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鈉遜于锂,為何吃香?

目前,國内外有近二十家企業布局鈉離子電 池産業化生産。國外企業主要包括英國 Faradion 公司、美國 Natron Energy 公司、日本岸田化學、 松下、三菱等,國内的鈉創新能源企業包括中科 海鈉、甯德時代。相比于锂離子電池,鈉離子電池這一相對小 衆的電池技術路線很少進入公衆視野。實際上, 鈉離子電池并不是一項新技術,關于其研究可以 追溯到上世紀 70 年代。锂離子電池先行成功商業 化後,使得科研力量開始向鈉離子電池集中。由 于具有資源豐富、價格低廉、環境友好等優點, 2010 年以來,鈉離子電池受到國内外學術界和産 業界的廣泛關注,迎來發展轉折點。

鈉電池卻因鈉離子質量比锂離子大三倍,電池容量低、循環壽命短等短闆,長期坐冷闆凳。

鈉電池雖然能量密度較低、穩定性較差,但也有锂電池不具備的優勢。中科海鈉估算, 如果不考慮生産規模造成的差異,鈉電池材料的理論成本比锂電池低 30%至 40%。在電池特性方面,鈉電池能夠适應更低溫度,不會有太多能量損耗。而锂電池低溫性能不佳,在天氣寒冷時, 能量衰減明顯。鈉電池還支持快速充電,十多分鐘就能夠充電 90%。同時,鈉電池充放電時發熱量小,不容易出現熱失控導緻電池起火。

鈉電池成本優勢明顯

與锂離子電池的工作原理相似,鈉離子電池同樣是一種嵌脫式電池,借助 Na+ 的轉移來存儲和釋放電能。雖然鈉和锂屬于同一主族元素,但鈉離子和锂離子在理化性質上存在的差異,讓鈉離子電池在正負極材料、集流體和電解液上的選擇上與锂電池不盡相同。

對于電極材料而言,鈉和锂的價格直接決定了電極成本的差異,豐富的資源儲量和不受地域限制讓鈉的價格僅為锂的數十分之一;同樣锂離子電池所用的石墨類負極材料價格也遠高于鈉離子電池中使用的無定形碳類負極材料。
同時,鈉離子電池的正負電極均可使用鋁箔作為集流體,锂離子電池負極集流體則須使用價格更為昂貴銅箔。而锂離子電池所需的電解液溶度更高,也進一步擡高了锂離子電池的成本。
相關研究表明,鈉離子電池的原材料成本約為 0.25 元 /Wh,磷酸鐵锂電池的原材料成本超過 0.43 元 /Wh,鈉離子電池在原材料成本方面優勢顯著。
此外,由于鈉離子電池的電阻高且能夠放電至 0V,因而在安全性與儲運方面也更有優勢。

圖片來源于“電腦報”

鈉電池更适合儲能應用

儲能鈉電池可針對極端環境(如高熱、高寒、 高鹽腐蝕等)下的風能、太陽能等可再生能源發電 企業配套大容量、安全可靠的儲能系統;為載人潛 艇、陸軍戰車、水下平台等提供動力,服務國防科 技事業;為第五代移動通信技術(5G)通信基站、 數據中心等室内用電大戶提供備用電源,為國家的 節能減排事業及“碳中和”戰略做出貢獻。儲能鈉 電池的應用領域為锂離子電池技術提供有益補充, 其主要的應用場景如下。

近年來,為應對全球氣候變化,可再生能源 發電系統激增,但由于可再生能源具有随機性、 間歇性特點,若将可再生能源所産生的電能全部 直接接入電網,會對電網産生很大沖擊。因此,高效便捷的電網儲能裝備成為必需品。二次電池是能夠部署在家庭、城市和電網端 的大規模能源存儲裝置,現有的二次電池技術以 锂離子電池和鉛酸電池為主導。盡管锂離子電池 在電動汽車和便攜式電子設備等傳統市場上表現 出色,但由于其存在成本高、安全性低和使用壽 命不足問題,在大規模電網存儲中部署仍然面臨 阻力。因此,發展低成本、高性能以及安全性好 的替代方案成為電網儲能的迫切需要。發展鈉離 子電池可以減少或避免锂、钴和鎳等昂貴元素的 使用,降低儲能成本。因而鈉離子電池在電網儲 能領域具有相當競争力,是锂離子電池的“優秀 替代品”,有望成為二次電池技術的新貴。

随着全球大規模儲能産業飛速發展,伴随衆多電化學儲能技術的湧現,作為锂離子電池 技術的重要補充,鈉離子電池将憑借其獨特優勢 在儲能領域開拓出廣闊的用武之地。預計 2025 年, 國内鈉離子電池市場空間可超 500 億元。

(a)日本50 MW/300 MWh鈉硫電池 儲能系統 (b)意大利南部高壓電網的34.8 MW鈉硫 電池儲能電站

(c)2010年上海世界博覽會上展示的100 kW/800 kW 鈉硫電池儲能系統 (d)崇明島風電場兆瓦時級的 商業應用示範

鈉硫電池儲能系統 / 電站的商業應用實例

(來源中國工程科學報,溫兆銀團隊文章)

儲能鈉電池上下遊産業鍊供給不足

儲能鈉電池的高溫技術瓶頸極大地限制了涉足儲能鈉電池開發的研究院所和企業的數量,導緻儲能鈉電池在産業鍊的推動上困難重重。根據目前世界範圍内鈉離子電池的研發進展及産業化進展我們可以發現,鈉離子電池的産業化已經在推進中。由于除了正、負極材料加工之外,鈉離子電池在集流器鋁箔、電解液、隔膜、電池組裝等産業鍊均可以直接使用現有的锂離子電池産業鍊,結合中科海納和華陽股份的一系列動作,鈉離子電池形成大規模産業化的速度會比甯德時代2023年産業化的目标更快。

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