事實上,動力電池先驅日本,押注燃料電池并拋棄鋰電池技術路線,不僅僅是因為初期動力鋰電池存在能量密度低、成本高的顧慮,背后還有資源短缺的考量,日本不希望自己從被“石油”卡脖子的坑,跳到被稀有金屬卡脖子的另一個坑中,這是日本側重于發展燃料電池的重要原因之一。

寧德時代

不久前,寧德時代公開宣稱將于7月前后推出鈉電池,引發了市場對鈉電池的紛紛猜測,有分析認為,面對國內資源稀缺、國際拼搶的鋰資源,寧德時代可能正在布局鈉離子動力電池方案,借此來替代鋰電池。其實,近年也有不少企業在考慮替代鋰電池的方案,如LG化學、比亞迪等,都在在布局,不過至今進度緩慢。

事實上,動力電池先驅日本,押注燃料電池并拋棄鋰電池技術路線,不僅僅是因為初期動力鋰電池存在能量密度低、成本高的顧慮,背后還有資源短缺的考量,日本不希望自己從被“石油”卡脖子的坑,跳到被稀有金屬卡脖子的另一個坑中,這是日本側重于發展燃料電池的重要原因之一。

目前看,燃料電池并非替代鋰電池的最佳技術路線,而隨著新能源汽車產業的爆發,當年日本所面臨的抉擇,落到了中國、韓國等動力電池制造商的頭上,且隨著市場對動力電池的需求量與日俱增,資源的緊迫性也就越強烈,那么,全球動力電池龍頭的寧德時代能否推動鈉電池成為未來動力電池的備選?

技術推動,鈉、鋰之爭重回視野

行業對鈉離子電池的研究其實并不比鋰離子電池晚,早在1976年就已經得到研究,但此后發現,基于鈉、鋰制作而成的電池正極材料,在對離子進行嵌入和脫出時,鋰化合物會獲得更佳的性能;同時鈉離子電池未找到合適的負極材料,相反,基于鋰離子電池的研究發現了軟碳、石墨等可商業化應用的材料。漸漸的,鈉離子電池失寵,而鋰離子電池則獲得了飛速發展。

截至目前,鋰電池已經廣泛應用于手機、筆記本電腦、新能源汽車等需要儲能的電子設備。隨著應用領域推廣開來,鋰電池用量急劇上升,根據觀研天下統計,僅中國,鋰電池產量已從2015年的55.98億只增長到了2020年的188.5億只。未來新能源汽車產業將成為推動鋰電池用量增長的主力,根據彭博社預測,全球新能源乘用車銷量將從2020年的286萬輛,增長至2040年的5600萬輛,僅電網儲能所需的電池就從2018年的9GWh增長至2040年的1095GWh。

而用于制造鋰電池的資源卻變得稀缺起來,正如前文所說,日本當年對動力電池路線的抉擇再次來臨。根據美國地質調查局統計數據,2019年全球已查明的鋰資源總量約為8000萬噸,其中探明的鋰礦儲量約為1700萬噸,主要集中在智利(約860萬噸)、澳大利亞(約280萬噸)、阿根廷(約170萬噸)、中國(約100萬噸)、美國(約63萬噸)等國家中;其中目前我國有80%的鋰資源需要依賴進口。

美國地質調查局同時指出,鋰礦開采量正在飛速增長,已經從2015年的3.15萬噸增長到了2019年的7.7萬噸。中國工程院院士陳立泉年初在某論壇上曾表示,如果全世界的車都采用鋰電池,電能也用鋰電池存儲,地球上的鋰資源無法滿足需求。

與鋰資源儲量緊缺相反的是,據浙江大學動力機械及車輛工程研究所副所長熊樹生披露數據,全球鈉在地殼中儲量占比高達2.36%,是鋰儲量占比的1180倍,而且從海洋、陸地中均能獲取,不易受到卡脖子。需要說明的是,我國僅中鹽化工一家企業,目前金屬鈉年產能就高達6.5萬噸,占全球產能的41.8%。

鈉要想進入儲能領域,甚至是取代鋰,技術必須取得突破。過去很長一段時間,鈉電池技術路線雖然不受重視,但其研發始終在延續,其中以硬碳為代表的負極材料的應用,大幅提升了鈉離子電池的電容量。2010年之后,鈉離子電池的正極材料也獲得大量研究,英國Faradion、法國的Tiamat、國內的中科海納等國內外公司紛紛推進鈉離子電池的研發進程。

特別是容量的大幅提升,加速了鈉電池重新回歸人們視野。2020年12月,外媒報道稱,日本東京理工大學Shinichi Komaba教授率領的團隊基于氧化鎂生產出電容量達478mAh/g的新型硬碳材料,據介紹,該表現甚至高于鋰離子電池常用負極電極材料——石墨(372 mAh/g)的容量。

與鋰電池相比,鈉電池有著許多優點,理論制造成本更低廉,這是它被當成鋰代替品的重要原因。鈉電池能直接利用鋰電池產線,鈉的來源廣且采購成本遠低于鋰。有色金屬網顯示,6月底工業鈉的價格是1.6-2.4萬元/噸;而鋰的價格則已達到2016年以來的歷史高位,如六氟磷酸鋰的價格,近期已經提升到了40萬元/噸。

根據全球起重機械網分析,2021-2023年,鋰礦缺口分別為0.2萬噸、3.1萬噸、2.5萬噸,預計鋰價格將會保持高位。而鈉電池,除了主材成本廉價外,配套用材也可以選用廉價產品,如集流體,可以選用鋁箔替代銅箔,大幅降低成本。理論成本優勢,讓鈉成了香餑餑。

另一個讓鈉電池備受關注的就是安全性。一方面,鈉電池熱失控溫度高于鋰電池,且更容易鈍化、氧化,不易產生易燃現象,而這正是以三元鋰為代表的鋰電池的致命問題。另一方面,鈉電池充電速度比鋰電池要快許多,在高溫、低溫等條件下都能穩定充放電,優于鋰電池。從應用角度來說,鈉電池的這些優點,無疑解決了鋰電池的痛點。

最后,鈉離子電池的循環充放電次數也有大幅提升,資料顯示,已經可以做到了3000-6000次循環使用,與磷酸鐵鋰電池相當。

兩大致命問題讓鈉“上車”成疑

雖然鈉離子電池研究獲得了較大的進步,但兩大致命問題卻讓它“上車”備受質疑。

首先是成本問題。其實如上所介紹的價格為理論價格,據華安證券測算,理論上鈉電池量產成本可以比鋰電池便宜25.3%。但目前的實際價格并非如此,寧德時代董事長曾毓群此前公布鈉電池時已經明確表示:鈉離子電池不是剛推出來就很便宜,因為目前的供應鏈規模還很小,不夠成熟,鈉離子電池可能比鋰離子電池貴一些。

華安證券就鈉電池的低能量密度及循環性能對應更多的輔材消耗分析得出,磷酸鐵鋰電池全生命周期的度電原材料成本僅0.02-0.04元/kWh,遠低于鈉離子電池的0.05-0.3元/KWh。

第二個問題即為能量密度。目前主流的動力電池為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池,其中三元鋰電池能量密度約為240Wh/kg,磷酸鐵鋰電池能量密度約為180Wh/kg。而鈉電池,因為鈉原子比鋰原子大,決定了其單位質量下,電池儲能少于鋰電池,熊樹生認為,目前鈉離子電池的能量密度只有約120Wh/kg,即便是達到其理論極限值,也只有200Wh/kg;根本無法達到國家《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》“2025年我國純電動汽車動力電池的能量密度年目標為400Wh/kg,2030年目標為500Wh/kg”的目標要求。

因此,鈉電池并不被看好能夠取代鋰電池成為新能源汽車下一代動力電池首選,更多是將其作為戰略儲備技術,以及兩輪車、消費品等對能量密度要求不高的電子產品儲能使用。“但這不是說鈉電池完全沒有上車的希望,如果能繼續降低成本和提升能量密度,鈉電池還是可以替換鋰動力電池的,不過這還需要長時間的研發積累?!币晃环治鋈耸咳缡钦f到。

“寧德時代選擇此時推出鈉電池,并不代表它的鈉電池技術已經可以跟鋰電池相比,應該說是它的新戰略布局?!比缟先耸坷^續分析認為,寧德時代非常具有憂患意識,對被人卡脖子非常敏感,它并沒有掌握上游材料價格的主動權;而近年還面臨來自LG化學、比亞迪的追趕,以及奔馳、廣汽集團等合作伙伴自研動力電池,都讓寧德時代嗅到了潛在危機;而鈉電池不過是寧德時代多個應對手段之一。

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