寧德時代作為中國本土動力電池龍頭廠商，以及全球前三大動力電池供應商之一，早在2020年6月成立21C實驗室時，便將鈉離子電池作為中短期內三個主要研究方向之一。今年5月底，寧德時代創辦人兼董事長曾毓群在公司2020年度股東大會上透露：“我們的技術在發展，7月可能也會發布一些（新技術），比如說我們的鈉電池已經成熟了。”7月29日下午，寧德時代正式釋出了鈉離子電池。
1，寧德時代率先發布第一代鈉離子電池，會否衝擊鋰離子電池？
此次，寧德時代釋出的鈉離子電池，公司稱為第一代產品。據寧德時代研究院副院長黃起森博士介紹，公司開發的第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度已達160Wh/kg，在當前處於全球最高水平；在常溫環境下下充電15分鐘，電量便可達80%；即便是在-20°C的低溫環境下，放電保持率仍然高達90%以上；同時，在系統整合效率上，也可以達到80%以上；具有優異的熱穩定性，並且超越了國家動力電池強標的安全要求。黃起森稱：“總體來看，第一代鈉離子電池的能量密度略低於目前的磷酸鐵鋰電池，但是在低溫效能和快充方面具有明顯的優勢。特別是在高寒地區，高功率應用場景。” 既然寧德時代今天對外發布的是第一代鈉離子電池，那麼就意味著還會有下一代、據黃起森透露，寧德時代下一代鈉離子電池，能量密度將突破200Wh/kg。
第一代鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池對比
為了推動鈉離子電池更快速、更廣泛的商業應用，寧德時代想到了將鈉離子電池與鋰離子電池整合混用的方案。黃起森表示：“在電池系統整合方面，我們還開發了AB電池解決方案，可以實現鈉離子電池與鋰離子電池的整合、混合共用。我們可以將鈉離子電池與鋰離子電池同時整合到同一個電池系統裡，將兩種電池按一定的比例和排列進行混搭、串聯、並聯、整合。透過BMS的精準演算法，進行不同電池體系的均衡控制，這樣可以實現取長補短，既彌補了鈉離子電池在現階段的能量密度短板，也發揮出了它高功率、低溫效能的優勢，這樣的鋰-鈉電池系統就能適配更多的應用場景。”
鋰-鈉電池系統
寧德時代表示，公司已經開始進行鈉離子電池產業化佈局，計劃是到2023年要能形成基本產業鏈。黃起森說：“我們也歡迎相關的研究機構，上游的材料供應商和下游的電池應用端一起參與，共同加速鈉離子電池產業鏈的完善和發展。”毫無疑問，鈉離子電池要成長為具市場規模效應的產業鏈體系，只靠寧德時代是遠遠不行的。
根據部分行業人士發表的文章（觀點），以及一些機構釋出的研究報告，目前而言，鋰離子電池在化學原理上可以視為最優解。鈉鋰離子電池即使再怎麼努力，也只能算是退而求其次的選擇。即便是最高階的鈉離子電池，在效能上也就大致相當於普通的磷酸鐵鋰電池；並且，前者的成本其實更高。所以，在動力電池領域，鈉離子電池暫時替代不了鋰離子電池的主體地位。鈉離子電池可以是用於光伏、風力發電的儲能，也可以用於低速的兩輪車、A00級汽車（微型電動汽車）。
在當前的動力電池市場，磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池是兩大主要技術路線。今年4月，寧德時代董事長曾毓群表示：“寧德時代全產業鏈都做，身為搬磚搭臺子的角色是不能有偏科的。現如今，隨著充電樁普及率越來越高，電動汽車續航里程不再被強制要求很長了，此時的磷酸鐵鋰電池由於成本低，增長速度就會加快。所以從比例上來說，未來磷酸鐵鋰電可能會逐步增加，三元電池則百分比較小，但不會完全消失。因為當前一些高能量密度、高續航的高階車依舊需要三元電池的支撐。不過，磷酸鐵鋰一定是有大用的。”同時，對於固態電池的前景，曾毓群給出的判斷是：“固態電池要真正實現商業化，用到車裡是很困難。起碼在近3-5年內，能做到車裡的都不能稱之為純固態電池。”
2，與鋰離子電池相比，鈉離子電池的優勢主要有哪些？
在化學元素週期表中，鈉元素與鋰元素為同一主族，物理化學性質極為相似。在選擇電池材料時，鋰在電勢、原子量、離子半徑等基本性質上，相對而言都是比鈉更好的材料。鋰的原子量更低、離子半徑更小，鋰的理論質量比容量是鈉的3。3倍，鋰的理論體積比容量是鈉的1。8倍；且鋰的電位更高，比鈉高出12%，鋰材料的電池更具競爭優勢。因此鋰離子電池也更早大規模商業化。
不過，伴隨著全球對電池需求量快速增長，鋰資源開始面臨著資源約束問題。一方面，鋰資源的總量分佈有限，地殼丰度僅為0。006%。另一方面，鋰資源在空間分佈上並不均勻。據美國地質勘探局2021年2月報告，中國鋰資源儲量僅佔全球的6%，而且開採成本較高，當前的電池生產用鋰對外依存度過高。鋰資源的供需緊張，也導致自2021年以來鋰資源大幅漲價。據wind資料顯示，與2021年1月1日時的價格相比，2021年7月20日碳酸鋰價格上漲了66%，氫氧化鋰價格上漲了96%。與鋰資源相比，鈉資源在地球上儲量可謂非常豐富，地殼丰度為2。64%，是鋰資源的440倍。且鈉資源分佈廣泛、提煉簡單。鈉離子電池大規模商用後，會具有較大的成本優勢。
中國作為鋰電需求大國，就國內鈷、鎳礦的儲量，根本滿足不了市場需求，需要大量進口，資源安全上難以保障。陳立泉院士在中國電動汽車百人會上提到：“全世界的電能都用鋰離子電池儲存，根本不夠，鈉離子電池是新電池首選。”鋰、鈷、鎳的儲量有限，不一定能夠支撐鋰電行業順利邁向TWh時代。而鈉離子電池所需的礦產資源，鈉的資源儲量豐富，且分佈廣泛。再者，鈉離子電池的正極也不需用到像鈷、鎳這樣的稀有貴金屬。鈉離子電池與鋰離子電池最大的區別在於正極材料，目前鈉離子電池的正極材料主要有鈉過渡金屬氧化物、鈉過渡金屬磷酸鹽、鈉過渡金屬硫酸鹽、鈉過渡金屬普魯士藍類化合物。各類基於鈉資源的正極材料，在材料成本上均遠遠低於鋰離子電池。
在此，有必要提及的是，鈉離子電池的負極材料有碳類、合金類、過渡金屬氧化物、鈉過渡金屬磷酸鹽。合金材料具有較高的容量，但因與鈉離子發生合金化的過程中體積膨脹明顯，嚴重影響材料的迴圈穩定性和倍率效能；而金屬氧化物、磷酸鹽大多容量較低。所以，鈉離子電池（高能量密度）的負極材料中，無定型碳材料（包括軟碳、硬碳）是目前最有希望達成商業化。無定型碳材料的可逆容量和迴圈效能均已接近應用要求，但主要瓶頸在於成本較高。基於此，目前業界已知的無煙煤基無定型碳材料是價效比最高的鈉離子電池負極材料。
鈉離子電池與鋰離子電池的工作原理類似，為嵌脫式電池。充電時，Na+從正極脫嵌，進入負極；放電時，Na+從負極回到正極，外電路電子從負極進入正極，將Na+還原為Na。與其他電池路線相比，正是因為鈉離子電池與鋰離子電池在工作原理上、電池結構上相似，與鋰離子電池用生產裝置大多可以相容。比如，鈉離子電池的隔膜與鋰離子電池相同；鈉離子電池的電解液由鈉鹽和溶劑組成，除鈉鹽之外，溶劑與鋰離子電池差別不大，一般為碳酸脂；對鈉離子電池進行外形封裝，包括圓柱、軟包、方形，與鋰離子電池相同；鈉離子電池的製備工藝與鋰離子電池相同，在相當程度上可以沿用鋰離子電池生產的裝置和工藝。
能量密度是電池的核心效能之一，尤其受人關注。資料顯示，鈉離子電池的能量密度在70Wh/kg~200Wh/kg區間，而鋰離子電池的能量密度在150Wh/kg~350Wh/kg區間；磷酸鐵鋰電池的能量密度偏低，在150Wh/kg~210Wh/kg區間。雖然鈉離子電池的理論能量密度上限低於鋰離子電池，但鈉離子電池的能量密度區間與磷酸鐵鋰電池有重疊範圍。
此外，相比於鋰離子電池，鈉離子電池還有其他優勢。舉例來說，首先，鋁與鋰在低電位會發生合金化反應，鋰離子電池只能選擇銅做集流體。而鋁與鈉在低電位不會發生合金化反應，因此鈉離子電池可以選擇更便宜的鋁做集流體。據測算，每1KWh的磷酸鐵鋰電池中，銅箔的價值量約為50元，佔材料成本的15%；鋁箔的價值量約為8元，佔材料成本的2%。每1KWh的NCM523電池中，銅箔的價值量約為50元，佔材料成本的10%；鋁箔的價值量約為7元，佔材料成本的1%。鈉離子電池中鋁箔替代銅箔後，每1KWh電池中用於製作集流體的材料成本將會減少約40元，即材料成本的約10%。其次，鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，介面離子擴散能力更好。第三，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導率。第四，根據目前初步的高低溫測試結果，鈉離子電池高低溫效能更優異。再有，鈉離子電池的內阻比鋰離子電池稍高，在短路情況下瞬間發熱量少、溫升較低。
鈉離子電池的安全效能好。在測試環節，表現為能在針刺、擠壓、過充、過放等安全專案測試中做到不起火不爆炸；而在運輸環節，則表現為可以實現0V運輸，降低電池運輸的安全風險。鋰離子電池用銅箔作為負極集流體，當處於低電壓時，銅箔易氧化，導致電池效能衰減及電池失效。為避免出現這種問題，鋰離子在運輸前，一般要把電量充到80%以上。相比低電量電池，高電量電池的運輸風險更高。而鈉離子電池用穩定性更好的鋁箔做負極集流體，不用擔心電壓低導致電池效能衰減、失效的問題，所以可以在運輸前將電量完全放空，保障運輸安全，又不影響後續的電池效能。
（部分內容源自研究報告，我為科技狂整理）
