鈉離子電池,鋰資源缺口下的重要Plan B | 經(jīng)緯科創(chuàng)匯
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傳播國家2030年碳達(dá)峰/2060年碳中和的政策、知識、技術(shù)與優(yōu)良做法
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鋰鈉同時起步,為什么“鈉”滯后了20年? 鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪? 鈉離子電池能分庭抗“鋰”嗎?
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鋰鈉同時起步,為什么“鈉”滯后了20年?
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創(chuàng)新萌發(fā)期(2010-2012) :即新技術(shù)的第一個上升階段,主要由技術(shù)突破或新增需求引發(fā)市場關(guān)注度的加速提升;對于鈉離子電池來說,此階段的驅(qū)動力主要來自于對鋰離子電池的替代需求。 -
泡沫過熱期(2013-2017) :新技術(shù)的關(guān)注度和期望出現(xiàn)高峰,逐漸超出市場現(xiàn)實情況和技術(shù)實際能力。此階段市場持續(xù)的高度關(guān)注推動鈉離子技術(shù)發(fā)展,研究氛圍活躍、部分廠商開始入場。 -
行業(yè)低谷期(2018-2020) :新技術(shù)由于自身短板,發(fā)展出現(xiàn)瓶頸、市場潛力不明朗,導(dǎo)致關(guān)注度和期望下滑;由于自身能量密度的限制以及鋰離子電池的快速降本,鈉離子電池的應(yīng)用場景局限于儲能、中低速車和電動兩輪車等方面,導(dǎo)致市場期望的快速下滑、進(jìn)入低谷期。
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復(fù)蘇爬升期(2021-) :第二個上升階段,新技術(shù)成熟度的增高以及應(yīng)用場景的完善帶來的市場需求的提升,兩者共同推動新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速。 而目前,鈉離子電池正處于突破低谷進(jìn)入復(fù)蘇爬升期的拐點。
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鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪?
主要有兩大因素:
一是鋰資源快速稀缺,價格飆漲,而鈉資源眾多,成本低廉;
二是隨著儲能等新賽道的爆發(fā),以及鈉離子電池本身綜合性能的提升,一些有不錯潛力的應(yīng)用場景開始出現(xiàn)。
按中金公司的預(yù)測,中國鋰供給的“硬缺口”會在2030年之前就出現(xiàn)。
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情景假設(shè)1:有效開采率100%情況下。我們假設(shè)單車帶電量為70KWh,根據(jù)正極材料體系的差異單車碳酸鋰消耗約為34~50kg,在極端情況下,假設(shè)已探明的可開采鋰資源可以100%有效開發(fā)利用,則可以支撐1.83億輛新能源車的碳酸鋰需求。 -
情景假設(shè)2:有效開采率70%情況下,支撐1.28億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。 情景假設(shè)3:有效開采率50%情況下,支撐0.91億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。
針對第二點,鈉離子電池技術(shù)并未被遺忘,也在日趨成熟,并且有更多適合鈉離子的應(yīng)用場景出現(xiàn)。
在近十年內(nèi),美國Goodenough等提出普魯士白正極,中科院物理所胡勝勇等首次提出低成本煤基無定形碳負(fù)極材料,研發(fā)開始大跨步向?qū)嶋H應(yīng)用邁進(jìn)。
自2021年開始,隨著儲能市場的爆發(fā),鈉電池又迎來了新機遇。核心在于大規(guī)模儲能的首要因素是安全和成本,對能量密度的要求比電子產(chǎn)品或是電動車要弱,這與鈉離子電池的特性契合。
下面,我們就來分析一下鈉離子電池與鋰離子電池有何異同,鈉離子電池的優(yōu)劣勢是哪些。
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鈉離子電池能分庭抗“鋰”嗎?
1)正極材料
由于離子特性的差異,直接將鋰電池中的鋰換成鈉并不合適,因此尋找適合鈉離子電池的電極材料,是商業(yè)化的關(guān)鍵。 目前主要是“三種技術(shù)路線之爭”——過渡金屬氧化物類、聚陰離子類和普魯士藍(lán)類。
2)負(fù)極材料
我們在上文中提過,不同于鋰離子,在碳酸酯電解質(zhì)中不易實現(xiàn)石墨儲鈉,因此鈉離子電池也需要尋求新的負(fù)極材料。目前來看,能夠讓大量鈉離子存儲和快速通行、具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳,是比較合適商業(yè)化的材料之一。
而生物質(zhì)硬碳,是主流的負(fù)極路線之一,來源非常廣泛、合成簡單,比如椰殼、杏仁殼、秸稈等等都是理想的鈉離子電池負(fù)極材料。 這方面也帶來一定的成本下降,由于鈉離子電池負(fù)極所用的硬碳,只需要1200-1600度碳化就可以了,省去了鋰電池負(fù)極石墨化燒結(jié)所需的2800-3200度高溫要求,更加省電和環(huán)保。此外,還可以用無煙煤等煤基材料為主體,以瀝青、石油焦等軟碳前驅(qū)體為輔材,來制得負(fù)極材料。
另外, 在電解液、隔膜、集流體方面,由于鈉和鋰離子電池的工作原理類似,只需根據(jù)鈉離子的一些特點,在鋰離子電池體系的基礎(chǔ)上做一些改進(jìn)即可。 例如在集流體方面,因為低溫下鋰和鋁會發(fā)生合金化反應(yīng),因此鋰離子電池通常正極集流體選擇鋁箔,負(fù)極集流體選擇銅箔;而鈉離子電池正負(fù)極均可以選擇成本較低的鋁箔。再比如在電解液方面,目前主要沿用鋰電池的溶劑,但會改變一些針對鈉電池的鹽類(六氟磷酸鋰變成六氟磷酸鈉)。
據(jù)中金公司分析,市場主要從能量密度、循環(huán)壽命、快充性能、低溫性能、安全性、成本六個方面,來判斷一款電池的性能:
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能量密度 :鈉離子電池能量密度低于鋰電池。對比來看,磷酸鐵鋰單體的能量密度主要分布在160Wh/kg左右,而國內(nèi)外主流鈉離子電池企業(yè)的能量密度在50-140Wh/kg,2021年7月寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池能量密度達(dá)到160Wh/kg, 與鋰離子電池類似,鈉離子電池的能量密度同樣取決于正極,三種正極材料之爭如上文所述。 -
循環(huán)壽命 :鈉離子電池循環(huán)次數(shù)仍有待提升。主要是鈉離子體積較鋰離子更大,在嵌入脫出的過程中會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,循環(huán)性能不穩(wěn)定。目前常見的鈉電池循環(huán)壽命在3000次左右,較磷酸鐵鋰電池3000-6000次的循環(huán)壽命仍有一定差距。雖然有實驗室采用面心立方結(jié)構(gòu)的普魯士藍(lán)材料,開發(fā)出了高倍率水系鈉電池,循環(huán)壽命可達(dá)到一萬次,但其能量密度僅為50Wh/kg,生產(chǎn)工藝也更為復(fù)雜。所以整體而言,鈉離子電池的循環(huán)壽命仍有待提升,目前對比三種主流鈉離子正極材料的循環(huán)壽命,普魯士藍(lán)>聚陰離子>層狀金屬氧化物。 -
快充性能 :鈉離子電池優(yōu)于鋰電池??斐湫阅艿谋举|(zhì)是指電池的充放電倍率,主要由鈉離子在正負(fù)極、電解液以及界面處的遷移能力決定。目前鈉離子電池的離子遷移速度,和電極界面反應(yīng)快,快充性能優(yōu)于鋰離子電池。 -
低溫性能 :鈉離子電池同樣具有更優(yōu)的低溫性能。在低溫環(huán)境下,鈉離子電池電解液/電極界面膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗的增大、以及鈉離子在正負(fù)極中遷移速度的降低,與鋰離子電池相比變化較小。 -
安全性能 :鈉離子電池安全性更高。與鋰離子電池只存在一個平臺電壓不同,鈉離子電池在充放電過程中存在多個平臺電壓,降低電池過充或過放風(fēng)險。此外,鈉離子電池較鋰離子電池具有更高的電導(dǎo)率,意味著電池內(nèi)阻較低,在電池運行過程中不會產(chǎn)生或多的熱量,因此較鋰離子電池具備更高的安全性能。
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成本 :鈉離子商業(yè)化仍未成熟,降本空間可期。從成本來講,鈉電池的成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在正極/電解液(鈉比鋰更容易獲得)、負(fù)極(成本更低的硬碳)以及集流體(鋁箔價格更低)的材料降本?,F(xiàn)階段因為產(chǎn)業(yè)成熟度低,所以整體成本還比較高,但未來可能存在30%-40%的下降空間。
從市場角度來說,鈉離子電池主要是在儲能和動力電池場景的滲透:
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儲能 :儲能電池方面,鈉離子電池主要針對的是表前側(cè)規(guī)模儲電,和工商業(yè)儲能,因為這些領(lǐng)域?qū)﹄姵氐哪芰棵芏鹊囊?,不體現(xiàn)在鈉弱勢的體積/質(zhì)量能量密度,且對安全性、高功率性、低成本更加側(cè)重,所以比較適合鈉離子電池。而家儲產(chǎn)品,卻對體積能量密度需求較高,還是更適合鋰電池。
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? 動力電池 :主要針對A0或A00級電動車(小型車和微型車),A0或A00級平均單次充電里程要求較低、單車配電在10-20KWh,車身空間較為充裕,對動力電池能量密度要求較低;且一般使用家用充電樁即可完成充電,充電便捷性高,因此比較適合鈉離子電池。而在低速兩輪車方面,鈉離子電池也有替代鉛酸電池的可能性。此外,在商用車方面,對于日營運里程在50-150公里之間的城市公交,以及廠區(qū)所用的叉車或AGV,也都比較適合鈉離子電池。
在應(yīng)用場景方面, 雖然鈉離子電池在能量密度方面不如鋰離子電池,但原材料成本較低、低溫性能和安全性良好,非常適合大規(guī)模儲能的應(yīng)用場景。以及目前鈉離子電池的性能和成本,也能夠匹配部分商用車以及中低速電動車的動力電池,在這些領(lǐng)域有望替代部分鋰離子電池,緩解鋰資源不足。
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