深度解析钠离子电池

Franso

深度解析钠离子电池：对锂离子电池来说是备胎，对铅酸电池是颠覆
2021-07-30 23:08
7月29日，在苦等整整2天时间后，终于看到了只有10分钟的宁德时代第一代钠离子电池发布会，不得不说宁德时代这种“少说废话”的风格大咖还是非常赞赏的，下面就来具体分析下钠离子电池的优劣势，以及未来到底有多大潜力?
既生钠，何生锂？
从化学元素表可以看到，锂和钠都是最左边一列的元素，其化学性质有很大的共同点，实际上二者的工作原理基本一致，即依靠锂离子或钠离子在正极和负极之间移动来工作。但毕竟锂是3号元素，是最轻的金属元素，钠则重了不少，从微观来看就是钠的体积要比锂大得多，这样自然同样的正负极材料容纳的难度和数量也就不一样。
实际上，钠电池和锂电池的研究几乎是同时在上世纪70年代末开始起步，但由于当时的负极材料水平有限，还不能让钠离子自由穿梭，但更小更活泼的锂电子可以，因此在很长时间里大家都把研究的重心放在锂离子电池上，钠离子的研究一度停滞，直到最近10年才开始受到重视并开始取得较大的突破。大概可以把目前的钠离子理解为2013、2014年左右的锂电池，或许正处在爆发的前夜。
目前来看钠离子电池只是锂电池的备胎，但华为海思告诉我们备胎也很重要
我们可以先来看下宁德时代第一代钠离子电池的参数：电芯单体能量密度（不是电池包整体的能量密度，不包含包裹、模组等重量）已经达到了160Wh/kg；常温下充电15分钟 电量就可以达到80%，快充能力优异；在零下20°C低温的环境下有90%以上的放电保持率；优异的热稳定性，已经超越了国家动力电池强标的安全要求。
可以说宁德时代的初代钠离子电池的性能已经非常优秀了，但和目前主流的三元锂和磷酸铁锂电池相比仍有比较明显的短板，首先是能量密度偏低，160Wh/kg虽然是目前钠电池的最高水平，但可以说只是三元锂的下限，比亚迪唐EV刀片电池的电池包能量密度已经可以做到160Wh/kg。更关键的是宁德时代在发布会漏掉了一个关键参数：体积能量密度，不知道是刻意回避还是忘了说，这个参数对于电动车来说比质量能量密度更关键，比亚迪刀片电池的封神之处就在于大幅提高了磷酸铁锂电池的体积能量密度，毕竟乘用车上的每一寸空间都非常宝贵。
不过钠离子电池也有很多优势，比如低温放电性能，快充能力都优于磷酸铁锂电池，稳定性要明显优于三元锂电池，宁德时代这里介绍了一种钠电池和锂电池混合的AB电池，也是一种不错的应用方案。不过目前整体来看钠离子电池在乘用车等领域只能算是锂电池的备胎。
而之前华为海思的例子已经告诉了我们备胎的重要性，在华为遭到海外限制时，“备胎海思”一夜转正，后来美国只能连续多次升级封锁，如果其他企业也都对“卡脖子”早有准备，有备胎方案的话，今天中国芯片方面可能不至于这么被动。
而锂电池虽然我国全球产量第一，2020年仅宁德时代一家在电动汽车上的装机量就达到34GWh，市场份额达24.82%，排名全球第一。但我国锂的自给率只有20%，80%需要依赖进口，目前全球超70%的锂矿在南美那边，一旦被卡脖子，国内欣欣向荣的新能源车产业就会瞬间冻结，这个时候钠离子电池就能提供喘息的余地。毕竟想要获得钠元素的确不难，锂的地表含量只有0.0065%，钠的含量为 2.75%，是锂的400多倍，不可能被卡脖子。
干翻铅酸电池，可能才是钠电池的真正奥义
上面讲到在乘用车动力电池等领域，钠电池只能算备胎，但备胎可能永远都没有能转正的一天，而目前全球的碳酸锂、氢氧化锂矿的价格比较稳定，甚至不久前还有大幅的下跌。但钠离子电池的应用潜力可能在于干掉我们目前非常常见的铅酸电池。
我国是世界上最大的铅酸电池生产国和消费国，2020年铅酸电池产量大约为227Gwh，是2020年动力电池锂离子装机量64GWh的三倍多。目前铅酸电池的一大应用领域就是我们熟悉的电瓶车，其中大约75%都是铅酸电池，其最大的优点就是价格便宜，这里如果用上钠离子电池，车可以变轻、续航变得更长，当然目前钠离子电池的成本由于没有规模化还比较高，但单从BOM成本，即材料成本来看要比锂电子电池低20-30%，如果能做到目前磷酸铁锂电池70%的成本，那么取代铅酸电池的希望还是挺大的，毕竟铅酸电池太重，循环次数低用个两年就要换了，生产过程污染就比较大，回收不好更是一大麻烦。
除了电瓶车，目前95%以上的家用车上的12V电气系统都是用的铅酸电池，也就是我们熟悉的电瓶，“亏电”打不着火了就是指的这个。目前最新的特斯拉Model S Plaid已经开始用宁德时代的三元锂电池作为低压系统电池，而比亚迪5年前就开始采用“铁电瓶”即磷酸铁锂电池替代铅酸电池，而这也是钠离子电池发挥的绝佳场合之一。
另外锂离子电池的一大应用潜在领域就是储能，目前UPS电池大部分也是以铅酸为主，目前我国储能领域发展很快，淘汰掉寿命短、污染大的铅酸电池也是大势所趋，而钠电池就是最佳的替代品。据中金公司的预测，到2025年储能领域对钠电池的渗透率将达到20%，需求量达65.2GWh，这相当于2020年国内动力锂电池的装机量，到2030年这一比例还将继续提升，可以说钠离子电池的潜力还是非常大的。
写在最后：
目前来看，钠离子电池想要在动力电池上替代锂电池是非常困难的，虽然宁德时代宣称下一代钠电池单体能量密度能到200Wh/kg，但那时候锂离子可能普遍已经到400Wh/kg了，并且体积能量密度也是难以跨越的障碍，目前来看在我们熟悉的动力电池等领域钠电池只能算一个备胎，当然备胎的价值永远不能忽略，在华为顺风顺水的时候依然坚持每年投入2万研发人员以及4亿美金的研发费用给海思，宁德时代作为电池领域的龙头企业也确实应该有自己的“海思”。
换一个角度，在电瓶车、储能、车载12V电瓶等领域，随着钠电池开始规模化，成本降低，将逐步革掉铅酸电池的命，而储能领域的需求又是一个不亚于新能源车的方向，未来钠离子电池技术发展的重要性可能丝毫不亚于锂离子电池。

rclong

这个电池应该替代掉铅酸电池了

Franso

rclong 发表于 2021-12-31 12:54
这个电池应该替代掉铅酸电池了

钠电池电解液是不是也是有机质呢

Nuker

我只看到了卡脖子卡脖子卡脖子卡脖子卡脖子卡脖子

hhxb

钠离子电池就像有钱人找了个KTV小姐，整天说你能取代老婆，咋可能。
锂锂子已经是直径最小的金属离子了，元素周期律决定的。钠离子比锂离子半径大得多，也就意味着寿命更短

czzhouyun

有具体测试数据吗？

Franso

hhxb 发表于 2021-12-31 15:25
钠离子电池就像有钱人找了个KTV小姐，整天说你能取代老婆，咋可能。
锂锂子已经是直径最小的金属离子了，元 ...

半径大，为何电池寿命就短呢

face9

铅酸电池都100多年历史了，哪有那么容易被取代？新材料电池，前期都只说好处不说坏处，实际使用又存在一堆问题，很可能致命缺陷就会暴露。再加上华为这帮人鼓吹，可信度又要下降50%，石墨烯电池华为这帮鸟人都还没说清楚呢！

Franso

face9 发表于 2021-12-31 21:43
铅酸电池都100多年历史了，哪有那么容易被取代？新材料电池，前期都只说好处不说坏处，实际使用又存在一堆 ...

量子内裤好像要168元一个

hhxb

Franso 发表于 2021-12-31 18:31
半径大，为何电池寿命就短呢

锂离子在正负极材料之间移动会形成空穴，有可能引发结构坍塌。锂离子就像大砖头间的小砖头被抽走了，暂时不会塌。钠离子是大砖头，一但抽走 结构非常容易塌。