钠离子一棋落下,新能源全盘皆活?
2021-08-05 10:13 宁德时代 钠离子电池

2钠离子一棋落下,新能源全盘皆活?

来源:虎嗅APP(ID:huxiu_com) 作者:高鹏程

有没有想过,为什么小到你正在用的手机,大到路上跑的新能源汽车都采用锂离子电池?

关键就在于,锂离子电池是目前能满足“六边形指标”的成本最优解。

一块好电池,不仅要在能量密度、电池寿命、充电速度上取得优势,还要通盘考虑安全、功率、成本。这六个因素被称为电池的“六边形指标”,能在各个方面都取得优势,才可能具备大规模应用的可能。 

在二次电池产业萌芽初期,锂离子电池凭借在能量密度和循环寿命上的优势,迅速从众多电池中脱颖而出。尤其在过去十年,随着新能源产业的高速发展,在技术的突飞猛进和商业规模化应用双重因素的推动下,锂电池能量密度提升了三倍,成本下降80%,实现了快充,循环寿命可以高达16年。锂电池因此也成长为一个规模超过400亿美元的庞大产业。

但就在7月29号,目前全球锂电池产量最大的宁德时代召开了史上第一次全球发布会,正式推出了第一代钠离子电池,瞬间引起市场热议。资本市场也迅速反应,在维持了多个月的上涨趋势之后,锂电池板块在发布会后立即出现了震荡,但很快又恢复了上涨趋势,宁德时代股票则继续走高。

钠离子的初次闪耀,意味着又一个预期差的消失。但市场依旧存在疑问,宁德时代在过去十年依托锂电池快速成长为行业龙头,此刻推出钠离子是否在“革自己的命”?钠离子电池本身又将如何改变新能源市场?

一切的答案,还要从钠离子电池本身说起。

为什么是钠离子?

其实,早在二十世纪七十年代末,钠离子电池的研究几乎是与锂离子并排起步的。

钠离子电池有太多技术困难要解决。从原理来说,钠离子比锂离子大且重,这不仅容易造成电极材料体积膨胀或失活,还会导致钠离子电池成品能量密度低、循环寿命短。要克服钠离子电池的先天问题,需要大量地投入来进行科研攻关。

受限于材料科学的限制,以及投入研发的不足,在当时市场对电池的巨大需求下,更容易入门的锂电池迅速成为了主角,相关资源也逐渐倾斜到锂离子电池的深度研究中,钠离子电池的发展陷入了缓慢和停滞状态。

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所以,钠离子电池的路一直都在,只是因为其荆棘密布而少有人走。但在这次宁德时代时长不过短短10分钟的发布会,却像是突然打开了远光灯,重新“照亮”了钠离子电池的前行之路。

关于宁德时代第一代钠离子电池,不用过多赘述,最引人瞩目的数据,就是电芯单体能量密度达到了160Wh/kg。虽然距离磷酸铁锂的210Wh/kg和三元锂电池的300Wh/kg还有差距,但相比以往的120Wh/kg已经是重大进步。取代铅酸电池,应用在小规模储能领域,以及低速电动车和两轮车这样的场景上已经毫无问题。

宁德时代同时预告了第二代钠离子电池的电芯单体能量密度将超越200Wh/kg,在媲美磷酸铁锂的基础上,可以更好的支持新能源汽车的行业发展,以及更多大规模储能落地应用。

此外,钠离子电池支持电池完全放电后,不带电运输、储存、回收。即使遇到热失控状态,钠电池的温度也比锂电池低得多,引发起火的概率相对更低。

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宁德时代第一代钠离子电池还展现了优异的低温性能和快充性能,在-20°C低温环境中,仍然有90%以上的放电保持率;同时常温下15分钟就可以充至80%以上,为应用前景提供了充足的想象力。

性能如此优秀,市场自然好奇,宁德时代是如何解决钠离子电池的天然短板的?

站在巨人肩膀上的钠离子电池

宁德时代内部对于电池有一个六边形评价标准:安全性、自控温、高比能、超快充、长寿命、智管理。任何新产品都将在这个体系下经受评估。

钠离子电池在安全性和超快充上自带优势,但在高比能和长寿命上则面临较高的技术门槛,这也是第一代钠离子电池面临的最大技术难点。

根据宁德时代董事长曾毓群在发布会上的介绍,钠离子电池研发中,宁德时代投入了大量的研发资源,利用了高通量计算平台和模拟仿真技术,可以在原子级别上对材料进行模拟计算和设计仿真。

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通过这套研发体系,宁德时代可以“精准创新”,最终在第一代钠离子电池上,选用普鲁士白为正极材料,自主开发了适配钠离子特性的硬碳作为负极,提升能量密度的同时,解决了钠离子电池在循环过程中容量快速衰减的世界难题,实现了“高比能”和“长寿命”,攻克了产业化的最后一关。

在自控温和智管理层面,宁德时代则站在锂电池研发经验的基础上再发挥,更好地定义了钠离子电池的产业化应用。

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发布会期间,宁德时代展示了首代应用钠离子电池的新能源汽车电池包,它最大的亮点就是“不怕冷”,将锂离子电池和钠离子电池混合成组,由宁德时代的电池“智管理”技术来驱动,通过自主研发的BMS 精准算法,对电池实现精确的均衡控制,让两种电池在自己适合的条件下发挥最大作用,取长补短。不仅发挥了锂电池在能量密度上的优势,又叠加了钠电池的低温、快充的系统特长。

这离不开对锂离子电池研究经验的成功借鉴,更离不开对钠离子电池本身优势的不断探索。

或许是宁德时代第一代钠离子电池在参数和性能上过于优秀,市场上很快出现了一种观点,认为钠离子电池未来会替代锂离子电池。

在宁德时代看来,钠离子电池对锂电池并不是单纯的替代关系,它最大的意义,在于为新能源产业提供了更丰富的选择,和梯度化产品的可能性。钠离子电池与锂离子电池各具优势,共存互补,共同做大新能源产业的蛋糕,既能够确保产品应用的强力支撑,更重要的是确保了能源变革的安全。

宁德时代的担当

回到文初的问题:宁德时代是锂电池市场当之无愧的龙头,为什么要投入如此多的资源研发钠离子电池?

根据彭博新能源财经的预测,2030年,交通和储能对锂离子电池的需求将激增至5.9Twh,但2020年动力电池和储能电池的市场规模只有174GWh,这中间是可见的34倍成长空间,换算下来是未来10年年均30%速度的复合增长率。

这么大的市场空间都由被称为“白色石油”的锂来填充,那么中国锂矿储量不足的问题,对锂矿进口的高度依赖,必然会形成新的能源安全风向,甚至会让我国正在领先的新能源变革进程,面临类似半导体行业当下的“断供”风险。

我国的锂矿进口主要由澳大利亚和南美地区供应,地缘政治和新冠疫情已经直接影响到了锂矿的架构走向。根据国海证券的《锂行业深度报告》,碳酸锂价格从2020年底部3.8万元/吨的价格,已经迅速上涨至当前超过9万元/吨。行业普遍认为这样的持续上涨态势将至少持续到2022年。

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7月15日,国家发展和改革委、能源局联合发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》,其中着重提到“新型储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备”以及“扶持钠离子电池产业”,这标志着钠离子电池将成为国家下一步重要的储能发展方向。

同样地,在2020年,美国能源部公布的国家电池研究计划中,明确说明要将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划 “电池2030”项目公布了未来重点发展的电池体系中,也将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。

之所以各国在钠离子电池发展方向上形成“共识”,一来是因为原材料,钠不仅在海洋中随处可得,提纯也更环保更容易;其次,钠离子电池的阳极集电器也可以从昂贵的铜更换为更便宜的铝;以及目前在宁德时代钠离子电池方案中已经展现出来的,包括快充、安全性等一系列优点。 

在锂电池大规模应用的当下,全面投入未来更具竞争力的电池研发已经成为广泛的共识,在国家科研体系必然需要承担这一重任的前提下,宁德时代也毅然决然地投入到了这场暗线战争之中。

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从本次官宣的细节中,你完全能感受到宁德时代的钠离子电池路线是有备而来。首先是“平滑过渡”:根据宁德时代研究院副院长黄起森介绍,目前钠离子电池可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的完美兼容,无缝衔接,快速完成产能布局。由此可见,上游供应链只要建立了正负极材料等产业链,钠离子电池产业化可以复制甚至嫁接成熟的锂电池工业化体系。 

在时间点上,宁德时代也非常有信心,官方表示“已启动钠离子电池的产业化布局,2023年前将基本形成产业链,欢迎相关研究机构、上游材料供应商和下游电池应用端一起参与,共同加速钠离子电池产业链的完善和发展。”

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从行业竞争的角度来看,钠离子电池的意义也非常重大。宁德时代在欧洲市场已经与LG、松下、三星这些传统海外巨头短兵相接。短期市场内,锂电池的产品性能和产能是竞争关键,但长期来看,与这些国际电池老牌巨头的竞争最核心的恰恰是技术,尤其是钠离子电池这样自带“颠覆性”的技术,有助于宁德时代实现电池性能和成本的综合超越,对竞争对手实现降维打击。

在企业和行业之上,还有国家,尤其是瞄准2060实现碳中和的中国。最近几年整体新能源的建设不断加速,风力发电、光伏发电等清洁能源,政策不断扶持加码的新能源汽车,都是为了实现碳中和这一终极目标。为了能够最大程度利用清洁能源,让拥有14亿人口的庞大中国持续高速发展,化学储能电池的重要性不言而喻。

而宁德时代所在做的,正是以一家企业的力量,在进军全球市场,持续巩固全球动力电池龙头老大地位的同时,不断加大自身的研发投入,将最先进也最有前景的化学储能技术掌握在自己手上。从这个角度来说,宁德时代自身的价值,远非产品所带来的利润可以衡量。

因为这些技术在帮助宁德时代继续前行的同时,也必然会为中国整体的能源变革提供强大的推力。