本月21日,欧洲最大的电池制造企业宣布,他们已经开发出了第一代钠离子电池!

目前,该款电池的主应用领域是储能,等之后开发出密度更高的新产品后,将会应用到电动汽车领域。这意味着电池界将掀起一场新革命,一直以来电动车的“续航短”、“勤充电”等缺陷,在钠离子电池的面前,那都不成问题!

这家电池企业又是什么来头呢?它坐落于瑞典,成立于2016年,是欧洲地区近年来最富盛名的电池制造企业。

值得一提的,新产品跟国内宁德时代在2021年发布的产品基本一致。而国内的宁德时代,已经在规划今年要建立起钠离子电池的产业链。

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无论是电动自行车还是电动车,之前所主要应用的是锂电池。在细分类中,锂电池又分为磷酸铁电池、三元电池和锰酸锂电池,如今这三类才是电池界应用的主流。

而近年来随着锂电池不断出现的火灾事故,同时又因为锂价格的高涨不下,从而使得电池制造企业,开始寻求其他的代替产品。

因此,钠离子电池应运而生。经过了两年左右的发展,它的多种优势不断在与锂电池做着对比,同时因为制造钠离子电池的原材料相对普遍,所以看似取代锂电池的地位就只是时间问题了。

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不过,另一方面的锂电池制造企业,同时也因为产业链的转型而游移不定。至少随着锂价格的波动下降,又让不少企业看到了锂电池在未来的优势。

那么,钠离子电池和锂电池争夺“一哥”地位的背后,究竟还有哪些元素?未来的发展走向又会怎么样呢?

钠离子电池是什么电池?

钠离子电池是什么电池?

说到钠离子电池,根据宁德时代2021年的介绍,它的电池电芯单体能量密度达到160Wh/kg;常温环境中充电15分钟,电量可达80%以上;在-20°C低温环境中,拥有90%以上的放电保持率;系统集成效率可达80%以上。

不仅如此,钠和锂在地球上的含量也截然不同,钠在地壳中的丰度几近是锂的400多倍。俗话说,物以稀为贵,这意味着在成本上,钠离子电池相较锂电池也有非常显著的优势。

而从研发时间来看,它和锂电池几乎是同时起步,都是从上世纪的1980年代开始被研发的。

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只不过锂电池技术很快取得了进展,但受限于技术等因素,钠离子电池随后经历了近20年的沉寂。一直到21世纪初,技术层面上,最关键的“硬碳负极材料”被突破,相关的研究才有重新开启。

然而到了此时,锂电池早已形成了产业链,将钠离子电池远远的甩在后面了。这正是两者从起步到距离拉开的阶段。

钠离子电池,依靠正极和负极之间的移动来进行充放电过程,所依托的就是钠离子本身。简单来说就是,充电的时候钠离子本身从正极前往负极。而在放电的过程中,正好是反过来运行。

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相比锂电池,钠离子电池的类型更多。有水系、有有机系、钠空气系、钠盐系、钠硫系等多种。

对比来看,水系和有机系的电解质有所差异,因此电解质的安全系数较高。其他类型的钠离子电池,所用组成材料以及电解质也有差异。

性能和优势对比

性能和优势对比

钠离子电池的应用比锂离子电池晚,要想做到后来居上,它需要具备真正超越前者的优势才行。而要说钠离子的电池,又得说一下锂电池在应用领域的具体情况。

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根据2022年前10个月的数据显示,国内因为电动自行车而引发的火灾有1.8万起,相比以往增长了25.7%。

这些火灾事故,有的是充电过程引起火灾,有的是电池多年老化引发火灾,有的是自行改装导致电池和充电器不匹配引发火灾,最后一类则是电池自身存在的安全隐患。

在业内人士看来,前三类的事故虽然多发但不是关键,真正起决定作用的,还是因为电池本身的安全系数不够。而这个问题,在锂电池领域已经存在多时了。

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锂电池的优势是充电快,相比于更老的铅酸电池重量轻,并且使用寿命更长。在2018年电动自行车发布了新国标后,由于严格限制了车辆整体的重量,所以锂电池的应用才更进一步的起步了。然而,锂电池的安全性能始终是一个悬而未决的事情。

锂电池的三种主要类型中,锰酸电池因为循环性不好,导致其衰减较快,往往充放电800次左右,电池的容量就衰减到80%以下了。同时这类电池不耐高温,45℃暴露时间较长,使用寿命也会大幅度下降。

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循环性高是碳酸电池的特点,其充放电次数可以达到两千次以上,不过它不耐低温,尤其冬天使用的时候掉电厉害,在使用体验上不是很好。

三元锂电池的特点是能量密度高,可它有一个最大的缺点就是安全性差,一旦短路,发生燃烧和爆炸的概率要比前面两类还要高。

而从整体上来看,三种锂电池也有一个最大的通病。低温状态下的充电时间变慢,而且安全系数下降。

因为锂电池中使用的是有机电解液,这类物质在低温状态下粘稠度增加,从而使得电导率下降。这种情况下,会产生一种具有破坏性的锂枝晶。

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锂枝晶会持续降低电池的容量,而且它会以不断生长的状态扩大,当它持续生长并刺穿隔膜,就会引起正负极短路,进而导致起火爆炸。

而在发生事故后,内部的电解液就像汽油,只要看到明火就会拼命燃烧。与此同时,锂电池内部隔膜的耐热性能在140℃到180℃之间,如果超过了这个温度,组成的聚合物材料会从固态转变成流动态,正负极一旦直接接触,剧烈放电也会引发爆炸。

对比之下,钠离子电池的安全系数高,无论是充放电过程中的短路,还是充电时间过长等情况,都不会引起爆炸和起火等反应。

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而且相比于锂电池,在高温或者低温状态下展现出来的不同差异,钠离子电池的性能更稳定,无论是高温还是低温,其充放电的性能都很稳固。

从材料来看,锂的储量不如钠丰富,后者丰富的储能,使得钠离子电池一旦形成产业链,就会让电池制造的成本更进一步下降。

钠在提炼方面也相对简单,相比于价格在高位的锂电池,成本将会是未来钠离子电池的最大优势。

不过,虽然安全系数高,材料成本低且获取便捷,但是在使用性能上,钠离子电池也有美中不足的地方。

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那就是钠离子电池的能量密度比较低,不过整体对比来看,它的能量密度虽然比不过三元锂电池,但和锰酸电池类似,性能上也能追上磷酸电池。

所以综合安全系数和性能来看,钠离子电池的未来发展优势还是很大的。尤其对消费者来说,安全系数的高低,也是对某款产品青睐与否的关键环节。

然而目前的情况是,锂电池因为形成了完整的产业链,大量的电池制造企业,成了推广钠离子电池最大的“拦路虎”。

游移不定的制造商

游移不定的制造商

钠离子电池近年来之所以能异军突起,最大的一个原因,是锂的价格暴涨,导致产业上下游出现了某种恐慌的心理。

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然而,商人万年不变的趋利心态,使得他们发展钠离子电池的心态一直在摇摆。最显著的表现就是,当锂的价格在高位运行的时候,他们恨不能马上把所有的产业链转变成钠离子电池。

可今年以来,随着锂价格的回落,大量的制造企业想要转型的态度又变了。从市场整体的情况来看,之前强调钠离子电池安全性的论调变少了,取而代之的是更多强调现在锂电池已形成了完整的产业链,如果转型并不容易。

从成本上来看,以碳酸锂的价格为例,价格维持在每吨20万元以上,钠离子电池的边际成本就会有24%的优势。但是碳酸锂的价格如果下降,钠离子电池的边际成本优势也会降低。

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价格下降到10万元每吨,后者的优势将回落到12%。如果继续下降到每吨5万元,其边际成本优势也就只剩5%。

因此从逐利的本性看,一旦锂的价格回落到正常的水平,大量的电池制造企业就会转变心态,继续维持原有的模式不变。因为从成本和收益的角度去看,维持现状要比去做整体的改变好多了。

也正因为这种特点,在钠离子电池的技术攻关上,只有业内的头部企业才有能力和动力去做。

技术和产业链层面的上升空间

技术和产业链层面的上升空间

国内的电池一哥宁德时代,2021年就开始涉足钠离子电池的研发。今年有新产品的出现,而且还是搭载到电动汽车上使用的。

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今年2月的时候,国内第一台搭载了钠离子电池的汽车完成了试验。之后宁德时代又表示,其生产的钠离子电池将跟奇瑞的汽车展开合作。

虽然已经开启了发展,但毕竟还是起步阶段。在技术层面,也能始终认为,钠离子电池的密度问题还是最大的短板。

同等的情况下,钠离子电池的能量密度只有300Wh/kg,而磷酸电池的这一数据在360到380之间。所以有观点就认为,钠离子电池目前还未完成真正的突破,技术上的更进一步,至少还需要三到五年的研发时长。

技术之外,再有便是产业链的不完善。虽然像宁德时代这样的头部企业开启了研发的先河,可是他也无法左右整个行业内上下游产业链的选择。

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在生产层面,目前钠离子电池的生产,可以兼容锂电池的生产线,但是完整的供应链还没有形成。从材料到设备的标准,再到技术路线的不同,目前业内对于钠离子电池都还没有形成共识。

所以,技术和工业链领域的上升空间还很大。就像有一个业内人士所比喻的那样,他们长久以来一直在用钢笔书写,现在突然要转变成毛笔书写,肯定会不适应的。

结语

结语

那么,钠离子电池的未来在哪里呢?业内人士也并没有完全宣布其死刑。因为不可否认的是,钠离子电池的高安全性、长寿命、低成本的特点,无论如何是锂电池不能比拟的。

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比如在银行和通讯运营系统,因为锂电池的安全性迟迟不过关,不间断电源也没有得到大力推广,所以这两个领域在电池的使用上,目前还是以安全系数高的铅酸电池为主。

所以有业内人士就认为,未来一段时期,钠离子电池的应用,应该跟锂电池并线存在,逐步取代铅酸电池后,成为锂电池在某些领域的互补产品。

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究竟会不会沿着这条道路发展,目前还不得而知。如果钠离子电池在未来的技术得到进一步提升,结合原本就存在的优势,它或许还是能反超锂电池的。现在的情况,一切都还不明朗。