全兼容、即插即用，也即無需新的生產制造經驗就能立即做到高產量生產。第二，我們假設市場滲透率與技術定價完全脫鉤，也即在建模時忽略標準需求曲線中原本存在的內生性。第三，技術學習率可以順暢地從鋰離子電池技術遷移到鈉離子電池技術，并且，這兩種堿金屬電池的陰極、陽極和其他組件都能以相同速率實現技術進步。在此之前，我們就已經發現了這樣的現象：具有相似工藝復雜程度的材料在生產制造上具有相似的學習率。這個事實支持了上述第三點假設，但我們在后續的場景分析中也評估了更激進的學習率。我們注意到，有了前兩個假設，便可以從一開始就以最佳情況模擬鈉離子電池的技術經濟競爭力。另外，我們沒有將下一代鋰離子電池技術發展路線圖（比如磷酸錳鐵鋰陰極、硅陽極等技術）納入考量，以進一步評估鈉離子電池的最佳狀況。最后，我們要強調，在這項研究中，我們只是在電池層面評估鈉離子電池的相關技術，以存儲單位能量的價格（每千瓦時美元）作為主要衡量標準。因此，這項研究并沒有涉及系統層面的考量（比如因為安全性增強或熱管理需求降低而可能節省的電池組集成成本），也沒有涉及因性能提升而產生的各類經濟因素（比如因為使用壽命延長而可能降低的平均儲能價格）。

建模各類場景以找出鈉離子電池具備競爭力的條件

我們采用上述方法評估了6048種鈉離子電池應用場景組合，所有場景都假設從2024年開始將實現鈉離子電池的吉瓦時級別規模生產。我們計算并比較了每種應用場景中的鈉離子電池（以NaFMHC2型電池為例）。我們還進一步將“價格持平”條件定義為鈉離子電池價格低于LFP電池的概率大于等于 20% ，當這個概率大于等于 80% 時，則將其定義為“價格優勢”。結果顯示：在不出現石墨供應鏈沖擊的情況下，鈉離子電池在2035年能實現與鋰離子電池價格持平，在2047年能獲得價格優勢；如果在2027年前出現石墨供應鏈沖擊，那么鈉離子電池的價格持平時間將提前至2032年，獲得價格優勢時間則提前至2038年。

離子電池趕超鋰離子電池的時間點實在過于困難，很難成為研究的關鍵目標，因為存在各種與市場力量相關的不確定因素，比如礦產價格、需求增長和地緣政治沖突等。

因此，我們的一大關鍵成果在于揭示在何種情況下能夠最大化鈉離子電池的技術經濟競爭力。當供應鏈狀況對鋰離子電池（特別是LFP電池）不利時一比如鋰的價格居高不下，石墨供應鏈遭受沖擊，或兩種因素疊加一鈉離子電池的競爭力會全面上升。相比之下，當供應鏈狀況對鈉離子電池（特別是含鎳的鈉離子電池）不利時，其市場競爭力則會遭受嚴重打擊。同時，追求最大程度提高能量密度的技術發展路線圖對于加快兌現鈉離子電池的市場競爭力至關重要。需要注意的是，全部6048種應用場景中的很大一部分（2522種）在2050年之前不會擁有鈉離子電池具備價格優勢的條件。不過，重要的是，這并不意味著鈉離子電池不具備競爭力。另外，在所有應用場景中，超過 40% 能在2030年或之前達成鈉離子電池同鋰離子電池的價格持平條件，且平均“持平期”為 5.6±3.6 年。考慮到鈉離子電池是鋰離子電池具備競爭力的可行替代方案，且兩者價格發展趨勢相似（前提是在性能上也達到了同樣水平），鋰離子原材料供應鏈的任何意外情況都可能使鈉離子立刻成為價格上更具優勢的選擇。

討論

需要強調的是，雖然我們的方法能夠計算出鈉離子電池獲得價格優勢的時間線，但這種方法的主要價值是理解各種市場場景對兩類電池技術相互競爭的發展路線圖可行性的影響，而非具體預測出兩者發生競爭優勢交匯的年份。實際上，精確預測鈉

舉例來說，假如鋰的價格在2027年之前持續上漲并保持高位（碳酸鋰當量大約每噸5萬美元），那么超過 55% 的鈉離子技術發展路線圖會在2035年之前取得相對LFP電池的價格優勢條件。相反，如果鋰礦的價格保持在低位（碳酸鋰當量大約每噸1萬美元），只要石墨供應鏈沒有出現中斷，幾乎不會有任何應用場景能讓鈉離子電池發展出價格優勢。作為參考，在本文撰寫時（2024年），鋰的現貨價格平均為每噸 1 萬美元至1.5萬美元，這是2023年下半年電動汽車銷量下滑導致電池原材料供應過剩的結果。因此，鋰的價格能否持續處于低位這個問題影響深遠，尤其是對鈉離子電池的商業競爭力而言。

鈉離子電池實現成本優勢最快、最可靠的方法是通過提高材料和電池層面的能量密度來降低材料用量，技術層面最為重要的驅動因素是提高截止電壓上限、陰極和陽極的比容量以及電極厚度。提高截止電壓上限無疑是極為重要的技術進步。然而，由于材料限制、氣體釋放或系統集成時電力電子設備方面的難題，截止電壓上限不能持續提高。因此，提高電極比容量就成了一項重要策略。在含有鎳成分的電池陰極中，理想情況下提高比容量可以與降低鎳含量結合，因為鎳含量的相對重要性較低。在這里，值得強調的是，與擬合學習率和材料組件起始價格相關的不確定性不太可能對結論產生顯著影響。

提高HC陽極的比容量是一個確定可行的關鍵設計方向。由于HC類材料分接密度、壓延密度低，實際使用中厚度存在限制，因而平衡陰極只能采用較低的面容量負載（每平方厘米毫安時級別）。這會引發多種連鎖反應，比如需要更多電解質浸潤電極內增加的孔隙。另外，HC類電池的電壓曲線斜率很大，限制了可以提供的電池能量總量，對成本效益產生了負面影響。出于這些原因，HC類材料雖然的確具備讓第一代鈉離子電池產品具備商業可行性的條件，但要實現長遠的技術經濟競爭力進而同鋰離子電池分庭抗禮，還需要大幅提高其比容量（至少每克400毫安時）甚至徹底更換陽極材料。

另一種鈉離子電池設計方向是徹底放棄陽極材料，轉而選擇無陽極電池結構。這種創新方案的風險當然更高，但應該不需要對當前這一代的鈉離子陰極技術做大幅調整。然而，實現無陽極結構所需的先進隔膜、電解質和/或集流體，必須在不改變技術經濟性的前提下完成。

總而言之，鈉離子電池值得我們深入、廣泛地研究和開發，并重視商業化。我們認為，對鈉離子電池當前或短期（2030年前）的前景應當持謹慎態度，其相對于鋰離子電池（尤其是LFP電池）的價格優勢在短期內仍舊停留在紙面上。不過，我們同樣相信，在鋰離子電池原材料供應鏈出現波動的情況下，鈉離子電池絕對是一種可行的替代方案，能夠代替鋰離子電池在全球能源轉型中發揮重要作用。鑒于此，我們建議繼續投資鈉離子電池的技術開發，使其具備同鋰離子電池一較高下的市場競爭力。同樣地，考慮到鋰離子電池已經表現出對供應鏈沖擊的高度敏感性，對鋰離子電池原材料供應鏈的安全建設也應當成為繼續投資的方向，不能放棄。

開發低成本電池的最終目標是迅速在各類車輛以及固定式應用場景中快速部署這類儲能設備，以滿足能源轉型的需求。在全球氣候態勢緊張的大背景下，即使面臨地緣政治局勢愈發緊張、供應鏈波動的不利條件，這個終極目標也必須達成。因此，我們不僅要做到準確預測現有技術的價格發展趨勢，而且要深入了解新興技術的競爭力與替代可能，這一點也同樣非常重要。我們在此提出的建模框架就有助于實現這個目標。我們的建模結果對后續研究工作有指導意義，并且能為與相關產品技術經濟競爭力和商業成功概率相稱的戰略投資提供參考。

資料來源NatureEnergy

本文由斯坦福大學材料科學與工程系闕宗仰（WilliamChueh）領銜團隊完成。闕宗仰于2024年 σ 月起擔任斯坦福大學普雷考特能源研究所所長