寧德時(shí)代率先推出的鈉離子電池，何以成為行業(yè)“新風(fēng)口”？

2021年7月29日，寧德時(shí)代發(fā)布了旗下第一代鈉離子電池，在所有能與其沾邊的行業(yè)中都引起了轟動(dòng)。有人說(shuō)，用“鞏固霸主地位”、“顛覆電池行業(yè)”，等詞語(yǔ)來(lái)形容寧德時(shí)代此舉都不為過(guò)。

而據(jù)我們所知，目前新能源汽車(chē)用的動(dòng)力電池并不少，包括鋰離子電池、鎳氫電池、燃料電池和鉛酸電池。其中，鋰離子電池的生產(chǎn)制造達(dá)到了空前規(guī)模。在競(jìng)爭(zhēng)“對(duì)手”如此多的情況下，鈉離子電池為何還能引起行業(yè)轟動(dòng)？

首先讓我們看一下它的工作原理。鈉離子電池（Sodium-ion battery），是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，與鋰離子電池工作原理相似。鈉離子電池在充放電過(guò)程中，Na+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫出：充電時(shí)，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。

雖然和鋰離子電池相似，但鈉離子電池卻具有兩個(gè)天然優(yōu)勢(shì)。

一是鈉元素分布廣泛，具有資源和潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鋰元素地殼中的含量只有0.0065%，且資源分布不均勻，70%的鋰分布在南美洲地區(qū)。如果按照鋰電池現(xiàn)在的發(fā)展速度，暫不考慮回收，鋰電池的應(yīng)用將很快受到鋰資源的嚴(yán)重限制。

而鈉資源非常豐富，其在地殼中的豐度位于第6位，且是鈉分布于全球各地，完全不受資源和地域的限制，所以鈉離子電池相比鋰離子電池有非常大的資源優(yōu)勢(shì)。此外，由于鈉易獲取且價(jià)格低廉，所以鈉離子電池也具有很大的潛在價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

二是鈉離子電池具有成本優(yōu)勢(shì)，較鋰電池成本下降30%-40%。從原材料來(lái)看，對(duì)比鋰離子電池，鈉離子電池的地殼豐度更高，因此鈉的價(jià)格更加低廉，鈉的價(jià)格僅為鋰的1.33%。而且，鈉離子電池流體使用的是鋁箔，相較于鋰離子電池的銅箔價(jià)格也更低。從電池材料成本來(lái)看，鈉離子電池較鋰離子電池在材料成本上可降低30-40%。

此外，鈉離子電池還可以作為鋰離子電池的有效補(bǔ)充。由于與鋰離子電池的生產(chǎn)類似，鈉離子電池可以直接使用現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，也就是說(shuō)電池廠在更換生產(chǎn)時(shí)無(wú)需重新設(shè)計(jì)和制造生產(chǎn)線，只需對(duì)產(chǎn)線進(jìn)行略微改造即可實(shí)現(xiàn)快速生產(chǎn)。

工作原理高度相似，還坐擁兩個(gè)核心優(yōu)勢(shì)，為何鈉離子電池多年枯坐“冷板凳”？事實(shí)上，鈉離子電池和鋰離子電池均起源于上世紀(jì)70年代，但是正極材料被研發(fā)出以后卻遲遲沒(méi)有發(fā)現(xiàn)合適的負(fù)極材料。

20世紀(jì)80年代，石墨鑲嵌鋰離子的原理被發(fā)現(xiàn)。隨即以石墨作為負(fù)極的鋰離子電池原型被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。雖然常用的石墨便宜好用，但其與鈉離子性相不合，鈉離子嵌入后易失去電化學(xué)活性。此外，在進(jìn)一步規(guī)模化方面，鈉電池也對(duì)制備工藝和環(huán)境友好有著更高要求。

那么寧德時(shí)代推出的鈉離子電池，做了哪些突破呢？首先，最突出的是在負(fù)極材料方面。他們開(kāi)發(fā)了能夠讓大量的鈉離子存儲(chǔ)和快速通行、具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料(克容量可超350mAh/g)，并具備優(yōu)異的循環(huán)性能，整體性能指標(biāo)與現(xiàn)有的石墨相當(dāng)。

從正極材料來(lái)看，寧德時(shí)代構(gòu)建了高通量材料集成計(jì)算平臺(tái)，能夠在原子級(jí)別上對(duì)材料進(jìn)行了模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)仿真，對(duì)材料的體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，對(duì)材料表面進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)，解決了材料在循環(huán)過(guò)程中容量快速衰減的難題，使創(chuàng)新的材料具備產(chǎn)業(yè)化的條件。

寧德時(shí)代表示，其第一代鈉離子電池的電芯單體能量密度達(dá)到160Wh/kg，是目前世界最高水平，下一代鈉離子電池能量密度將突破200Wh/kg。該電池已具備快充能力，在常溫下充電15分鐘，電量就可達(dá)到80%。就算是零下20°C的低溫環(huán)境下，放電保持率在90%以上，同時(shí)，系統(tǒng)集成效率達(dá)80%以上。 

除了寧德時(shí)代，山東章鼓、鵬輝能源等企業(yè)也正在進(jìn)行鋰離子電池的開(kāi)發(fā)研究。山東章鼓近期表示，公司投資的新疆喀什安德新材料擁有PPS體系的鋰離子、鈉離子固態(tài)功能膜片的材料合成技術(shù)，可生產(chǎn)半固態(tài)的鋰、鈉電池。鵬輝能源則表示，公司已經(jīng)做出鈉離子電池樣品（采用磷酸鹽類鈉整機(jī)與硬碳體系負(fù)極），并“有望批量生產(chǎn)”。

此外，在鈉離子電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化賽道上，還有“國(guó)家隊(duì)”的身影。據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)報(bào)道，自2011年以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所一直致力于安全環(huán)保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)開(kāi)發(fā)，已在核心材料方面獲得專利授權(quán)30項(xiàng)（多項(xiàng)專利獲得美國(guó)、日本和歐盟授權(quán)）。

2017年，國(guó)內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)—中科海鈉科技有限責(zé)任公司依托中科院物理所成立。2021年12月中旬，由中科院物理所和中科海鈉聯(lián)合推出的全球首套1MWh鈉離子電池光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng)，在山西太原綜改區(qū)正式投入運(yùn)行，標(biāo)志著鈉離子電池正式進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)階段。

誠(chéng)然，鈉離子電池正在掀起一股熱潮。而這熱潮背后，其實(shí)是政策的助力。

2021年8月25日，工信部表示，將組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)適時(shí)開(kāi)展鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定，并在標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批等環(huán)節(jié)予以支持。

工信部還稱，將在“十四五”相關(guān)規(guī)劃等政策文件中加強(qiáng)布局，從促進(jìn)前沿技術(shù)攻關(guān)、完善配套政策、開(kāi)拓市場(chǎng)應(yīng)用等多方面著手，做好頂層設(shè)計(jì)，健全產(chǎn)業(yè)政策，統(tǒng)籌引導(dǎo)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

同時(shí)，科技部將在“十四五”期間實(shí)施“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)，并將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，以進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池的規(guī)模化、低成本化，提升綜合性能。

對(duì)于盡快推動(dòng)鈉離子電池市場(chǎng)化應(yīng)用的建議，工信部表示有關(guān)部門(mén)將支持鈉離子電池加速創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，支持先進(jìn)產(chǎn)品量產(chǎn)能力建設(shè)。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程適時(shí)完善有關(guān)產(chǎn)品目錄，促進(jìn)性能優(yōu)異、符合條件的鈉離子電池在新能源電站、交通工具、通信基站等領(lǐng)域加快應(yīng)用；通過(guò)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)鈉離子電池全面商業(yè)化 。

鈉離子電池應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，市場(chǎng)空間百億級(jí)

鈉離子電池全面商業(yè)化后，將有著廣泛的應(yīng)用前景。光大證券認(rèn)為，鈉離子電池在儲(chǔ)能、電動(dòng)兩輪車(chē)與A00級(jí)別汽車(chē)領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景，預(yù)計(jì)2025年這三大領(lǐng)域國(guó)內(nèi)電池需求將達(dá)到123GWh。

具體來(lái)看，儲(chǔ)能方面，2020年國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能裝機(jī)需求合計(jì)17GWh，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到48GWh；兩輪車(chē)方面，2020年國(guó)內(nèi)兩輪車(chē)電池需求約32GWh，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到41GWh；A00級(jí)別汽車(chē)方面，2020 年國(guó)內(nèi)A00汽車(chē)動(dòng)力電池需求約7GWh，預(yù)計(jì)到2025年將達(dá)到34GWh。

若這三類場(chǎng)景均使用磷酸鐵鋰電池，預(yù)計(jì)2021-2025 年對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)空間分別為408億/510億/545億/532億/537億元。

光大證券指出，若鈉離子電池行業(yè)產(chǎn)業(yè)化順利推進(jìn)，當(dāng)產(chǎn)能達(dá)到GWh級(jí)別時(shí)，鈉離子電池的設(shè)備折舊費(fèi)用攤薄，材料成本低的優(yōu)勢(shì)將顯現(xiàn)出來(lái)，有望在儲(chǔ)能、電動(dòng)兩輪車(chē)、A00級(jí)別汽車(chē)等領(lǐng)域?qū)α姿徼F鋰電池實(shí)現(xiàn)替代。

本文作者：Serena Xu （前瞻網(wǎng)全球產(chǎn)業(yè)觀察員）

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