鈉離子電池：“備胎”轉正何日可期？

　　 “許多人對鈉離子電池寄予厚望，您怎么看待它的前景？”在2021年騰訊WE大會期間，《中國科學報》記者將這一問題拋給了動力電池與儲能及燃料電池技術科學家王朝陽。

　　“鈉離子電池是磷酸鐵鋰電池的‘備胎’。”他簡單、直接的回答讓記者頗感意外。畢竟，鈉離子電池已經在國內引發極大關注。

　　“說它是‘備胎’，是因為其各方面性能與磷酸鐵鋰非常接近，除非后者的供應鏈遇到困難，從經濟或性能上有必要啟用鈉離子電池。”王朝陽說。

　　中國科學院院士歐陽明高也曾對《中國科學報》明確表示“鋰電池還會用很久”。目前鈉離子電池各方面性能還不能滿足高性能汽車使用要求，預計到2035年鈉、鉀離子電池性能大幅提升、比能量達到300瓦時/千克左右時，才會大規模進入市場。

　　面對被稱為“備胎”的鈉離子電池，中國還能抓住哪些機會？

產業布局熱火朝天

　　與前述科學家的分析對比鮮明的另一番光景是，市場上對鈉離子電池的產業化準備似乎都在“趕早不趕晚”，且布局者中不乏鋰電池上下游企業。

　　2021年底，國內鋰電龍頭寧德時代在投資者互動平臺上表示，公司的鈉離子電池產業化布局已經啟動，并將在2023年左右形成基礎產業鏈。

　　早在2021年7月，寧德時代就發布了其第一代鈉離子電池，并透露該鈉離子電池的電芯單體能量密度已經達到160瓦時/千克，在常溫下充電15分鐘電量可達80%，在零下20°C低溫的環境下，可實現90%以上的放電保持率。寧德時代還表示，其下一代鈉離子電池能量密度將突破200瓦時/千克。

　　有業內人士認為，寧德時代發布的鈉離子電池能量密度直追磷酸鐵鋰電池，用此電池可造出續航600公里、冬天“只打9折”的電動車，輔以更好的快充技術，“這樣的車型還成不了主流嗎？”

　　在鈉離子電池技術及產業化賽道上，還有科技“國家隊”的身影。

　　中國科學院物理研究所（以下簡稱中科院物理所）自2011年以來致力于安全環保、低成本、高性能鈉離子電池技術開發，已在核心材料方面獲得專利授權30項（多項專利獲得美國、日本和歐盟授權）。相關研發團隊開發出的具有自主知識產權的Cu基層狀氧化物正極材料和低成本無煙煤基負極材料，均為國際首創。

　　技術上的突破讓中科院物理所邁出產業化的腳步。2017年，國內首家專注于鈉離子電池研發與生產的高新技術企業——中科海鈉科技有限責任公司（以下簡稱中科海鈉）依托中科院物理所成立。次年，中科海鈉研制的鈉離子電池組首次實現了在低速電動車上的示范應用；翌年，研制出的鈉離子電池儲能電站首次實現了在規模儲能上的示范應用。

　　更具里程碑意義的是，2021年12月中旬，中科海鈉與三峽集團及阜陽市人民政府達成合作，共同建設全球首條鈉離子電池規模化量產線。該量產線規劃產能5吉瓦時（GWh），分兩期建設，一期1GWh計劃于2022年正式投產。

　　在二級資本市場，已有多家上市企業在2021年加入鈉離子電池賽道。據天眼查信息，山西華陽集團新能股份有限公司（簡稱華陽股份）聯手中科海鈉，專門成立生產鈉離子電池正負極材料的子公司，并展開一系列布局。鋰電池模組行業龍頭企業“欣旺達”，在投資者互動平臺披露其很早以前就開始了鈉離子電池研究，并擁有鈉離子電池補鈉方法及制備方法等多項專利。以啟動電池出口為主業的猛獅新能源科技（河南）股份有限公司，近期通過對外合作，完成了18650圓柱鈉離子電芯的小批量交付。不過，該公司表示，“受制于國內鈉離子電池關鍵材料供應，目前還不具備量產條件”。

　　在鈉離子電池上游產業鏈，山東章鼓、鵬輝能源等企業也已謀劃布局。山東章鼓近期表示，公司投資的新疆喀什安德新材料擁有PPS體系的鋰離子、鈉離子固態功能膜片的材料合成技術，可生產半固態的鋰、鈉電池。鵬輝能源則表示，公司已經做出鈉離子電池樣品（采用磷酸鹽類鈉整機與硬碳體系負極），并“有望批量生產”。

政策支撐大路走寬

　　鈉離子電池熱潮背后，有政策助力的功勞。

　　2021年8月，工業和信息化部答復政協第十三屆全國委員會第四次會議第4815號（工交郵電類523號）提案稱，將組織有關標準研究機構適時開展鈉離子電池標準制定，并在標準立項、標準報批等環節予以支持。同時，根據國家政策和產業動態，結合相關標準研究有關鈉離子電池行業規范政策，引導產業健康有序發展。

　　在這份答復全國政協委員高亞光的函件中，工信部稱鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池是“推動新能源產業發展的壓艙石”，是“實現碳達峰、碳中和目標的關鍵支撐之一”，并表示將在“十四五”相關規劃等政策文件中加強布局，從促進前沿技術攻關、完善配套政策、開拓市場應用等多方面著手，做好頂層設計，健全產業政策，統籌引導鈉離子電池產業高質量發展。

　　與此同時，科技部在“十四五”期間實施的“儲能與智能電網技術”重點專項，也將鈉離子電池技術列為子任務，目標是“進一步推動鈉離子電池的規模化、低成本化，提升綜合性能”。

“天使”與“魔鬼”雙重身份

　　市場給力、政策助力的背后，藏著鈉離子電池“天使與魔鬼”的雙重身份。

　　市場對鈉電池寄予厚望，更多看到的是其“天使”的一面。王朝陽提及“鋰資源儲量足夠”的話雖不假，但其分布不均，70%分布在南美洲，尤其中國鋰礦資源與新能源發展所需并不相稱。據國際能源署最新數據顯示，到2030年，僅靠現有和在建的鋰礦生產項目，全球將出現約50%的鋰需求缺口。

　　鈉電池“天使”的一面也正在于此：鈉元素是地殼中儲量第六豐富的元素，是地殼中鋰資源的上千倍，且地理分布均勻，成本低廉；同時，鈉離子化合物容易獲取、價格穩定且低廉；再者，在低電壓下鈉、鋁不會合金化，因此鈉電池負極可使用更便宜的鋁集流體，從而可進一步降低電池的成本和重量。此外，鈉、鋰屬同族元素，二者物理化學特性及儲存機制相似，前者不僅可兼容鋰電現有生產設備，還具有相對穩定的電化學特性和安全性，這也讓鈉電池擁有比鋰電池更多的想象空間。

　　政策希望推動鈉電池產業，是因為其目前仍處于研發之中，尚未形成生產規模、缺乏供應鏈。

　　鈉離子電池坐擁許多優點，為何多年枯坐冷板凳？這就是其“魔鬼”的一面：相比鋰離子，鈉離子半徑更大，在充放電過程中正極材料更易崩塌。這要求正極材料必須有更穩定的結構、有較高的氧化還原電位，才不至于在鈉離子脫嵌過程中發生結構坍塌。目前，已發現普魯士白和層狀氧化物兩類物質能滿足其要求且相對有商業價值。

　　負極材料同樣棘手。常用的石墨雖然便宜好用，但其與鈉離子性相不合，鈉離子嵌入后易失去電化學活性。此外，在進一步規模化方面，鈉電池也對制備工藝和環境友好有著更高要求。

　　寧德時代的鈉離子電池方案中，采用了與石墨同屬碳基材料的硬碳作為負極，將正極材料換成鈉化合物，并使用特定技術手段處理電解液，初步實現了目標。只是這些技術與材料的成本，尚須在規模化后進一步觀察。

　　中科院物理所研究員、中科海鈉創始人胡勇勝告訴《中國科學報》，鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時（20世紀70年代末）開展研究，但在多種原因之下鈉離子電池研究一度停滯，直至2010年后才迎來轉折與復興。而隨著研究的不斷深入，研究者發現鈉電池不僅具有上述多種優勢，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應性、安全性能和無過放電問題等優點。

　　基于當前技術及產業化水平，鈉離子電池正對污染嚴重的鉛酸電池形成替代之勢。

　　胡勇勝還介紹說，借助于正負極均可采用鋁箔集流體構造雙極性電池這一特點，可進一步提升鈉離子電池的能量密度，可使鈉離子電池向著低成本、長壽命、高比能和高安全的方向邁進。

中國的機會

　　在新能源潮流之下，世界各國都在大力發展或儲備鈉離子電池技術。

　　2020年，美國能源部公布了對電池研究計劃的布局，明確將鈉離子電池納入儲能電池的發展體系。

　　歐盟儲能計劃“電池2030”項目公布了未來重點發展的電池體系，將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系首位。歐盟“地平線2020研究和創新計劃”也將鈉離子材料作為制造非汽車應用耐久電池的核心組件。

　　截至2020年，全球已有20多家企業致力于鈉離子電池的研發。胡勇勝告訴記者，在世界各地研究組努力下，目前鈉離子電池在電極材料、電解質材料、表征分析、儲鈉機制探索和電芯技術等方面不斷取得突破，鈉離子電池相關文章的發表數量迅速增加，專利的申請數目亦逐年遞增。

　　2021年6月，中科海鈉發布全球首個1兆瓦時（MWh）鈉離子電池儲能系統。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學儲能體系后，鈉離子電池開始在儲能領域嶄露頭角，有望推動新能源產業的進一步發展和變革。

　　這還不是全部。在胡勇勝看來，中國儲能市場需求巨大、政府對相應技術研發及應用推廣高度重視，鈉離子電池作為抓手，未來機遇巨大。

　　“面對巨大的儲能市場，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優勢有望在各類低速電動車、電動船、數據中心、通信基站、家庭/工業儲能、可再生能源大規模接入和智能電網等多個領域快速發展，提升我國在儲能技術領域的競爭力與影響力。”胡勇勝說。

　　胡勇勝認為，我國在鈉離子電池領域的技術儲備——如電池研發、核心材料體系、關鍵材料放大制備和生產、電芯設計和研制、模塊化集成與管理等方面，已經做好了充分的產業化準備，未來我國“有機會獲得鈉離子電池產業發展的主導權”。

　　盡管對鈉離子電池持“備胎論”觀點，王朝陽也覺得鈉離子電池仍將是動力電池多元化“比較重要的元素”。

　　“為了保證供應鏈的安全，我們必須堅持對鈉離子電池的研發，特別是科研院所、國企、大學等要持續研發，因為即便是‘備胎’，有一天也許就會用上。”王朝陽說。