早在1870年,法国预言家作家凡尔纳就在《海底两万里》中,首次提出了钠电池的构想:“鹦鹉螺号”通过取得海水中的电解质钠,制成钠电池作为能源。150年过去,书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现,但钠电池潜水艇始终进展不大。直到今年7月,宁德时代发布了一款钠离子电池,让尼摩船长的“新能源潜水艇”有了眉目,也让更多人看到了这项“命途多舛”的技术。
钠和锂,在元素周期表上位于同一主族,化学性质相似。钠离子电池与锂离子电池均起源于上世纪七八十年代,但命运却截然不同。锂离子电池因为优异的电化学性能,成了手机、相机、汽车等大小电器必不可少的器件,而钠离子电池却因电池容量低、循环寿命短等短板,无人问津。直到2010年以后,才陆续有研究人员把钠电池这项老技术捡起来。
与锂电池一样,钠离子电池也有多条技术路线。
高温钠离子电池对工作温度要求高、安全性差,研究人员关注更多的是室温钠离子电池,并针对性开发出适合其性质的阴阳极材料,如在阳极上,有合金类、金属氧化物类和碳材料等选择,而阴极材料则包括聚阴离子类、普鲁士蓝衍生物、层状氧化物类等。其中,层状氧化物和普鲁士蓝衍生物做阴极的钠电池,不仅成本便宜,而且能量密度接近磷酸铁锂电池,甚至有所超越。阳极材料用硬碳,能提高钠电池的可逆比容量和循环寿命。
解决了关键的容量和寿命问题,钠离子电池的应用自然多了起来。宁德时代炒热了钠电池,然而它并不是第一家生产钠电池的中国公司,在它之前,超威、星空、中科海钠等多家公司,都已涉足钠电池的研发与生产。此外,中国长城、鹏辉能源、圣阳股份等公司已经研发出了钠离子电池样品。欣旺达、百川股份等也在为钠离子电池进行技术和专利储备。
新能源蓬勃发展、碳中和成为世界议题。
各国纷纷推出政策,将“停产燃油车”提上日程,电动车取而代之。但这又带来另一个问题:锂资源不够用了。全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14.8亿辆电动汽车,而根据前瞻产业研究院的数据,2020年全球汽车保有量便超过14.9亿辆。更不必说,中国锂资源紧张,高度依赖进口。
2019年国内利用自身的锂资源加工的基础锂盐仅为6.5万吨,其余锂精矿依赖进口,共进口172万吨锂辉石精矿,且进口矿石主要都来自澳大利亚。鉴于近年紧张的中澳关系,寻找锂电池的替代产品意义非凡。
业界对钠离子电池寄予厚望。一方面,钠元素的含量足够丰富。锂在地壳中的含量只有0.0065%,而钠的含量则为2.75%,是前者的400多倍。另一方面,钠离子电池成本低、安全性高。据中科海钠的测算,钠离子电池的材料成本,比锂离子电池低30%~40%。并且由于钠电池化学性性能稳定,不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶,在安全性上较同类别的锂离子电池体系具有优势。
学界一般认为,钠离子电池在储能系统上大有用途。
在2030年碳达峰、2060年碳中和的要求下,中央明确提出,要建立以新能源为主体的新型电力系统,并点名风力发电和光伏发电。但风光电发电不稳定,想把这些清洁能源接入电网,就得建设储能站,为电力创造“缓冲区”。储能站的储能方式,有机械储能、电磁储能、电化学(电池)储能、热储能等类别,目前抽水蓄能占绝对主体地位。
根据北极星电力网报道,截至2020年,我国抽水蓄能电站投运总装机规模3179万千瓦,在建总装机规模5243万千瓦;而在今年3月,随着碳中和目标提出,储能需求推动了新一批储能设施建设,截至2021年7月,已有39个、总装机4770万千瓦抽水蓄能电站获得了签约、核准、开工等重要进展。
但抽水蓄能也有劣势,导致其近年来发展速度减缓。
申港证券认为,抽水蓄能存在地理局限性、建设周期长成本高,适合作为大型发电设备配套;而从使用效率、布局灵活性、循环寿命、投资成本等方面综合考虑,电池储能是当下最适合规模化发展的储能形式。电池储能以锂电池、铅酸电池和全钒液流电池手段为主。其中,锂电池拥有更高的能量密度,能量转换效率超过90%,产业链配套也更加成熟。截至2019年底,在电化学储能装机中,锂离子电池装机占比超过75%以上,占主导地位。
2019年起,钠离子电池在储能行业崭露头角,国内先后建成了三座钠离子电池储能系统。光大证券测算,到2025年国内钠离子电池在储能上的潜在需求量达48GWh,以磷酸铁锂电池价格计量,对应近210亿元的市场空间。除了储能行业,电动车行业也在呼唤安全系数更高的钠离子电池。钠离子电池能给电动车性能带来多大提升还有待观察,但若能解决低温“趴窝”和碰撞自燃问题,已是好事一桩。
在商业化上,钠离子电池还只是个“孩子”。Patsnap智慧芽全球专利数据库显示,钠电池相关专利申请人集中于高校和研究所。申请专利最多的陕西科技大学有169项,而宁德时代和中科海钠两家公司加起来,也只有35项。比如,钠离子电池的寿命仍不尽人意。据中信证券的统计,主流的钠离子电池循环寿命仅1000~1500次,只有宁德时代和中科海钠两家的产品寿命可达3000次。
这勉强能追平三元电池,但也远不及磷酸铁锂电池。
钠离子电池制造成本也暂时偏高。一方面,钠电池产业链不成熟,拉高了制造成本。今年2月,在中国铁塔和中国电信的招标上,磷酸铁锂电池组价格已低于0.5元/Wh,但目前钠离子电池的实际生产成本在1元/Wh以上。
只有当钠离子电池产能达到GWh级别时,才能依靠摊薄设备折旧费用,体现出钠离子电池材料成本低的优势,但截至2020年,国内电池储能项目的装机规模累计只有3.3GW。另一方面,钠电池的材料生产方法也有待优化。高校和企业一直在寻找更廉价的方法,制备钠电池的电极材料。但这些专利和研究多处于理论阶段,距离大规模投产仍有距离。钠电池的优势已无需多言,可命运的天平何时倾斜,犹未可知。