鈉離子電池究竟是何方神圣?與鋰離子電池有何不同?

? 保護板新聞 ????|???? ?2021-08-04 08:07
7月29日,寧德時代預熱許久的鈉離子電池終于登場,憑借著多番優勢,一經發布便引發業內嘩然,一時間,關于鈉離子電池的討論甚囂塵上,連帶鈉離子電池概念股也在寧德時代發布其鈉離子電池預告的前后幾天勢如破竹,創下多股漲停的不菲戰績。那么鈉離子電池究竟有何過人之處?它的出現又會對鋰離子電池產生什么樣的影響?且看SMM深度解析。

鈉離子電池究竟是何方神圣?

與鋰離子電池有何不同?

鈉離子電池與鋰離子電池類似,是一種二次電池(充電電池),主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作。

相比于鋰離子,鈉離子在關鍵的電化學性能能量密度方面表現偏弱。據公開資料顯示,鈉離子電池的工作電壓為2.8-3.5V,在現有材料體系下的能量密度僅為100-150WH/KG,這一數據雖然高于鉛酸 電池的2V與40-50WH/KG,但遠低于目前的鋰離子電池的工作電壓3.0-4.5V以及150-250WH/KG的能量密度。

而需要注意的是,目前大火的新能源汽車動力電池,更傾向于追求高能量密度和高續航里程的電池,因此從電化學性能能量密度這一方面來看,鈉離子電池因其能量密度低的特性,很難取代鋰離子電池成為主流路線。

此外,鈉離子的半徑也遠高于鋰離子,這同樣會成為限制鈉電池發展的重要因素。主要從三方面來看:

一是與負極材料的嵌合度。眾所周知,電池的充放電過程本質上便是離子的脫嵌在入嵌的過程,而這也要求電池的正負極中都需要有儲存離子的材料。在鋰離子電池中,負極處大多用的都是石墨負極,而由于其本身的蜂窩狀結構,其石墨層可以很好地與鋰離子嵌合。

但是鈉離子的半徑卻遠高于鋰離子,這也意味著,鈉離子不可能完全嵌入石墨結構,而若是采用可嵌入的硬碳或其他負極材料,也會極大影響電池整體的能量密度。這對于追求高能量密度電池的新能源動力電池而言并不友好。

二是拉低電池整體的充放電性能。因為鈉離子半徑比之鋰離子更大的特點,導致其在電池結構中遷移速度慢,移動速率低,這也意味著在同一規格下,鈉電池的充放電循環相對鋰離子電池而言需要更長的時間周期,拉低電池整體的充放電性能。

最后一點是影響電池循環壽命。因為鈉離子的半徑較大,其在充放電嵌出嵌入過程中相對鋰離子而言更容易導致電極材料體積膨脹,部分鈉離子在嵌入的過程中無法順利嵌入,導致不可逆的電池容量損失,電池衰減速率上升,影響電池本身的循環壽命。

不過即便鈉離子電池相對于鋰離子電池有上述諸多不敵之處,但鈉離子電池的隆重問世,就足以證明其有存在的意義。在SMM看來,鈉離子電池最大的優勢還是在于成本。隨著新能源產業的快速發展,疊加近年來3C,小動力等領域需求也有所放量,鋰電池行業整體對上游資源的需求量也與日俱增,在一定程度上形成資源擠兌局面,碳酸鋰,硫酸鈷等多種原材料價格大幅上行。據SMM歷史價格顯示,僅是碳酸鋰價格,便已經從2020年年底的51500元/噸漲至如今的89000元/噸,漲幅高達72.8%。而硫酸鈷的價格,也從年底的57500元/噸,漲至如今的81000元/噸。由此不難看出,上游原料端本身資源存儲量有限的情況,是助推價格上漲的主導因素。

而據了解,鋰離子的地殼豐度僅為0.0065%,且其中可經濟開采的資源量有限,高低品質差異較大,同時還存在嚴重的分布不均的特點,其中優質資源多集中的南美、澳洲等地,這也使得我國作為全球主要的鋰資源消耗國,但卻高度依賴進口原料供應。

但與之相對的,鈉離子在地殼豐度達到了2.75%,遠高鋰離子的0.0065%,且全球分布相對廣泛,這也使得鈉離子電池在產業形成規模之后恐在原料成本方面相對鋰而言更具有優勢。

寧德時代鈉離子電池有何“過人之處”?

據寧德時代發布會公布的電池性能信息來看,這款電池可謂亮點頗多:

1. 能量密度方面,據寧德時代數據顯示,其第一代鈉離子電芯的單體能量密度將達到驚人的160Wh/kg,為全球最高水平,相對于當前鈉離子電池行業普遍能量密度的120-130wh/kg提升了約30%。

2. 優異的快充性能,該電池在常溫下快充15分鐘能夠充至電量的80%,同時低溫性能優異,在零下20度的低溫環境下,同時熱穩定性優異,容量保持率在90%以上。

3. 該電池的系統集成效率可達80%以上,同時可以與鋰離子的電池混合通用,將兩種不同的電池混搭,串聯,并通過BMS實現精準控制。

4. 制造工藝:當前鈉離子的制造工藝鋰離子電池類似,其設備可通用。同時,這一數據已經接近當前磷酸鐵鋰的能量密度水平,遠超鉛酸電池的50wh/kg。

鈉離子在未來可能會應用于哪些場景?

首先是兩輪車電池端,雖然寧德時代發布的鈉離子電池遠超行業平均水平,但是距離磷酸鐵鋰與三元鋰電池仍有一定的差距,在其能量密度獲得突破性進展之前,在汽車端較難進行大規模應用。不過對于主要定位于進行中短距離移動,且終端客戶對價格極為敏感的兩輪車電池而言,鈉離子電池或許是一個不錯的選擇。

二是在高緯度地區的應用。這點要涉及到鋰離子電池在低溫環境下性能降低的特點,據悉,鋰離子電池由于其自身特性原因,在寒冷的場景下極易發生活性降低,內部化學反應速率變慢,容量保持率大幅降低的情況,因此,在高緯度地區,鋰離子電池的應用受到極大限制。但反觀鈉離子,有數據顯示,鈉離子電池在-20℃的環境下仍有90%的放電容量保持率,在-38℃仍可以正常使用,同時無需進行特殊優化,成本也將得到有效的控制,該特性在一定程度上拓寬了電池的使用場景,填補該領域的空白。

三是儲能領域。相比于此前儲能領域如5G基站多采用鉛酸電池的情況,兼具能量密度高,循環壽命長,安全性能高,成本較低等優點的鈉離子電池,在全生命周期成本的角度優于鉛酸電池,有望成為儲能領域鉛酸電池的優質替代品。而其具有的優秀低溫性能與混搭特性可讓廠商依據當地的溫度環境,發電量用電量,使用場景等進行靈活的選擇。

四是換電領域,在當前國家大力發展換電模式,各大車企也多有向該方向布局的情況下,鈉離子具有的低成本的特性在一定程度上可以降低換電站的建設成本,在總投資不變的情況下提高換電站平均電池儲備量,同時其相對鋰離子電池更為優秀的快充性能縮短充電所耗時間,提高電池的周轉率與換電站的日服務能力,便于廠商縮短投資回收期,加快換電服務進程。而這一點對于兩輪車換電領域也是同樣適用。

鈉離子電池是否會取代鋰離子電池的地位?

機構評論:

在寧德時代首次宣布將發布鈉離子電池后,針對業內關于“鈉離子電池是否會取代鋰離子電池”的疑問,中泰證券表示,鈉離子電池不改鋰中長期高景氣。中泰證券認為,鋰離子電池仍是新能源電池主流技術路線。

國泰君安證券表示,我國鋰資源70%都需要進口,鈉離子電池是對鋰離子電池的支撐和保障。發展鈉離子電池的主要場景是基站、電動自行車等對能量密度需求不高的領域,未來有望具備成本低、安全性好等優勢,是三元高鎳技術路線的很好補充。

華金證券認為,鈉離子電池仍處于產業化初期,產業化之后有望實現對部分低能量密度的動力鋰電池市場和儲能市場實現替代。

東北證券則認為,鈉離子電池與新能源車電池需求匹配度低,暫無替代鋰電池成為動力領域主流技術的可能性。

華安證券也表示,鈉離子電池的低能量密度及循環性能對應更多的輔材消耗以及更高的度電成本。除去規?;蛩刂?,鈉離子電池的降本之路仍然面臨重重阻礙。

另,平安證券稱,鑒于鈉離子電池本身能量密度較低且提升空間有限的情況,因此其在行業內更多地扮演新能源細分領域替代者的角色,有望率先在對能量密度要求不高、成本敏感性較強的儲能、低速交通工具以及部分低續航乘用車領域實現替代和應用,對中高端乘用車市場影響十分有限。

SMM獨家評論

考慮到鈉離子的種種特點,SMM認為,當前,鈉離子電池雖然還仍處于產業化初期階段,但就目前寧德時代公布的信息來看,鈉離子電池優點較為突出,即便其在能量密度方面依舊與鋰離子電池有一定的差距,暫時無法應用于對能量密度要求較高的新能源汽車領域,但不可否認的是,其具有的成本優勢,快充性能,低溫性能等使其可以與鋰離子電池實現差異化定位,在兩輪車,儲能,換電,及部分高緯度場景有望實現對鋰離子電池的部分替代。