在智能物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，大量的智能設(shè)備需要電池，從智能手機(jī)、智能手表、筆記本電腦到新能源汽車等，電池的續(xù)航時(shí)間、充電快慢、環(huán)境適應(yīng)性等成為智能設(shè)備競爭的重要維度，目前在消費(fèi)電子市場和新能源汽車市場鋰離子電池處于“一統(tǒng)江湖”的主流地位。現(xiàn)在這樣的格局有可能要發(fā)生改變了。
7月29日，寧德時(shí)代創(chuàng)始人曾毓群在網(wǎng)上正式發(fā)布鈉離子電池，并表示寧德時(shí)代鈉離子電池具備低溫性能、快充性能以及更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，未來將與鋰電池共存發(fā)展。鈉離子電池的時(shí)代要來了嗎?鈉離子電池有哪些特性?又將帶給智能設(shè)備世界怎樣的電力“動力”?
每一種新技術(shù)能夠得以生存并快速發(fā)展，都是因?yàn)閾碛辛吮痊F(xiàn)存市場技術(shù)更優(yōu)的差異化特點(diǎn)，這個(gè)定律放之四海。從目前來看，鈉離子電池與鋰離子電池的差異化在于低溫性能和快充方面。
按照寧德時(shí)代研究院副院長黃起森介紹，目前寧德時(shí)代開發(fā)的第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度為160Wh/kg，在當(dāng)前處于全球最高水平;在常溫環(huán)境下下充電15分鐘，電量可達(dá)80%;即便是在-20°C的低溫環(huán)境下，放電保持率仍然高達(dá)90%以上;同時(shí)，在系統(tǒng)集成效率上，可以達(dá)到80%以上;具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，并且超越了國家動力電池強(qiáng)標(biāo)的安全要求。“總體來看，第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池，但是在低溫性能和快充方面具有明顯的優(yōu)勢。特別是在高寒地區(qū)，高功率應(yīng)用場景。” 黃起森說。
其實(shí)，鈉的化學(xué)性質(zhì)，電池工作原理都和鋰非常相似，在化學(xué)元素周期表中，鈉元素與鋰元素為同一主族，物理化學(xué)性質(zhì)極為相似。甚至鈉離子電池和鋰離子電池連“命運(yùn)改變?nèi)?rdquo;都是同一“群族”，2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了美國的邁克爾·斯坦利·惠廷漢姆、約翰·班尼斯特·古迪納夫以及日本吉野彰三位化學(xué)家，獎(jiǎng)勵(lì)他們“在發(fā)明鋰電池過程中做出的貢獻(xiàn)”。事實(shí)上，鈉離子電池也是惠廷漢姆研發(fā)的，只是鋰電池各方面優(yōu)勢突出并且發(fā)展神速，因此鈉離子電池在商業(yè)上沒有大規(guī)模普及。鋰在電勢、原子量、離子半徑等基本性質(zhì)上，相對而言都是比鈉更好的材料。鋰的原子量更低、離子半徑更小，鋰的理論質(zhì)量比容量是鈉的3.3倍，鋰的理論體積比容量是鈉的1.8倍;且鋰的電位更高，比鈉高出12%，鋰材料的電池更具競爭優(yōu)勢。因此鋰離子電池也更早大規(guī)模商業(yè)化。
最近幾年，鈉離子電池之所以被高度關(guān)注，有幾個(gè)關(guān)鍵原因，一是從總量上看，因?yàn)殁c儲藏量要比鋰豐富，具有更好的發(fā)展可持續(xù)性。目前地殼中鈉儲量達(dá)2.74%，而鋰儲量僅為0.0065%，是鋰資源的440倍，而且鋰離子電池回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值低。鈉離子電池活性材料中不含昂貴的鈷，使其具有更強(qiáng)的可持續(xù)性。二是從地區(qū)分布上，各個(gè)區(qū)域的鋰儲藏也不均勻。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%，鋰礦大多位于青藏高原地區(qū)，開采難度大，致使我國鋰礦對外依存度高。鈉離子電池對我國減少鋰資源對外依存度具有重要戰(zhàn)略意義。三是鈉資源提煉相當(dāng)簡單，鈉離子電池大規(guī)模商用后，具有較大的成本優(yōu)勢。
事實(shí)上，鈉離子電池應(yīng)用前景廣闊，在電動車市場上，鈉離子電池具有低成本、低能量密度、安全性強(qiáng)等特性，是鉛酸電池更好的替代品。而且隨著可再生能源大批量上網(wǎng)，電網(wǎng)側(cè)與發(fā)電側(cè)對儲能的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，為鈉離子電池市場化應(yīng)用提供土壤。
目前來看，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化商處于初級階段，面臨的主要挑戰(zhàn)是成本優(yōu)勢不明顯、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈不成熟、核心電極材料和電解液規(guī)模化供應(yīng)渠道缺失、缺少電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化等。
不過，分析機(jī)構(gòu)認(rèn)為，鈉離子電池具備產(chǎn)業(yè)化快速提升的潛力。鈉離子電池與鋰離子電池生產(chǎn)線、制作工序相似，隨著鋰電和上游材料企業(yè)入局，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程會大幅提速。
目前中國大約有20多家企業(yè)從事鈉離子電池研發(fā)及上下游配套包括寧德時(shí)代、中科海納、容百科技、深圳比克電池、欣旺達(dá)、華陽股份、滄州明珠、恩捷股份、中材科技、璞泰來等。
相對于其他企業(yè)，據(jù)寧德時(shí)代透露其已解決了材料在循環(huán)過程中容量快速衰減這一世界性的難題，而寧德時(shí)代之所以能夠解決這個(gè)難題，得益于模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)仿真。據(jù)介紹寧德時(shí)代構(gòu)建了高通量材料集成計(jì)算平臺，在原子級別上對材料進(jìn)行了模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)仿真，對材料表面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，解決了材料在循環(huán)過程中容量快速衰減的問題，使新材料具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。
按照黃起森介紹，在正極材料方面，寧德時(shí)代采用了克容量較高的普魯士白材料，創(chuàng)新性地對材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減這一核心難題;在負(fù)極材料方面，寧德時(shí)代開發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料，其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性;在電解液方面，寧德時(shí)代還開發(fā)了適配鈉離子電池正極負(fù)極材料的新型獨(dú)特電解液體系;在制造工藝方面，鈉離子電池可以與目前的鋰離子電池制造工藝和設(shè)備相兼容。
寧德時(shí)代在發(fā)布會上透露，目前公司已經(jīng)開始進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局，計(jì)劃是到2023年要能形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。分析機(jī)構(gòu)的預(yù)測是在未來3~5年，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈會基本形成，鈉離子電池相關(guān)工藝、相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)、相關(guān)技術(shù)體系也會趨于成熟。
