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      鈉離子電池,東風已至

      2022-10-30 19:14:20 來源:格隆匯APP


      【資料圖】

      “如果大家都在觀望一個領域,它可能是機會;如果大家都已經開始做了,可能就不是機會了”。

      十二年前,師從中國“鋰電池之父”—陳立泉院士的胡勇勝歸國投身鈉離子電池的基礎研究,

      當時鋰電池無論是研究還是產業化進展均已領先鈉離子電池接近一二十年的時間,鈉離子電池在應用上相對鋰離子電池又存在性能劣勢,產業化前景渺茫。

      “全世界的電能都用鋰離子電池儲存,根本不夠,鈉離子電池是首選?!庇辛岁惲⑷菏康闹С?,胡勇勝埋頭沉潛。

      彈指一揮間,從國內首輛低速電動車,第一座鈉電池儲能電站,鈉電池光伏儲能系統,再到全球首條鈉離子電池規?;慨a線,胡勇勝團隊完成了從基礎研究,到產業化,再到工程化階段的的一系列摸索,期間誕生了中科海鈉。

      前人鋪好了路,即將邁入2023年,能夠大規模量產鈉離子電池的企業已經不止中科海鈉一家了,鈉電產業鏈也日臻完善,多種技術路線并舉。

      01

      “鈉鋰”相爭

      縱觀人類商業進化史,適應度更強的技術組合,才有資格被選中參與到產品的革新中去。一些在競爭中失敗的技術并沒有就此被淘汰,而是厲兵秣馬,等待下一個技術周期的機會。

      即將邁入量產紀元的鈉離子電池也曾在與鋰電池的競爭中敗下陣來。

      鋰、鈉兩種電池,猶如一母雙胞胎的兄弟倆,兩種元素在周期表上的臨近,決定了其相似的化學性質。從上世紀七十年代開始,兩種電池的研究幾乎同時起步,直至鋰電池成為了電池界的寵兒。

      結合軟碳負極和鈷酸鋰正極制造的第一款能夠正常工作的鋰離子電池,在90年代由日本索尼公司率先進行了商業化。而鈉離子電池由于半徑比鋰離子電池偏大等原因,在能量密度、循環壽命等重要特性上被鋰電池甩開了一個身位。

      同期,陳院士正在國內探索鋰電池的產業化道路,1997年帶領團隊建設了中國第一條鋰電池中試生產線,推動了鋰電池在國內電動汽車領域的研究。

      當鋰電池加速商業應用時,鈉離子電池的研究方興未艾,進度仍然緩慢。

      在2000年發現鈉離子在硬碳負極材料有良好的嵌入性能,然而這一發現并未立即燃起對鈉離子電池量產的熱潮,顯然此時成本壓力還未劇增的鋰電池廠商缺乏尋找替代路線的動力,鈉電池就此沉寂。

      2010年后,下游消費電子、智能硬件、電動汽車等領域的迅速發展創造了巨大的鋰電池需求,一些科學家預見了鋰資源短缺的問題。

      事實如此,鋰電池中的鋰元素在地殼中的豐度僅有0.0065%,甚至不如電池里的鎳和鈷元素,且大多數分布在美洲。相比之下,鈉元素(2.75%)則要富裕得多,儲量分布也更為均勻。

      元素成本占據了電池成本很大比重,當規模制造不斷突破極限時,資源短缺會給產業鏈成本造成巨大的壓力。

      科學家希望用更廉價的鈉替換鈷、鎳、鋰,同時能夠發揮與之媲美的性能,于是鈉離子電池重新回到了技術商業化的領域里。

      2011年,胡勇勝博士深造回國后,應陳院士的邀請回到了中科院物理所工作,研究方向上選擇了當時冷門的鈉電池,盡管當時鋰電池發展得如日中天,使得研究鈉電池看上去是一件浪費經費和人力的事情。

      而同樣的執著也曾見于陳院士身上,當初中國大力發展氫鎳電池時,鋰電池的專項計劃本被排除在外,正是在陳院士的堅持下,鋰電池才進入了國家863計劃電動汽車重點專項,這一轉折為中國鋰電池產業提供的機遇不言而喻。

      “做用戶最需要的鈉離子電池,這輩子只做一件事”。6年后,他領導研發的一款低成本鈉離子電池完成了中試試驗。那個時候,陳院士的另一位弟子—曾毓群已經帶領寧德時代(行情300750,診股)坐上全球動力電池的頭把交椅。

      為了完成產業化落地,陳院士便拉著胡勇勝和學生唐堃一起,促成了中科海鈉的成立。

      2017年至今,中科海鈉用將近6年的時間,實現了從電極材料的基礎攻關到搭建電芯產線,投產運營,先后將鈉離子電池成功應用于電動自行車、低速電動車,光伏儲能系統,完成了鈉離子電池從0到1的階段。

      由于與鋰電池工作原理相同,鈉電的產業化基礎也是尋找成本更低,整體性能更接近鋰電池的材料組合。

      鋰電池常用的活性元素為鎳和鈷,但成本較高,胡勇勝團隊發現銅元素在鈉離子電池中具有活性,相較鈷、鎳成本更加節約,成功研制出了銅基鈉離子層狀氧化物正極材料。這種正極材料的制備方法可借鑒鋰離子電池常用的的固相法或共沉淀法,實現低成本規?;a。

      在負極材料上,前面提到過,硬碳的使用令鈉離子電池具有更好的嵌入性能,通過對碳源前驅體進行的調研,團隊發現無煙煤的成本價較低,制備硬碳負極材料降本效果更好,基于此團隊研制出了無煙煤基鈉離子電池負極材料。

      另外,由于鈉離子不與負極的鋁離子發生化學反應,鈉離子電池正負極兩邊的集流體使用的都是鋁箔,這一點有別于鋰電池正極鋁箔,負極用銅箔的要求,好處是降低了電池重量和成本。最終,鈉離子電池成本大概能夠實現30%-40%的降幅。

      02

      東風已至

      囿于整體性能尚未追上鋰電池,鈉電池目前還只適用于低速兩輪車、A00級乘用車以及中低容量的儲能領域。

      當前鈉電池能量密度能達到145Wh/kg, 是鉛酸電池的三倍左右,而磷酸鐵鋰、三元鋰電池的能量密度基本能達到160Wh/kg以上;循環壽命上,根據不同溫度條件,磷酸鐵鋰能夠達到3000-10000次,鈉離子電池的循環壽命大概在1000-4000次。

      但要將鈉離子電池更大規模地推廣,當前的性能水準無疑是需要再上一層的。原因在于這些應用場景普遍有著對于循環壽命的門檻,例如電動車要求2000次,大型儲能的門檻大概在5000次左右,而鈉電池的循環穩定性較差,最大極限值也有待提升。

      另外,大規模推廣需要兼顧成本。極低的理論生產成本并不代表就一定能實現,實際制造成本還有賴于規?;a進一步降低,只有當產能逐漸提升至GWh規模以上時,鈉離子電池材料成本優勢才顯現得出來。盡管在技術要求上兩輪自行車不及A00與儲能,但對價格接受程度上,A00電動車要更容易推廣一些,而兩輪自行車對價格更加敏感。

      如今,產業化東風漸至。

      鋰、鈉電池擁有相似的產業鏈結構,生產工藝,鋰離子電池的產業化經驗可以被借鑒。而國內擁有規模最大,技術最為完備的鋰電池產業鏈,在一些電池材料的生產上可以沿用現有鋰離子電池體系。例如電解液的制備方式就與鋰離子電池類似,區別僅是原料用鈉鹽取代了碳酸鋰,頭部電解液企業也掌握了鈉離子電解液的技術儲備。

      并且,規模與技術經驗上的優勢使跨界的鋰電廠商能夠發揮行業Know How,幫助鈉離子電池的產業鏈完善,加速產線建設、投產、爬坡。因此鈉電池在性能迭代效率上有望更加快速,經由市場驗證之后也能更快調整和適應下游的需求。

      2021年中科海鈉和華陽股份(行情600348,診股)共同打造了全球首個1MWh鈉離子光伏儲能系統。同年獲得了數億元的A輪融資,用于搭建年產能2000噸的正負極材料產線。今年7月,與三峽能源(行情600905,診股)合作的全球首條1GWh(總規劃產能5GWh)鈉電池規?;慨a線正式投產。

      自2021年7月份推出首款鈉離子電池以來,寧德時代也正在推進鈉離子電池在2023年實現產業化。

      在股市上,鈉離子電池概念碰之則火,成為市場炒作最受關注的熱點題材,大量相關概念股因此市值得到大幅飛漲。其中熱度最高的傳藝科技(行情002866,診股)從產能建設到投產只花了不到一年時間,市值就被炒翻了3倍。

      但詭異的是,10月27日,傳藝科技宣布中試線正式投產,并公布鈉離子電池產品。并且還在不斷上規模,原計劃一期建設2GWh鈉離子電池,二期建設8GWh,現在將部分二期產能前置,一期增加到了4.5GWh。利好消息公布后,股價不漲反而出現了連續兩日跌停。有報道稱大跌原因或與市場質疑其電池數據存在造假有關,對此該公司已經進行否認回應。

      回顧該公司自從宣布切入鈉離子賽道以來,各種質疑聲音就一直未停,如今真相如何,目前難以分辨。

      但這也可以看到,資本對鈉離子的追捧和炒作,已達到了熾熱的地步。

      03

      未來想象空間如何?

      要看鈉離子電池能否順利適應下游需求,而走上量產,商業化驗證只是第一步,隨后仍需快速地實現性能迭代。另一方面,又要保持對鋰電池的成本優勢,既有賴于鈉離子降本的努力,這一點能夠從傳藝科技增加產能規模的舉動看出,還受鋰資源價格走勢的影響,即當鋰鹽價格走向下降通道的時候,鈉離子電池是否還能保持得了性價比優勢。

      中科海鈉計劃將鈉離子電池的能量密度進一步提升至180-200Wh/kg,同時將循環壽命提高8000-10000次。今年5月份,國外鈉離子電池制造商Natron Energy更是宣稱其設計研發的電池循環壽命超過了5萬次,能夠在8分鐘內完成內完成0%-99%充電。

      按照目前的循環壽命范圍,鈉離子電池僅適用于一些低速電動車,通信基站、數據中心等中小型儲能領域。假如未來在這些領域的滲透率能夠提升至20%-30%,參照興業證券(行情601377,診股)測算,2025年鈉離子電池裝機規模約能到32.6GWh。假設滲透率能夠達到100%,根據EVTank數據,2026年理論市場空間可達到369.5GWh,市場規?;驅⑦_到1500億元。

      時光倒流至2013年,當時一家全球知名的鋰電池企業評估過胡勇勝博士的鈉離子電池技術,評價并不看好,當時的碳酸鋰價格也僅4萬多/噸,與現在的價格相差了十倍不止。

      發展鈉電的歷程恰好說明,單單押注鋰電池一條技術路線,未來新型能源的發展仍有可能陷入資源緊缺,價格成本飛企的囹圄中。

      鈉電推廣的優勢體現在,釋放鋰電池對高端用電場景的供應壓力,借助低成本優勢滿足下游其他領域的裝機需求。作為鋰電池的“平替”, 鈉電池從1到n之路能否繼續跑通,我們拭目以待。

      關鍵詞: 鋰離子電池 循環壽命 能量密度

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