中國粉體網訊 2021年7月29日，寧德時代通過首場線上發布會推出第一代鈉離子電池。新的鈉離子電池能否在動力電池市場領域與三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池的競爭中脫穎而出？
“預言家”凡爾納為何在鈉離子電池上“失算”？
相信很多人最初接觸到鈉離子電池這個概念就是通過寧德時代的這場發布會。或許有一部分人知道，鈉離子電池最初是和鋰離子電池于上世紀70年代一起誕生的。但大部分人想不到的是，鈉電池的概念，其實最早是由法國科幻作家凡爾納1870年在著名科幻小說《海底兩萬里》當中提出的。在小說里，潛水艇鸚鵡螺號通過取得海水當中的電解質氯化鈉，制成鈉電池作為能源來驅動前進。
想必大家對《海底兩萬里》高超的預言能力有所耳聞，歸功于凡爾納天馬行空的想象力和良好的科學素養，書中預言的電擊槍、潛水服、海底隧道都在后面一一實現，但鈉電池卻遲遲沒有出現。盡管到了上世紀70年代，可以被稱為鈉離子電池的電池已被真正地研發出來，但卻遲遲沒有進入平常人的生活中。而與鈉電池同時代誕生的，還有如今社會必不可少的鋰電池。
如今四十多年過去了，鋰電池早已廣泛應用到生產生活當中，比如作為動力電池成為新能源汽車的核心部件；但鈉電池的發展卻不怎么順利，長期以來只有一些高溫的鈉離子電池小范圍應用在儲能電站、低速車領域，甚至到2011年，關于室溫鈉離子電池的研究才開始復興，最近幾年才有公司嘗試將產品商業化。
鈉離子電池，簡稱鈉電池，顧名思義就是用鈉離子作為驅動的電池。通過鈉離子在電池的正負極之間“游來游去”實現電荷移動的一種動力電池。
鈉離子電池為何曾經一度被冷落？這其實與它的化學屬性有非常直接的關系。實際上，鈉電池與鋰電池之所以會一起誕生，是因為它們的工作原理都是相似的。而鋰元素的原子量是6.94，在金屬中最輕；此外，鋰元素的比容量也是金屬中最高，同時其電化學當量最小。這意味著，鋰電池理論上能夠獲得最大的能量密度。在電池領域，如果暫不考慮安全和成本因素的話，能量密度就是最能代表電池性能的指標了。因此，鋰電池在當時就是研發者眼中的首選。而鈉離子電池，則一度被科研人員遺忘在角落，直到2010年后室溫鈉離子電池才重返研究人員的視野。
翻看元素周期表，鋰離得最近的金屬元素就是鈉。它們都位于周期表的第一列，最外層電子數相同，化學性質相似，所以都能形成第一氧化態，作為電荷搬運工驅動電池充放電。但是，與鋰離子電池相比，鈉離子電池的缺陷十分明顯。首先就是能量密度，原因是鈉離子比鋰離子重，電負性沒有鋰低，因此相同的電極材料通常比相應的鋰離子具有較低的電壓和較低的比容量，從而導致電池的能量密度較低。另一方面，由于鈉離子半徑（0.102nm）比鋰離子半徑（0.076nm）大30%以上，鈉離子在剛性結構中相對穩定，難以可逆脫嵌。即使能發生脫嵌，鈉離子的嵌入和脫嵌動力學非常緩慢，容易引起電極材料結構不可逆的相變，降低電池的循環性能。
這就導致先進的三元鋰電池能量密度已經在200Wh/kg以上時，鈉離子電池僅100-150Wh/kg，即使寧德時代最新發布的先進鈉離子電池能量密度可以達到160Wh/kg，與鋰離子電池的差距也很明顯。
這樣一來，在科學技術尚不發達的上世紀80年代，鋰離子電池和鈉離子電池走上了截然不同的道路：前者迅速商業化，成為消費市場必不可少的用品，后者則完全進入了停滯狀態。
如今，寧德時代發布的鈉離子電池，讓更多人看到了這項“命途多舛”的技術，也讓將來動力電池未來的發展之路，多了一個強有力的“潛在競爭者”。
鈉與鋰的一較高下
前面講了許多鈉不如鋰的地方，但實事求是地來講，這對鈉離子電池并不公平。鈉電池不可能是一無是處，否則也不可能會有人在鋰電池如日中天的時候去研究鈉電池。據中國粉體網了解，簡單來說，鈉電池至少有兩個方面要勝過鋰電池一籌。
首先在儲備量方面，鋰資源的儲量有限。數據顯示，目前70%的鋰資源分布在南美洲，而現階段我國80%鋰資源依賴進口。隨著傳統汽車向新能源汽車轉型，鋰資源的需求量越來越高，鋰元素的價格也一路飆升。中國工程院院士陳立泉就曾明確表示，如果全世界的車都使用鋰離子電池，鋰根本不夠，一定要考慮新的電池。而鈉不同。眾所周知，人們每天都會接觸到的食鹽就是氯化鈉，鈉資源儲量十分豐富。以中國察爾汗鹽湖為例，僅僅一個鹽湖里的氯化鈉儲量就高達426.2億噸，已經是全球鋰資源儲量的一百多倍了。而原材料資源來源豐富，又會帶來成本上的降低。
其次，我們知道，現在的鋰電池并不是完美無缺的。鋰電池的起火爆炸風險非常高，從過去十幾年大量的鋰電池起火報告和航空地鐵等部門對鋰電池的嚴格管制中可窺得一斑。在使用屬性上，盡管鈉離子能量密度不佳，但它的化學性能相對穩定，所以它對溫度并不敏感，不容易形成鋰枝晶那樣堅硬的枝晶，在抗低溫和安全性上較同類別的鋰離子電池也有明顯的優勢。并且，鈉離子電池可以安全的放電到0V來進行存儲和運輸而不影響其電池容量，更是大幅提高了鈉電池的安全性。
所以，在國際競爭加劇，全球能源轉型、碳減排碳中和的大背景下，開發鈉電池這樣一條全新的產品路線，有非常豐富的政治和經濟利益。因此，寧德時代著手開發鈉離子電池，也是為了順應時代的需求。
寧德時代的鈉電池有什么特點？
據中國粉體網了解，早期的鈉離子電池正極一般是用普魯士白和層狀氧化物兩類材料，鈉離子雖然能夠穿行，但是如未加特殊改性或修飾，在循環過程中材料結構會遭到破壞，導致電池容量會快速衰減，最終體現的性能便是循環壽命過低。于是寧德時代針對這一點，用全新思路開發的鈉電池誕生了。對材料體相結構進行電荷重排，解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減難題。在負極材料方面，開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料，其具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性，并給正負極材料優化了相適配的電解液。這樣一來，讓鈉離子既可以在正負極之間自由穿行，又不至于過度地衰減能量。并且鋰離子電池的生產線也可以用來生產鈉電池，很好地控制了成本。
按照寧德時代對外發布的數據，技術優化以后的鈉離子電池，單體能量密度已經達到了160Wh/kg，幾乎達到磷酸鐵鋰電池（150-210Wh/kg）的標準。在常溫下充電15分鐘，電量可達80%；而在零下20℃低溫的環境下，仍然有90%以上的放電保持率。同時在系統集成效率方面，也可以達到80%以上。
“充電快”“耐低溫”“高集成效率”幾個關鍵詞直擊當下鋰離子電池的痛點，也讓人們看到了新能源車續航問題的解決希望，以及動力電池未來的全新發展思路。
鋰退幕，鈉上位？
那么，在寧德時代推出了新的鈉電池后，鈉電池是否有希望在動力電池領域占有鋰電池的市場份額甚至最終代替鋰電池？其實，據中國粉體網了解，盡管現在的鈉電池已經展現出了部分優于鋰電池的性能，但是鈉電池現在向動力電池領域“大舉進犯”仍然為時尚早。
究其原因，首先就是鈉電池的一個本征屬性難以改變，那就是能量密度低。由于鈉離子的半徑、重量以及電負性等原因，鈉電池很難達到同等技術條件下鋰電池的能量密度。雖然上文提到寧德時代發布的鈉電池的能量密度已經接近磷酸鐵鋰電池，但是要知道現在動力電池的高端領域用的多數是三元鋰電池，三元鋰電池的能量密度要更高，當前量產的三元電池的電芯能量密度普遍在200Wh/kg以上，高鎳體系甚至超過250Wh/kg，對于鈉電池的領先優勢比較顯著，鈉電池目前難以望其項背。因此，僅從能量密度考慮，鈉電池有望首先替代鉛酸和磷酸鐵鋰電池主打的啟停、低速電動車、儲能等市場，但較難應用于電動汽車和消費便攜電子等領域，在這兩大領域鋰電池仍將是主流選擇。
其次，鈉電池目前的循環壽命相比鋰電池仍然較短。由于鈉離子半徑比較大, 大量的嵌入或脫出鈉離子會使材料發生很大的體積膨脹或收縮，容易誘導電極材料發生不可逆的結構變化，從而使高容量鈉離子電池表現出不足的循環壽命。據中信證券的統計，主流的鈉離子電池循環壽命僅1000~1500次，只有寧德時代和中科海鈉兩家的產品壽命可達3000次。最先進的鈉電池勉強能追平三元電池，但也不及磷酸鐵鋰電池。
最后，盡管鈉電池的理論成本要明顯低于目前市面上的任何一種鋰電池，但由于鈉電池的生產技術尚不成熟以及產業鏈不完整等原因，導致目前的鈉電池成本并沒有對鋰電池產生優勢。
對此，中國粉體網認為，鈉電池和鋰電池之間不是簡單的“替換”的關系。在動力電池領域，二者之間確實存在一定的競爭，但是也有各自更偏向的領域。將來，隨著鈉電池技術的逐步成熟和產業鏈的形成，以及鋰資源的日益短缺，鈉電池有望在動力電池的低速低端領域中替代鋰電池，而鋰電池則繼續在高速高端領域中發揮作用。
參考來源：
1. 容曉輝，陸雅翔等. 鈉離子電池：從基礎研究到工程化探索
2. Kudakwashe Chayambuka, Grietus Mulder, Dmitri L. Danilov, and Peter H. L. Notten. Advanced Energy Materials. From Li-Ion Batteries toward Na-Ion Chemistries: Challenges and Opportunities
3. 寧德時代官網
（中國粉體網編輯整理/波德）
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