Sodium-ion battery

(本文經合作夥伴 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為〈宁德时代来到“钠”时代,它只是不想成为没有5G的华为P50〉。)

【為什麼我們要挑選這篇文章】近期,寧德時代在發表會發布了第一代鈉離子電池。相較於鋰離子電池,鈉離子電池有成本優勢,可望降低電動車的售價。但鈉離子電池的重要性不僅於此。

華為是中國手機品牌龍頭,但由於美國制裁,導致華為不能獲得 5G 射頻晶片,僅能生產 4G 手機。中國鋰礦也高度仰賴海外供應,但鈉原料可以自給自足,發展鈉離子電池,能降低中國電動車產業的供應鏈風險,發展不會因為外國制裁而停滯,寧德時代也能取得更高的自主權,避免步入華為的後塵。(責任編輯:郭家宏)

今年 5 月,寧德時代給業界拋出了一個重磅炸彈:當行業玩家們還在鋰離子電池上硬拚,寧德時代卻突然宣布,將在 7 月份左右發布鈉離子電池。

實際上,鈉離子電池並非是電池行業的全新技術路徑。只不過,鑒於是這位「動力電池一哥」提出的概念,人們還是期待它可以作為技術表率,對統治長達 10 年的鋰離子電池的江湖地位做出研判,甚至是建構一套關於鈉離子電池的新技術設想和能源版圖。

7 月 29 日,寧德時代成功舉行了首場線上發表會,董事長曾毓群發布了寧德時代的第一代鈉離子電池,同時,創新的鋰鈉混搭電池包也在發表會上首次亮相。

雖然發表會內容僅僅持續了 10 分鐘左右,但事後這場發表會也一度被行業人士評為「字少事大」,「知識點按幀記」以及「每秒都價值連城」。

在技術上,寧德時代第一代鈉離子電池其單體電芯能量密度達到 160Wh/kg,為全球最高水平,能量密度有所提升,但仍略低於磷酸鐵鋰電池。寧德時代稱,鈉離子電池在低溫性能和快充方面具備了更明顯的優勢。更重要的是,寧德時代目前已啟動鈉離子電池產業化布局,2023 年將形成基本產業鏈。在製造工藝方面,鈉離子電池可以實現與鋰離子電池生產設備、工藝的完美兼容,產線可進行快速切換。

當動力電池一哥開始將鈉作為一個潛在的發展方向之後,對其本身以及產業格局究竟會產生什麽影響?

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鈉離子電池有成本優勢,原料的供應鏈風險也較低

實際上,市場上目前最常見的動力電池包括三元鋰、磷酸鐵鋰等,本身都是鋰離子體系的產物。但有關於鈉離子的研究也並非是剛剛開始。

針對鈉離子電池研究最早開始於上世紀八十年代前後。在化學元素周期表上,鈉和鋰的位置很接近,這也意味著兩者具備相同的工作原理和化學特性。鋰離子和鈉離子電池的工作方式也基本相同,在充放電過程中,鈉在兩個電極之間往返嵌入和脫出。

先普及一個簡單的概念。電池材料的不同,可以簡單理解為正負極材料的變化,最後產生了對能量以及密度的影響。

相比鋰離子電池,鈉離子電池與其最大的區別在於正極材料,正極材料使用鈉資源。

而鈉離子電池正負集流體均為鋁箔,磷酸鐵鋰電池中則採用銅箔,所以最後都會為鈉離子提供巨大的成本優勢。

機構研究報告顯示,每 kWh 電池中用於製作集流體的材料保守下降 10% 左右,而整個鈉離子電池的 BOM 成本相較鋰電池就又低了 30% 左右。

可見鈉離子的優勢還是在於成本。但從技術上說,發展鈉離子電池本質上是需要對正負極材料本身進行改良。

最早期的鈉離子電池被設計開發出來的電極材料如 MoS2、TiS2 以及 NaxMO2 電化學性能不理想,發展進程緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲能電池實現實際應用的關鍵之一。

缺陷是鈉離子電池普遍能量密度較低,低於鋰離子甚至是鉛酸電池。

所以在使用鈉離子電池的最好的場景上,是那些對能量密度沒有很高要求的場景,比如兩輪電動車,正在經歷鉛酸向鋰電的過度,但鈉離子本身具備一定的成本優勢。再比如一些大型儲能裝置,對能量密度沒有太高要求,但對於成本本身更為敏感。

既然是這樣,電動汽車發展鈉離子電池技術還有必要嗎?

非常必要。

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這裡涉及到幾個大背景。據彭博新能源財經的分析,2020 年動力電池和儲能電池的市場規模已達 174 GWh,預測未來 10 年的複合成長率將超過 30%。2030 年交通和儲能對鋰離子電池的需求將激增至 5.9 Twh。鋰電池需求的激增意味著需要大量的鋰離子。

除去成本優勢,鈉離子電池最大的影響來自於材料供應。

智研咨詢發布的報告顯示,全球鋰消費量呈遞增趨勢。從 2012 年到 2019 年,全球鋰消費量從 28,300 噸增長至 55,770 噸。尤其是 2015 年以來,電動汽車行業快速發展帶動鋰消費進入高速發展階段。相較於 2015 年 33,300 噸的鋰消費量,2019 年全球鋰消費量增長了 74.85%,年均增長率達 15%。中國也是鋰消費大國之一。

作為新電動時代的「石油」,中國的鋰消費同樣依賴進口。全球 73% 的鋰資源分布在北美洲和南美洲,但亞洲鋰資源分布相對較少,占全球 7% 左右。

但作為替代鋰離子的鈉離子資源,在全球的供給量上可謂是取之不盡。報告顯示,鈉離子地殼豐度約為 2.74%,而鋰離子約為 0.0065%。這也就意味著,在鋰礦高度依賴進口的背景下,發展鈉離子電池,其實更像是為防止「卡脖子」風險的 Plan B。

寧德時代提出 AB 電池組合方案,融合鈉、鋰離子電池的優點

看到這裡,其實大家可能還是會提出一個疑問:如今電動汽車用戶們對續航這麽敏感,想讓鈉離子電池上電動汽車,還是需要滿足一定的能量密度的需求。

先上一下寧德時代第一代鈉離子電池的技術參數。

在能量密度上:第一代鈉離子電池電芯單體能量密度 160 Wh/kg,第二代電芯單體能量密度 200 Wh/kg,作為對比,當前主流的鋰離子電池能量密度大約在 150 – 350 Wh/kg 的區間,而磷酸鐵鋰的能量密度大約在 150 – 210 Wh/kg 區間。在這裡也可以看得出來,第一代鈉離子電池能量密度已經覆蓋到磷酸鐵鋰的能量密度區間,具備了使用前景。

在溫度性能上:在常溫下充電 15 分鐘電量就可以達到 80%,具備了快充能力。不僅如此,在零下 20 度低溫的環境下,仍然有 90% 以上的放電保持率。這意味著可以使用在像中國北方城市的寒冷冬天。

而相對於鋰離子,鈉離子其實本身也更為穩定,安全性已經超越了國標安全要求。

這一系列的成果來自於寧德時代對於化學材料上的技術攻堅。

在正極材料方面,寧德時代使用了克容量較高的普魯士白和層狀氧化物兩類材料,透過建構高通量材料整合計算平台,創新性地對材料體相結構進行電荷重排,解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減這一核心難題。

而在負極材料方面,寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料,其具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性。

在電解液方面,寧德時代還開發了適配這樣的正極負極材料的新型獨特電解液體系。

正是基於材料體系的一系列突破,寧德時代研發的第一代鈉離子電池具備高能量密度、高倍率充電、優異的熱穩定性、良好的低溫性能與高整合效率等優勢。

但想要實現鋰離子能量密度的電池,從目前來看,確實還有差距。

為了維持高能量密度同時優化成本,寧德時代提出了 AB 電池組合方案。

這更像是一個魚和熊掌兼得的方案,透過結構創新實現鈉鋰混搭的 AB 電池包設計。

簡而言之,AB 電池包就是透過鈉離子電池和鋰離子電池比例封裝的方式達到兼顧能量密度和拉低成本的綜合性能。

這本身其實是對電池管理系統提出一定的技術挑戰。寧德時代稱,透過 BMS 精準演算法進行不同電池體系的均衡控制,AB 電池系統解決方案既彌補了鈉離子電池在現階段的能量密度缺點,也發揮出了它高功率、低溫性能好的優勢。換句話說,這也側面說明了寧德時代在演算法領域的實力。

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鈉離子電池是實驗室概念,還是可以量產?

隨著碳中和成為全球共識,動力電池產業也確實進入到了多層次、多元化的發展階段。當電動汽車迎來更細分的需求,相應的電池產業也會繼續分層。

「動力電池一哥」早已在中高端電池供應領域牢牢打下了絕對優勢。綜合去年中國的動力電池銷量來看,中國電池總量 63.6 GWh,寧德時代的數據為 31.9 GWh,牢牢把握住了 50.16% 的市場。

對於寧德時代自己來說,發展鈉離子電池更可能會用在一些廠商的入門車型之中,有助於打開產品矩陣的廣度,繼續吸引更多的客戶,同時也有望繼續拉低電動汽車的車價。

換句話說,業界重新開始加快對電池基礎材料的研發,也正是基於更細分市場對於鈉離子電池的場景需求,這也為鈉離子電池的產業化生態化打開了窗口。

鈉離子的產業化水準到底怎麽樣?

在發表會上,寧德時代研究院副院長黃起森博士介紹,在製造工藝方面,鈉離子電池可以實現與鋰離子電池生產設備、工藝的完美兼容,產線可進行快速切換,完成產能快速布局。目前,寧德時代已啟動鈉離子電池產業化布局,2023 年將形成基本產業鏈。

寧德時代表示,歡迎相關研究機構、上游材料供應商和下游電池應用端一起參與,共同加速鈉離子電池產業鏈的完善和發展。

寧德時代董事長曾毓群認為,碳中和催生了 TWh 級的電池需求,推動新能源產業蓬勃发展,新的應用場景不斷產生,給了不同技術施展的舞台。多元化的技術路線,也將助力產業長期穩定發展。

看到這裡大概明白,寧德時代推出鈉離子電池,促成的原因應該有很多。

如此宏觀大環境下,全球鋰電池材料供應緊張,保證原材料的供應安全是每家企業必須要重視的核心問題。況且發展鈉離子電池,一定程度上對鋰離子的供應端也會產生一定的影響。

一家真正的「一哥」、抗打擊的巨頭從來不會一條腿走路,多技術並存就可能抵禦極端的風險。

寧德時代發展鈉離子電池的戰略意義:避免被外國「卡脖子」

國家發展改革委、國家能源局日前發布了《關於加快推動新型儲能發展的指導意見》,提及在儲能領域加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規模化試驗示範,這對於鈉離子電池未來的發展是一個很好的方向。

與此同時,發展鈉離子電池的寧德時代的市場定位也發生了歷史性的轉變,這意味著,它將從一家「鋰離子動力電池公司」,正式變身成「新能源創新科技公司」。

在發表會上,寧德時代確定了三大戰略方向:一是,以可再生能源發電和儲能,替代固定式化石能源;二是,以動力電池助力電動車發展,替代移動式化石能源;三是以電動化 + 智慧化的整合應用創新,加快各領域的新能源替代進程。

我們如果把眼光放得更開一些。在寧德時代發展鈉離子電池這個技術上,有一個很好的參考對象,那就是華為。

就在最近一週,華為因無法使用 5G 晶片而被迫推出 4G 手機登上了熱搜。華為擁有完善的 5G 產業技術,但無法國產化手機主機板中重要組成部分:射頻晶片。目前,國際上的射頻晶片市場是由美國和日本占據,國產化難度很大。

換到鋰和鈉的供應上,「射頻晶片」就是必須要進口的「鋰離子」,發展鈉離子則是「內循環」的有力保證。當動力電池乃至新能源汽車上升到國際競爭,每家擁有絕對領先技術的企業都會思考自己會不會是第二個「華為」。

最近中共中央政治局召開會議也要求,要支持新能源汽車加快發展,引導企業加大技術改造投資。要強化科技創新和產業鏈供應鏈韌性,加強基礎研究,推動應用研究,開展補鏈強鏈專項行動,加快解決「卡脖子」難題。

電動汽車會因為採用新的鈉離子電池繼續降低更親民的價格嗎?中國可以成為鈉離子技術強國嗎?

僅僅十分鐘的發表會,關於鈉離子電池的討論還不夠。就像曾毓群說的那樣:電化學的世界就像能量魔方,未知遠遠大於已知。

但已知的是,如今我們得用一種新的視角審視寧德時代這家公司了。

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