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颠覆锂电池,钠电池做得到吗?

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新能源车火热,锂电池需求蹭蹭上涨。但如今,钠离子电池又将横空出世,吸引了市场的目光。

5月21日上周五,宁德时代董事长曾毓群在股东大会上透露,将于今年7月份左右发布技术已经成熟的钠电池,由于系新推出,钠电池可能比锂电池贵。

钠电池是什么?与锂电池有什么差别?未来的应用路线如何?这都是投资者十分关注的问题。

什么是钠电池?

钠电池其实并非是一种全新的电池技术路线,最早于20世纪70年代被首次提出,只是目前仍处于产业化初期。

钠电池与锂电池具有相似工作原理:依靠钠离子在正极与负极之间可逆地迁移实现充放电,正极和负极均由允许钠离子可逆地插入和脱出的插入型材料构成。

但就核心定位而言,钠电池主打性价比。

正极方面,和锂离子电池正极不同,钠离子电池的高价态过渡金属选择多为铜、铁、镍、锰等,也有锂掺杂手段使用。

充放截止电压多在2.5-4.2V范围,比容量在70-130mAh/g之间(相对高比容量体系的电压稍低)。前瞻性的研究还包括引入晶格氧、类似富锂正极的“富钠”正极材料(首次比容量超过200mAh/g)构建等。

负极方面,和在锂离子电池中的行为不同,石墨在含有碳酸酯电解液的钠离子电池中的可逆比容量却不足50mAh/g,不足以作为质优价廉的负极材料。

相比之下各类无定型碳材料的可逆比容量在200-400mAh/g,甚至还有进一步的提升空间。

与锂电池相比,钠电池有何优势?

中国科学院物理研究所、中科海钠科技有限责任公司的容晓晖、陆雅翔、胡勇胜等几位研究员,曾在储能领域核心期刊《储能科学与技术》上发表题为《钠离子电池:从基础研究到工程化探索》的文章。

文中称,相比于锂电池,钠电池的优势如下:

①钠资源储量丰富,分布均匀,成本低廉;

②钠离子电池与锂离子电池的工作原理相似,与锂离子电池的生产设备大多可兼容;

③由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应,钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔;

④在固态电池中,可设计双极性电极, 在同一张铝箔两侧分别涂布正极和负极材料,将这样的极片周期堆叠,在一个单体电池中实现更高电压,并可节约其他非活性材料以提高体积能量密度;

⑤钠离子的溶剂化能比锂离子更低,即具有更好的界面离子扩散能力;

⑥钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小,相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率,或者更低浓度电解液可以达到同样离子电导率;

⑦根据目前初步的高低温测试结果,钠离子电池高低温性能更优异;

⑧在所有安全项目测试中,均未发现起火现象,安全性能更好。

研究者还比较了铅酸、铁锂和钠离子电池的综合性能。

根据其分析,钠离子电池的能量密度、循环寿命相比于铁锂稍差,但是成本具备一定优势(约1/3),低温容量保持率更高,耐过放能力强。

和铅酸电池相比,则除考虑回收的成本无优势外,其他方面的技术指标实现全面大幅超越。

钠电池,短处在哪儿?

华金证券在研报中指出,钠电池的四大主要问题在于:

1、钠离子的离子半径大于锂离子,导致钠离子无法嵌入石墨材料。钠离子电池需要采用硬碳或其他负极材料,能量密度低于石墨材料。

2、更大的尺寸使钠离子,很难嵌入发生化学反应所在的电极晶体结构中,导致钠离子的移动速率就比较慢,影响钠离子电池充、放电速率。

3、钠离子嵌出电极的晶体结构也较难,导致电池可逆性差,能量密度利用率低,多次充放电后的能量密度下降速度快。

4、主流的钠离子电池正极材料NaMnO4、Na3V2(PO4)3、Na2Fe2(SO4)3等,理论能量密度不及三元锂,实际能量密度较磷酸铁锂低。

中信建投也在研报中表示,电池系统方面,磷酸铁锂单体容量相比于钠离子电池有数量级的领先优势,这使得钠离子电池在成组方面可能存在劣势;钠离子电池相对较高的内阻意味着电池的温度管控难度可能较高,能量循环效率也较差。

未来什么路线?

分析师普遍认为,钠电池暂无替代锂电池成为动力领域主流技术的可能性,更多的是一种技术储备和补充。

光大证券测算称,中国锂盐生产超过60%的锂原料需要进口,对外依存度较高。而钠元素相对锂元素而言并不稀缺,因此开发钠离子电池可作为未来有效的技术储备和补充。

中信建投推测认为,如进展顺利,钠离子电池有望大幅度取代铅酸电池,甚至部分替代锂离子电池。

如用于上汽通用五菱的五菱宏光MINI EV(工况续航120/170km,电池系统能量密度100Wh/kg,起售价2.98万元),或可实现综合性能持平、成本降低1000-1500元的效果;如用于5G基站备用电源,其弱点几乎完全被规避,而且优势得以发挥。

上述券商估计,钠离子电池有潜力用于储能电站、备用电源、电动自行车、低速乃至稍高性能指标电动车。

中泰证券同样认为,钠电池未来应用场景或主要集中于储能、低速新能源车及小动力领域,锂离子电池仍是新能源汽车电池主流技术路线。

假设在2025年储能需求达到90gwh,钠离子电池在渗透率达到30%-80%,则碳酸锂需求量约减少1.70-4.54万吨,而碳酸锂届时的总需求量将达到100万吨以上,钠离子电池的应用不改碳酸锂中长期高景气周期。

华金证券也称,钠离子电池技术是锂离子电池的有效补充,但考虑到其理论能量密度低于三元锂电池,该短板或将导致钠离子电池永远无法在高端车型上实现大规模的应用。钠离子电池有望在储能市场和低端动力电池市场对锂离子电池实现部分替代。

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