“鈉嗎？”

“是的，先生……鈉電池應(yīng)當(dāng)是最強(qiáng)的，它的電動(dòng)力比鋅電池要強(qiáng)好幾倍?！?/span>

這是1870年，法國作家儒勒·凡爾納所著的科幻小說《海底兩萬里》中的原文。在這部知名小說中，鈉電池作為一個(gè)概念由凡爾納首次提出。

但接近100年后，鈉電池才被發(fā)明出來。然而無論是鈉硫電池還是鈉離子電池，相對(duì)鋰電池都沒有那么受重視。特別是鈉離子電池，直到2011年，全球才有第一家試圖將鈉離子電池商業(yè)化的公司。

截至目前，業(yè)內(nèi)對(duì)鈉離子電池的定位也主要在儲(chǔ)能電站、低速車等領(lǐng)域。

7月29日，寧德時(shí)代通過線上發(fā)布會(huì)發(fā)布了第一代鈉離子電池，并通過鋰鈉混搭電池包的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方式，將其應(yīng)用在新能源汽車上，打破了業(yè)內(nèi)對(duì)鈉離子電池不適合應(yīng)用在電動(dòng)汽車上的認(rèn)知。

根據(jù)寧德時(shí)代發(fā)布的數(shù)據(jù)，鈉離子電池電芯單體能量密度可達(dá)160Wh/kg；常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上；在-20°C低溫環(huán)境中，也擁有90%以上的放電保持率；系統(tǒng)集成效率可達(dá)80%以上；熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)超國家強(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，再通過鋰鈉混搭方式，應(yīng)用場景不限于儲(chǔ)能，在電動(dòng)汽車上也可以廣泛應(yīng)用。

資料來演：寧德時(shí)代鈉離子電池發(fā)布會(huì)

作為全球動(dòng)力鋰電池“一哥”，寧德時(shí)代為什么不強(qiáng)化自身在鋰電池領(lǐng)域的優(yōu)勢，反而橫生枝節(jié)，把鈉離子電池也弄上車呢？

這次發(fā)布會(huì)，寧德時(shí)代董事長曾毓群難得亮相引介。他講述了人類社會(huì)走向“碳中和”時(shí)代，其中核心，是能源轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)。而新能源的存儲(chǔ)，千鈞重?fù)?dān)，壓于鋰電池肩上。

全球的大國強(qiáng)國、車企、能源企業(yè)，都向鋰離子電池投出重注。風(fēng)口之下，不乏跟風(fēng)炒作之舉。鋰資源以及相關(guān)的鈷資源、鎳資源，原本就有限，在資本操弄下，產(chǎn)出波動(dòng)更加劇烈。鋰電池供應(yīng)安全和成本安全，系于不斷被強(qiáng)力拉伸的一線。

此時(shí)，寧德時(shí)代將鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化，并即將裝載到電動(dòng)汽車上，成為新的儲(chǔ)能和動(dòng)力電池選擇。

關(guān)心電動(dòng)汽車發(fā)展、交通電動(dòng)化發(fā)展，以及可再生能源存儲(chǔ)的人們，可以略微寬心。

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與鋰離子同時(shí)起步，商業(yè)化落后

要了解鈉離子電池，要先從壓制其發(fā)展多年的鋰離子電池開始。

鋰元素的原子量是6.94，在金屬中最輕；鋰元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-3.045V，在金屬中最低；此外，鋰元素的比容量也是金屬中最高，同時(shí)其電化學(xué)當(dāng)量最小。 

以上四大特點(diǎn)，使鋰電池體系，在理論上，能獲得金屬電池中最大的能量密度，這也使其成為電池研發(fā)者眼中的首選。

不過，打開化學(xué)課本的元素周期表，可以發(fā)現(xiàn)與鋰離得最近的另一個(gè)同族金屬元素——鈉。作為鋰的同族元素，它們最外層電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)相似。這是鈉離子能和鋰離子一樣能勝任電荷搬運(yùn)工的重要原因。

資料來源：網(wǎng)絡(luò)

與鋰電池發(fā)展路徑一樣，鈉電池最早也是從固態(tài)電解質(zhì)發(fā)展起來。

對(duì)鈉電池早期探索，要追溯到1967年。那年，美國的Yao、Kummer發(fā)現(xiàn)Na可以在β-Al2O3中快速穿梭；1968年，美國福特公司研發(fā)出以β-Al2O3陶瓷管為電解質(zhì)的鈉硫電池。但是這種電池只能在300-350℃的環(huán)境中才能工作。

能在室溫工作的鈉離子電池，還要等1979年法國Armand教授提出“搖椅電池”概念后，才會(huì)出現(xiàn)。

也就是說鈉離子電池和鋰離子電池幾乎同時(shí)起步，因?yàn)槿魏谓饘匐x子電池(鋰離子電池，鈉離子電池，鎂離子電池)都屬于搖椅式電池，即金屬離子通過電解液、隔膜在正負(fù)極之間運(yùn)動(dòng)，獲得電能。

鈉離子原理  發(fā)言者：寧德時(shí)代研究院副院長黃起森

鈉離子半徑比鋰離子大70%，在材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能方面要求更嚴(yán)苛，這也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。

鋰離子在搖椅式電池中有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，因?yàn)殇囯x子小，最容易在各種框架物質(zhì)中嵌入脫出，而不使得其發(fā)生形變。

因此，鋰離子電池在尋找合適的正負(fù)極材料方面，進(jìn)展要快于鈉離子電池，率先進(jìn)入商用化階段。

此后，鋰離子電池和鈉離子電池走上了截然不同的道路。

鋰離子電池迅速商業(yè)化，而鈉離子電池的發(fā)展隨之進(jìn)入了停滯狀態(tài)。

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30年后的轉(zhuǎn)折點(diǎn)

在二次電池中，鋰離子電池的性能雖是最好，但鋰資源的儲(chǔ)量有限。目前70%的鋰資源分布在南美洲，而現(xiàn)階段我國80%鋰資源依賴進(jìn)口，鋰離子電池難以兼顧電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)。

這一矛盾在電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能電池快速增長后，愈發(fā)明顯。

由于與鋰離子電池具有相似的工作機(jī)理和機(jī)構(gòu)，鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鈉離子電池技術(shù)也起到了促進(jìn)作用。

2000年，加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的物理學(xué)教授Jeff Dahn等發(fā)現(xiàn)鈉離子電池高容量硬碳負(fù)極材料；2007年加拿大滑鐵盧大學(xué)的教授Linda F.Nazar等提出Na2FePO4F正極材料。

隨著正負(fù)極材料的突破，鈉離子電池迎來了發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

2011年全球首家鈉離子電池公司——Faradion建立，鈉離子電池進(jìn)入商業(yè)化階段。

在中國方面，中國工程院院士陳立泉帶領(lǐng)的中科院物理所電池團(tuán)隊(duì)，從2010年就開始進(jìn)行鈉離子電池的研究，從原材料開始研究，正極材料發(fā)現(xiàn)了四五種，負(fù)極材料也發(fā)現(xiàn)了四五種。中科院物理所還孵化了中科海鈉——一家專注做鈉離子電池研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)。

寧德時(shí)代的董事長曾毓群，在物理所學(xué)習(xí)期間就師從陳立泉，研究方向?yàn)殇囯x子電池，2006年獲得博士學(xué)位。

寧德時(shí)代董事長曾毓群在鈉離子電池線上發(fā)布會(huì)上演講

寧德時(shí)代率先發(fā)力鈉離子電池，與陳立泉領(lǐng)導(dǎo)下的中科院物理所的持續(xù)努力，不無關(guān)系。

3

鈉離子電池的優(yōu)勢多

和鋰離子電池相比，鈉離子電池也有缺點(diǎn)，首先是能量密度略低。寧德時(shí)代第一代鈉離子電池單體能量密度160Wh/kg，比現(xiàn)在商業(yè)化應(yīng)用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池低一些，比三元鋰電池就要低不少。

其次，鈉離子電池一般循環(huán)壽命3000次，而磷酸鐵鋰電池可達(dá)5000次。

不過，寧德時(shí)代還在持續(xù)不斷的創(chuàng)新中。黃起森表示，寧德時(shí)代下一代鈉離子電池能量密度將突破200Wh/kg。

鈉離子電池的優(yōu)勢也非常多。

首先，鈉的儲(chǔ)量豐富，鈉地殼中的豐度位于第6位，更重要的是鈉分布于全球各地，完全不受資源和地域的限制，所以鈉離子電池相比鋰離子電池有非常大的資源優(yōu)勢。

鈉離子電池貴金屬含量低，不含鈷和鋰。而且，鋰離子電池正極集流體為鋁箔，負(fù)極為銅箔。但鈉離子電池負(fù)極集流體也可以采用的成本較低的鋁。

根據(jù)中科海鈉給出的數(shù)據(jù)，NaCuFeMn/軟碳體系和磷酸鐵鋰/石墨體系相比，材料成本可以下降30—40%。

資料來源：中科海鈉官網(wǎng)

其次，安全性高。鈉離子電池在測試環(huán)節(jié)，能在針刺、擠壓、過充、過放等安全項(xiàng)目測試中做到不起火不爆炸；而在運(yùn)輸環(huán)節(jié)，鈉離子電池可以徹底放電，0V運(yùn)輸，降低電池運(yùn)輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)。

第三，鈉離子電池高低溫性能優(yōu)異。寧德時(shí)代給出的數(shù)據(jù)，在零下20°C低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。

此外，快充能力方面，在常溫下充電15分鐘，電量就可以達(dá)到80%。

同時(shí)在系統(tǒng)集成效率方面，寧德時(shí)代的鈉離子電池也可以達(dá)到80%以上。

據(jù)寧德時(shí)代研究院副院長黃起森介紹，在正極材料方面，寧德時(shí)代目前選擇具有潛在商業(yè)化價(jià)值的有普魯士白和層狀氧化物兩類材料。它們的克容量已經(jīng)達(dá)到了160mAh/g，與現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料相當(dāng)。

普魯士白

而且，寧德時(shí)代對(duì)這一材料的體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，對(duì)材料表面進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)，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，使創(chuàng)新的材料具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。

在負(fù)極材料方面，由于鈉離子無法像鋰離子一樣在石墨層間自由的穿梭，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，這種硬碳材料克容量可達(dá)350mAh/g以上，還具備優(yōu)異的循環(huán)性能。使整體性能指標(biāo)與現(xiàn)有的石墨相當(dāng)。

硬碳

在電解液方面，寧德時(shí)代方面開發(fā)了適配這樣的正極負(fù)極材料的新型獨(dú)特電解液體系。

在電池系統(tǒng)集成方面也在創(chuàng)新。寧德時(shí)代開發(fā)了AB電池解決方案?？梢詫?shí)現(xiàn)鈉離子電池與鋰離子電池的集成混合共用。寧德時(shí)代將鈉離子電池與鋰離子電池同時(shí)集成到同一個(gè)電池系統(tǒng)里將兩種電池按一定的比例和排列進(jìn)行混搭，串聯(lián)、并聯(lián)集成。

AB電池

在黃起森看來，通過BMS的精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制，可以實(shí)現(xiàn)取長補(bǔ)短，既彌補(bǔ)了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，也發(fā)揮出了它高功率、低溫性能的優(yōu)勢，這樣的鋰-鈉電池系統(tǒng)，就能適配更多應(yīng)用場景。

在制造工藝方面，鈉離子電池可與目前的鋰離子電池制造工藝和設(shè)備相兼容。

到這里，鈉離子電池終于將在寧德時(shí)代的手上，突破了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。

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鈉離子電池上車的意義

后人如果書寫人類儲(chǔ)能史，7月29日這一天，會(huì)有一筆嗎？

鈉離子電池的發(fā)布，以及用作動(dòng)力電池的突破，或許有著深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

宏觀上，配合“雙碳目標(biāo)”，社會(huì)生產(chǎn)力必然面臨深刻變革，化石能源向清潔能源轉(zhuǎn)型，已經(jīng)是全球共識(shí)，并且正在加速到來。而清潔能源的存儲(chǔ)，需要高效率、有保障的解決方案。

寧德時(shí)代已經(jīng)不滿足于僅定位為一個(gè)電池供應(yīng)商，其將打造世界一流創(chuàng)新公司，為人類新能源事業(yè)做出卓越貢獻(xiàn)作為發(fā)展使命。

再更高的戰(zhàn)略使命指引下，寧德時(shí)代不會(huì)困守于某一技術(shù)、某一材料，在技術(shù)上布局更加廣泛和包容。

所以，盡管寧德時(shí)代已經(jīng)在鋰離子電池的應(yīng)用上，引領(lǐng)全球，仍然研發(fā)推出鈉離子電池，以確保可再生能源的存儲(chǔ)，以及新能源產(chǎn)業(yè)，有更強(qiáng)的保障。用曾毓群的話說，“鈉離子電池……與鋰離子電池相互兼容互補(bǔ)，所以多元化的技術(shù)路線也是我們這個(gè)產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展的重要保障?！?/span>

從微觀上來看，鋰礦、鋰鹽價(jià)格一直波動(dòng)較大。從去年至今，鋰電池上游供應(yīng)價(jià)格上漲過快。寧德時(shí)代推出鈉離子電池，和鋰離子電池形成互補(bǔ)，在某種意義上，可以給上游材料供應(yīng)商發(fā)出信號(hào)，未來鋰電池原材料的需求增長或許會(huì)放緩。

當(dāng)然，鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化剛剛開始，上游的正極和負(fù)極以及電解液添加劑的供應(yīng)鏈培育都需要時(shí)間。

對(duì)此，寧德時(shí)代也有自己的時(shí)間表，其已經(jīng)著手鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化布局，計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。

黃起森也表示，歡迎相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)、上游的材料供應(yīng)商和下游的電池應(yīng)用端一起參與。這個(gè)表述更像是一個(gè)邀請(qǐng)，邀請(qǐng)上游供應(yīng)鏈配合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

不僅是上下游，其他電池廠商也要參與，一起做大市場，才能盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。目前來看，鵬輝能源、猛獅、欣旺達(dá)等寧德時(shí)代的友商已經(jīng)有所布局，上游方面容百科技、翔豐華等都已行動(dòng)起來。

可以預(yù)見，隨著鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)鏈建立，更多企業(yè)投入鈉離子電池的研發(fā)生產(chǎn)，鈉離子電池規(guī)模化之后。鈉的儲(chǔ)量豐富性、低價(jià)格的優(yōu)勢就會(huì)發(fā)揮出來，形成對(duì)鋰離子電池的成本優(yōu)勢。

相對(duì)于其他友商，寧德時(shí)代很大概率會(huì)是把鈉離子電池作為動(dòng)力電池，并實(shí)現(xiàn)商用化的首家企業(yè)。因?yàn)楦鶕?jù)財(cái)聯(lián)社的消息，寧德時(shí)代方面表示，他們第一代鈉離子電池已經(jīng)開始了與車企和儲(chǔ)能客戶進(jìn)行商業(yè)化合作。

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