钠离子电池究竟是何方神圣?与锂离子电池有何不同?

 保护板新闻     |      2021-08-04 08:06
7月29日,宁德时代预热许久的钠离子电池终于登场,凭借着多番优势,一经发布便引发业内哗然,一时间,关于钠离子电池的讨论甚嚣尘上,连带钠离子电池概念股也在宁德时代发布其钠离子电池预告的前后几天势如破竹,创下多股涨停的不菲战绩。那么钠离子电池究竟有何过人之处?它的出现又会对锂离子电池产生什么样的影响?且看SMM深度解析。

钠离子电池究竟是何方神圣?

与锂离子电池有何不同?

钠离子电池与锂离子电池类似,是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。

相比于锂离子,钠离子在关键的电化学性能能量密度方面表现偏弱。据公开资料显示,钠离子电池的工作电压为2.8-3.5V,在现有材料体系下的能量密度仅为100-150WH/KG,这一数据虽然高于铅酸 电池的2V与40-50WH/KG,但远低于目前的锂离子电池的工作电压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车动力电池,更倾向于追求高能量密度和高续航里程的电池,因此从电化学性能能量密度这一方面来看,钠离子电池因其能量密度低的特性,很难取代锂离子电池成为主流路线。

此外,钠离子的半径也远高于锂离子,这同样会成为限制钠电池发展的重要因素。主要从三方面来看:

一是与负极材料的嵌合度。众所周知,电池的充放电过程本质上便是离子的脱嵌在入嵌的过程,而这也要求电池的正负极中都需要有储存离子的材料。在锂离子电池中,负极处大多用的都是石墨负极,而由于其本身的蜂窝状结构,其石墨层可以很好地与锂离子嵌合。

但是钠离子的半径却远高于锂离子,这也意味着,钠离子不可能完全嵌入石墨结构,而若是采用可嵌入的硬碳或其他负极材料,也会极大影响电池整体的能量密度。这对于追求高能量密度电池的新能源动力电池而言并不友好。

二是拉低电池整体的充放电性能。因为钠离子半径比之锂离子更大的特点,导致其在电池结构中迁移速度慢,移动速率低,这也意味着在同一规格下,钠电池的充放电循环相对锂离子电池而言需要更长的时间周期,拉低电池整体的充放电性能。

最后一点是影响电池循环寿命。因为钠离子的半径较大,其在充放电嵌出嵌入过程中相对锂离子而言更容易导致电极材料体积膨胀,部分钠离子在嵌入的过程中无法顺利嵌入,导致不可逆的电池容量损失,电池衰减速率上升,影响电池本身的循环寿命。

不过即便钠离子电池相对于锂离子电池有上述诸多不敌之处,但钠离子电池的隆重问世,就足以证明其有存在的意义。在SMM看来,钠离子电池最大的优势还是在于成本。随着新能源产业的快速发展,叠加近年来3C,小动力等领域需求也有所放量,锂电池行业整体对上游资源的需求量也与日俱增,在一定程度上形成资源挤兑局面,碳酸锂,硫酸钴等多种原材料价格大幅上行。据SMM历史价格显示,仅是碳酸锂价格,便已经从2020年年底的51500元/吨涨至如今的89000元/吨,涨幅高达72.8%。而硫酸钴的价格,也从年底的57500元/吨,涨至如今的81000元/吨。由此不难看出,上游原料端本身资源存储量有限的情况,是助推价格上涨的主导因素。

而据了解,锂离子的地壳丰度仅为0.0065%,且其中可经济开采的资源量有限,高低品质差异较大,同时还存在严重的分布不均的特点,其中优质资源多集中的南美、澳洲等地,这也使得我国作为全球主要的锂资源消耗国,但却高度依赖进口原料供应。

但与之相对的,钠离子在地壳丰度达到了2.75%,远高锂离子的0.0065%,且全球分布相对广泛,这也使得钠离子电池在产业形成规模之后恐在原料成本方面相对锂而言更具有优势。

宁德时代钠离子电池有何“过人之处”?

据宁德时代发布会公布的电池性能信息来看,这款电池可谓亮点颇多:

1. 能量密度方面,据宁德时代数据显示,其第一代钠离子电芯的单体能量密度将达到惊人的160Wh/kg,为全球最高水平,相对于当前钠离子电池行业普遍能量密度的120-130wh/kg提升了约30%。

2. 优异的快充性能,该电池在常温下快充15分钟能够充至电量的80%,同时低温性能优异,在零下20度的低温环境下,同时热稳定性优异,容量保持率在90%以上。

3. 该电池的系统集成效率可达80%以上,同时可以与锂离子的电池混合通用,将两种不同的电池混搭,串联,并通过BMS实现精准控制。

4. 制造工艺:当前钠离子的制造工艺锂离子电池类似,其设备可通用。同时,这一数据已经接近当前磷酸铁锂的能量密度水平,远超铅酸电池的50wh/kg。

钠离子在未来可能会应用于哪些场景?

首先是两轮车电池端,虽然宁德时代发布的钠离子电池远超行业平均水平,但是距离磷酸铁锂与三元锂电池仍有一定的差距,在其能量密度获得突破性进展之前,在汽车端较难进行大规模应用。不过对于主要定位于进行中短距离移动,且终端客户对价格极为敏感的两轮车电池而言,钠离子电池或许是一个不错的选择。

二是在高纬度地区的应用。这点要涉及到锂离子电池在低温环境下性能降低的特点,据悉,锂离子电池由于其自身特性原因,在寒冷的场景下极易发生活性降低,内部化学反应速率变慢,容量保持率大幅降低的情况,因此,在高纬度地区,锂离子电池的应用受到极大限制。但反观钠离子,有数据显示,钠离子电池在-20℃的环境下仍有90%的放电容量保持率,在-38℃仍可以正常使用,同时无需进行特殊优化,成本也将得到有效的控制,该特性在一定程度上拓宽了电池的使用场景,填补该领域的空白。

三是储能领域。相比于此前储能领域如5G基站多采用铅酸电池的情况,兼具能量密度高,循环寿命长,安全性能高,成本较低等优点的钠离子电池,在全生命周期成本的角度优于铅酸电池,有望成为储能领域铅酸电池的优质替代品。而其具有的优秀低温性能与混搭特性可让厂商依据当地的温度环境,发电量用电量,使用场景等进行灵活的选择。

四是换电领域,在当前国家大力发展换电模式,各大车企也多有向该方向布局的情况下,钠离子具有的低成本的特性在一定程度上可以降低换电站的建设成本,在总投资不变的情况下提高换电站平均电池储备量,同时其相对锂离子电池更为优秀的快充性能缩短充电所耗时间,提高电池的周转率与换电站的日服务能力,便于厂商缩短投资回收期,加快换电服务进程。而这一点对于两轮车换电领域也是同样适用。

钠离子电池是否会取代锂离子电池的地位?

机构评论:

在宁德时代首次宣布将发布钠离子电池后,针对业内关于“钠离子电池是否会取代锂离子电池”的疑问,中泰证券表示,钠离子电池不改锂中长期高景气。中泰证券认为,锂离子电池仍是新能源电池主流技术路线。

国泰君安证券表示,我国锂资源70%都需要进口,钠离子电池是对锂离子电池的支撑和保障。发展钠离子电池的主要场景是基站、电动自行车等对能量密度需求不高的领域,未来有望具备成本低、安全性好等优势,是三元高镍技术路线的很好补充。

华金证券认为,钠离子电池仍处于产业化初期,产业化之后有望实现对部分低能量密度的动力锂电池市场和储能市场实现替代。

东北证券则认为,钠离子电池与新能源车电池需求匹配度低,暂无替代锂电池成为动力领域主流技术的可能性。

华安证券也表示,钠离子电池的低能量密度及循环性能对应更多的辅材消耗以及更高的度电成本。除去规模化因素之外,钠离子电池的降本之路仍然面临重重阻碍。

另,平安证券称,鉴于钠离子电池本身能量密度较低且提升空间有限的情况,因此其在行业内更多地扮演新能源细分领域替代者的角色,有望率先在对能量密度要求不高、成本敏感性较强的储能、低速交通工具以及部分低续航乘用车领域实现替代和应用,对中高端乘用车市场影响十分有限。

SMM独家评论

考虑到钠离子的种种特点,SMM认为,当前,钠离子电池虽然还仍处于产业化初期阶段,但就目前宁德时代公布的信息来看,钠离子电池优点较为突出,即便其在能量密度方面依旧与锂离子电池有一定的差距,暂时无法应用于对能量密度要求较高的新能源汽车领域,但不可否认的是,其具有的成本优势,快充性能,低温性能等使其可以与锂离子电池实现差异化定位,在两轮车,储能,换电,及部分高纬度场景有望实现对锂离子电池的部分替代。