寧德時代又放大招了！？5 月 21 日，寧德時代董事長曾毓群表示，將于 2021 年下半年發(fā)布鈉電池。作為全球鋰電池行業(yè)的老大，寧德時代的這一消息引發(fā)了廣泛關注，也將人們的視線吸引到了較為陌生的“鈉電池”身上。
一直以來，鋰電池憑借著能量密度高、充放電速度快、使用循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)勢，在很多產(chǎn)業(yè)都得到了廣泛應用。尤其是車載動力電池方面，目前市場上的主流純電汽車幾乎都搭載三元鋰或磷酸鐵鋰電池。
然而，隨著搭載鋰電池的純電汽車產(chǎn)量持續(xù)增加，鋰電池產(chǎn)業(yè)諸如核心原材料儲量低、開采難度大、三元鋰電池有一定的安全隱患等局限性逐漸顯露了出來，人們已經(jīng)開始尋找鋰電池的替代品了。
鈉電池就是鋰電池的替代品之一，相比之下，鈉電池的核心原材料儲量更高、開采難度更低，原材料成本自然也就更低。此外，鈉電池在面對擠壓、穿刺等情景時的安全性也更好。
那么“鈉電池”到底是怎樣一種產(chǎn)品？國內外又有哪些企業(yè)在研發(fā)這種電池呢？
鈉電池更便宜更安全，可惜能量密度低
鈉電池是一種以鈉離子為電荷載體的電池，通過鈉離子在正負極間插入和分離來實現(xiàn)電池的充放電。鈉電池的工作原理本質上和鋰電池一樣，只是電荷載體不同。
鈉電池的正極材料主要包括鈉過渡金屬氧化物、鈉過渡金屬磷酸鹽、鈉過渡金屬硫酸鹽、鈉過渡金屬普魯士藍類化合物等幾大類；負極材料主要包括軟碳、硬碳、過渡金屬氧化物等；電解液成分跟鋰電池的電解液成分差別不大，只是把鋰離子改為鈉離子。
其他諸如中間隔膜成分、封裝工藝等方面，鈉電池與鋰電池并無本質區(qū)別。
相比鋰電池，鈉電池的一大優(yōu)勢就是成本低。鈉電池需要的鈉元素不僅儲量豐富、價格低廉，而且獲取渠道更多、開采難度更低。就像曾毓群所說：“氯化鈉（價格）炒不起來，鹽很多。”
而且，鈉電池在架構、封裝工藝上與鋰電池高度相似，原先生產(chǎn)鋰電池的工廠不必經(jīng)過大的改動就能直接進行鈉電池的生產(chǎn)，也就是說鈉電池取代鋰電池這一改變的成本也不會太高。
鈉電池的另一大優(yōu)勢是安全性高。在國外一科研團隊對由 Tiamat Energy 制造的 18650 圓筒型鈉離子電芯進行的針刺測試中，鈉電池在外殼被刺穿 10 分鐘后，內部溫度的最高值也只在 130℃左右。團隊也對由 Novasis Energies 制造的軟包型鈉離子電芯進行了針刺測試，整個過程中沒有肉眼可見的明火出現(xiàn)。
▲ 鈉電池安全性測試過程
鈉電池沒能取代鋰電池的主要原因是能量密度還不夠高。目前，市場上鈉電池的電芯能量密度普遍在 100~150Wh/kg。而主流的車規(guī)級動力電池中，三元鋰電池的電芯能量密度已經(jīng)能達到 250Wh/kg 左右。磷酸鐵鋰電池的電芯能量密度稍低，但也有 180Wh/kg 左右。
不過，在純電汽車產(chǎn)量不斷增加的當今，不少企業(yè)都意識到儲量低、開采難的鋰恐怕不能支撐企業(yè)長遠發(fā)展，紛紛選擇投身鈉電池的研發(fā)。
歐美企業(yè)起步較早，已有多家拿出成品
目前鈉電池產(chǎn)業(yè)中，來自歐美的企業(yè)數(shù)量較多，實力也相對較強。
比如來自英國的 Faradion 公司，這家公司成立于 2011 年，致力于開發(fā)鈉離子技術并將其推向市場。2015 年，F(xiàn)aradion 與 Williams Advanced Engineering 和牛津大學合作，展示了世界上第一種由鈉電池供電的電動自行車。此外，在 2020 年 1 月，該公司還參與了由英國創(chuàng)新基金會資助的可再生能源低成本存儲項目，以展示鈉離子技術在太陽能存儲中的應用。
▲ Faradion 推出的車規(guī)級鈉電池供電模塊
來自法國的 Tiamat Energy 公司是法國 CNRS 研究實驗室的衍生產(chǎn)品，也是鈉電池領域的先行者。其技術在過去八年中得到了發(fā)展，并在第一輪融資中籌集了 500 萬歐元（約合 3890 萬元人民幣）。該公司還是法國政府成立的汽車研究與移動性指導委員會（CORAM）的一部分，以支持汽車領域作為一項關鍵技術。
Tiamat Energy 已經(jīng)與塑膠產(chǎn)品公司 Plastic Omnium 展開了合作，前者的 18650 圓筒鈉電池將被后者改造成于車輛的 48V 鈉電池組，并提供給所有汽車制造商。
▲ Tiamat Energy 推出的 18650 圓筒鈉離子電芯
來自美國的 Natron Energy 也在鈉電池領域有較強的實力，他們開發(fā)了一種新的工藝，用常見于染料中的普魯士藍來制造陰極和陽極。這種材料的成本雖低，但它的化學結構非常擅長吸收和釋放鈉離子，有利于提高鈉電池的充放電效率。而且，普魯士藍電極的使用壽命也比碳基和金屬基電極長，使用壽命最高可達 5 萬次。
▲ Natron Energy 推出的鈉電池
中國企業(yè)不甘落后 曾毓群導師也在研發(fā)
中國在鈉電池領域的發(fā)展也并不落后，目前也有多家企業(yè)開發(fā)出了可應用于多個領域的鈉電池產(chǎn)品。
除了寧德時代外，浙江安力能源也已經(jīng)在鈉電池領域取得了一些成果。這家公司是超威集團和美國通用電氣公司共同成立的一家合資公司，致力于鈉 - 氯化鎳（簡稱鈉鹽電池）的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，目前公司的主力產(chǎn)品之一：T126 型鈉鎳電池包的能量密度已做到 102Wh/kg（電芯能量密度未提供）。
▲ 浙江安力能源 T126 型鈉鎳電池包
中科海鈉是國內鈉電池領域的又一先頭企業(yè)，它的技術團隊由中國工程院院士陳立泉、中國科學院物理研究所研究員胡勇勝等人領導。值得指出的是，中國工程院院士陳立泉正是曾毓群的博士生導師。
通過多年努力，中科海鈉已成長為國際少有的、擁有鈉離子電池核心專利與技術的電池企業(yè)之一。
比如，為了降低鈉電池成本，科研團隊研發(fā)了銅基鈉離子層狀氧化物正極材料和無煙煤基負極材料。如果用戶有需求，中科海鈉也能提供電解液、鈉鹽等產(chǎn)品，且支持定制。
同時，中科海鈉也充分考慮到了電池生產(chǎn)線轉型的問題，在鈉電池設計過程中充分考慮到了產(chǎn)品與原有的鋰電池工廠的適配度。胡勇勝表示，中科海鈉科技已經(jīng)通過鋰電池生產(chǎn)線制造了數(shù)萬個鈉電池產(chǎn)品，目前他們的鈉離子電芯產(chǎn)能最高可達 30 萬只 / 月，產(chǎn)品包括圓筒形電芯和軟包型電芯。
▲ 中科海鈉推出的低速電動車用鈉電池組
結語：高能量密度鈉電池或可替代鋰電池
隨著便攜式電子設備和電動汽車的迅速發(fā)展，鋰離子電池的生產(chǎn)已達到空前的規(guī)模。所有主要的鋰電池制造商都在不斷擴大生產(chǎn)能力，以滿足日益旺盛的市場需求。
然而，鋰并不是一種豐富的元素，其在地殼中的含量僅為 0.0065％。它還分布不均，其中約 70％分布在南美。如果人類放任鋰電池產(chǎn)業(yè)“野蠻生長”，該產(chǎn)業(yè)可能在幾十年內便因為鋰元素枯竭而不得不衰落。
鈉元素的化學性質與鋰元素有較高的相似性，也很適合作為電池材料使用，而且它的儲量更高、開采難度更低、價格也更便宜。
多家歐美企業(yè)早早意識到了鋰電池的局限與鈉電池的發(fā)展前景，已經(jīng)給出了鈉電池領域的產(chǎn)品和技術。一些中國企業(yè)也不甘落后，尤其是中科海鈉科技，通過多年的自主研發(fā)，在鈉電池正負極材料方面都擁有了自己的核心科技。
不僅如此，中科海鈉科技還在鈉電池設計過程中充分考慮到了產(chǎn)品與原有的鋰電池工廠的適配度，并親自使用鋰電池生產(chǎn)線制造了鈉電池且獲得了成功。
當下，鈉電池尚未取代鋰電池并成為電動車輛動力電池的首選，主要原因是鈉電池的能量密度還不夠高。
鈉電池的電芯能量密度往往在 100~150Wh/kg 之間，而磷酸鐵鋰電池的電芯能量密度在 180Wh/kg 左右，三元鋰電池的電芯能量密度更是達到了 250Wh/kg 左右。也就是說，當前水平的鈉電池恐怕很難滿足高動力、長續(xù)航車輛的需求。
但是，鈉電池優(yōu)勢和鋰電池即將面臨的困境都是不爭的事實。假以時日，人們通過努力，顯著提升了鈉電池的能量密度，補齊了鈉電池的短板，鈉電池的優(yōu)勢將會大放異彩，成為鋰電池的最佳替代品。
