锂资源不够用,“钠”就取而代之?

果壳硬科技·2021-08-06
在吗?试试“钠离”

早在1870年,法国预言家作家凡尔纳就在《海底两万里》中,首次提出了钠电池的构想:“鹦鹉螺号”通过取得海水中的电解质钠,制成钠电池作为能源。

150年过去,书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现,但钠电池潜水艇始终进展不大。直到今年7月,宁德时代发布了一款钠离子电池,让尼摩船长的“新能源潜水艇”有了眉目,也让更多人看到了这项“命途多舛”的技术。

1 一块迟到四十年的电池

钠和锂,在元素周期表上位于同一主族,化学性质相似。钠离子电池与锂离子电池均起源于上世纪七八十年代,但命运却截然不同。

锂离子电池因为优异的电化学性能,成了手机、相机、汽车等大小电器必不可少的器件,而钠离子电池却因电池容量低、循环寿命短等短板,无人问津。直到2010年以后,才陆续有研究人员把钠电池这项老技术捡起来。

与锂电池一样,钠离子电池也有多条技术路线。

钠离子电池的技术路线

高温钠离子电池对工作温度要求高、安全性差,研究人员关注更多的是室温钠离子电池,并针对性开发出适合其性质的阴阳极材料,如在阳极上,有合金类、金属氧化物类和碳材料等选择,而阴极材料则包括聚阴离子类、普鲁士蓝衍生物、层状氧化物类等。

其中,层状氧化物和普鲁士蓝衍生物做阴极的钠电池,不仅成本便宜,而且能量密度接近磷酸铁锂电池,甚至还有所超越[1]。阳极材料用硬碳,能提高钠电池的可逆比容量和循环寿命。

在宁德时代发布会上,提到了这三种电极材料,根据发布会新闻稿,宁德时代确认其钠电池采用“普鲁士白”作为正极材料,它是普鲁士蓝的还原产物。

不同技术路线的锂电池(左)、钠电池(中)和钾电池(右)的材料成本和能量密度对比

解决了关键的容量和寿命问题,钠离子电池的应用自然多了起来。宁德时代炒热了钠电池,然而它并不是第一家生产钠电池的中国公司,在它之前,超威、星空、中科海钠等多家公司,都已涉足钠电池的研发与生产。

此外,中国长城、鹏辉能源、圣阳股份等公司已经研发出了钠离子电池样品。欣旺达、百川股份等也在为钠离子电池进行技术和专利储备。

从被科研人员抛弃,到大公司争相研发,钠离子电池为什么突然吃香?

2 新能源的未来在“钠”里

新能源蓬勃发展、碳中和成为世界议题。各国纷纷推出政策,将“停产燃油车”提上日程,电动车取而代之。但这又带来另一个问题:锂资源不够用了。

全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14.8亿辆电动汽车,而根据前瞻产业研究院的数据,2020年全球汽车保有量便超过14.9亿辆[2]。

更不必说,中国锂资源紧张,高度依赖进口。

2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6.5万吨,其余锂精矿依赖进口,共进口172万吨锂辉石精矿,且进口矿石主要都来自澳大利亚[3]。鉴于近年紧张的中澳关系,寻找锂电池的替代产品意义非凡。

业界对钠离子电池寄予厚望。

一方面,钠元素的含量足够丰富。锂在地壳中的含量只有0.0065%,而钠的含量则为2.75%,是前者的400多倍。

另一方面,钠离子电池成本低、安全性高。据中科海钠的测算,钠离子电池的材料成本,比锂离子电池低30%~40%[4]。并且由于钠电池化学性性能稳定,不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶,在安全性上较同类别的锂离子电池体系具有优势[5]。

来源:中科海钠官网

但钠电池该用在哪里呢?

3 谁在呼唤钠离子电池?

学界一般认为,钠离子电池在储能系统上大有用途。

在2030年碳达峰、2060年碳中和的要求下,中央明确提出,要建立以新能源为主体的新型电力系统,并点名风力发电和光伏发电。但风光电发电不稳定,想把这些清洁能源接入电网,就得建设储能站,为电力创造“缓冲区”[6]。

储能站的储能方式,有机械储能、电磁储能、电化学(电池)储能、热储能等类别,目前抽水蓄能占绝对主体地位。根据北极星电力网报道,截至2020年,我国抽水蓄能电站投运总装机规模3179万千瓦,在建总装机规模5243万千瓦;而在今年3月,随着碳中和目标提出,储能需求推动了新一批储能设施建设,截至2021年7月,已有39个、总装机4770万千瓦抽水蓄能电站获得了签约、核准、开工等重要进展。

但抽水蓄能也有劣势,导致其近年来发展速度减缓。申港证券认为,抽水蓄能存在地理局限性、建设周期长成本高,适合作为大型发电设备配套;而从使用效率、布局灵活性、循环寿命、投资成本等方面综合考虑,电池储能是当下最适合规模化发展的储能形式[7]。

电池储能以锂电池、铅酸电池和全钒液流电池手段为主。其中,锂电池拥有更高的能量密度,能量转换效率超过90%,产业链配套也更加成熟[8]。截至2019年底,在电化学储能装机中,锂离子电池装机占比超过75%以上,占主导地位[9]。

2019年起,钠离子电池在储能行业崭露头角,国内先后建成了三座钠离子电池储能系统。

光大证券测算,到2025年国内钠离子电池在储能上的潜在需求量达48GWh,以磷酸铁锂电池价格计量,对应近210亿元的市场空间[10]。

除了储能行业,电动车行业也在呼唤安全系数更高的钠离子电池。钠离子电池能给电动车性能带来多大提升还有待观察,但若能解决低温“趴窝”和碰撞自燃问题,已是好事一桩。

4 “钠”还是个“孩子"

在商业化上,钠离子电池还只是个“孩子”。Patsnap智慧芽全球专利数据库显示,钠电池相关专利申请人集中于高校和研究所。申请专利最多的陕西科技大学有169项,而宁德时代和中科海钠两家公司加起来,也只有35项。

标题及摘要包含“钠离子电池”关键词的专利分布

比如,钠离子电池的寿命仍不尽人意。

中信证券的统计,主流的钠离子电池循环寿命仅1000~1500次,只有宁德时代和中科海钠两家的产品寿命可达3000次。这勉强能追平三元电池,但也远不及磷酸铁锂电池。

钠离子电池制造成本也暂时偏高。

一方面,钠电池产业链不成熟,拉高了制造成本。

今年2月,在中国铁塔中国电信的招标上,磷酸铁锂电池组价格已低于0.5元/Wh,但目前钠离子电池的实际生产成本在1元/Wh以上。

只有当钠离子电池产能达到GWh级别时,才能依靠摊薄设备折旧费用,体现出钠离子电池材料成本低的优势[10],但截至2020年,国内电池储能项目的装机规模累计只有3.3GW[11]。

另一方面,钠电池的材料生产方法也有待优化。

高校和企业一直在寻找更廉价的方法,制备钠电池的电极材料。但这些专利和研究多处于理论阶段,距离大规模投产仍有距离。

钠电池的优势已无需多言,可命运的天平何时倾斜,犹未可知。

References:

[1] Yaosen Tian, Guobo Zeng, Ann Rutt, Tan Shi, Haegyeom Kim, Jingyang Wang, Julius Koettgen, Yingzhi Sun, Bin Ouyang, Tina Chen, Zhengyan Lun, Ziqin Rong, Kristin Persson, and Gerbrand Ceder.Promises and Challenges of Next-Generation “Beyond Li-ion” Batteries for Electric Vehicles and Grid Decarbonization. Chem. Rev. 2021, 121, 3, 1623–1669 Publication Date:December 24, 2020 https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c00767

[2] 朱琳慧. 十张图带你看2020年全球汽车维修行业市场现状和发展前景 未来增长潜力巨大 2020-9-7 https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/200907-a806c9f2.html

[3] 聂来斌. 动力电池的“备胎”故事:锂不够,钠来凑?2021-7-29 https://mp.weixin.qq.com/s/NBOJ7xS8-uQRR6clzKQ-sA

[4] 中科海钠官网 https://www.hinabattery.com/index.php?catid=12

[5] 宋韶灵 祖国鹏 王喆 李鹞 吴威辰. 新能源汽车|钠离子电池:兼具资源和成本优势,有望加速导入 2021-7-26 https://mp.weixin.qq.com/s/XKl599i1R4rjQ3MTcDyMDw

[6] 储能超级风口下,谁是下一个阳光电源?2021-7-31 https://mp.weixin.qq.com/s/Px1xKOajhLNWK-kn8Xx8pQ

[7] 储能:踏上未来电力系统主角之路 2021-4-1 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202104011480091509_1.pdf?1617286289000.pdf

[8] 许超. 一文看懂火爆的储能行业:行业格局、商业模式、投资机会 2021-7-30 https://wallstreetcn.com/articles/3636732

[9] 全钒液流电池将迎来产业推广红利期 2020-10-28 https://www.energytrend.cn/news/20201028-89913.html

[10] 钠离子电池:潜在空间广阔,宁德时代入局加速产业化 2021-7-22 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202107221505405013_1.pdf?1626976390000.pdf

[11] 2021年中国储能电站装机规模与发展前景分析 电化学储能增速最快 2021-5-8 https://mp.weixin.qq.com/s/NSfE2W98DLJHJZYTl3FRDg

本文来自微信公众号“放大灯”(ID:guokr233),作者:大绵羊,编辑:普通酱,策划:放大灯团队,36氪经授权发布。

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