鋰離子電池 VS 鈉離子電池，誰才是電池市場的未來？2021-06-02 08:04
前段時間，寧德時代召開股東大會，董事長曾毓群透露，寧德時代將于今年7月份發(fā)布鈉電池。此消息一出，鈉電池便被推上了市場的風(fēng)口浪尖。短短幾天時間，鈉離子電池概念股異軍突起，多股漲停。
隨即，鈉離子電池能否替代鋰離子電池的問題也引發(fā)大量討論。鈉離子電池并非全新的電池技術(shù)，二十世紀(jì)七十年代末，鈉離子電池與鋰離子電池幾乎同時展開研究，然而命運卻大相徑庭。鋰離子電池發(fā)展迅速，在市場中取得一席之地，而鈉離子電池的發(fā)展卻始終停滯不前，直到現(xiàn)在仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鋰在地殼中的豐度僅有17ppm（百萬分之一），且分布極不均勻。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）數(shù)據(jù)顯示，2019年全球已查明的鋰資源量約為8000萬噸，儲量約為1700萬噸，主要集中在智利、阿根廷和玻利維亞等地。
南開大學(xué)陳軍院士也曾表示：“鋰豐度低，資源分布不均勻，約70％集中在南美洲，我國80％的鋰資源依賴進(jìn)口，引發(fā)了人們對鋰儲量的普遍擔(dān)憂。另外，鋰離子電池的安全隱患也難以滿足大規(guī)模儲能的應(yīng)用需求。”
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池的需求量不斷增大，鋰資源面臨著前所未有的緊張局面。因此，尋找替代鋰電池的儲能技術(shù)已經(jīng)勢在必行。同為堿金屬的鈉，在地殼中儲量高達(dá)2．36％，資源豐富，且成本低廉，具備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?。鈉離子電池“重出江湖”，受到多方關(guān)注和重視，成為儲能市場新的風(fēng)口。
如前所述，鈉離子電池最大的優(yōu)勢，就是鈉資源儲量豐富，這也讓鈉離子電池相較于鋰離子電池在成本上更具優(yōu)勢。然而，在化學(xué)元素周期表中，鋰在第二周期，鈉在第三周期。從物理化學(xué)性質(zhì)來看，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，較之鋰離子更活潑。
因此，鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。據(jù)研究估算顯示，鈉離子電池所需輔材和制造成本占總成本75％。寧德時代董事長曾毓群也表示，該公司新推出的鈉電池可能比鋰電池更貴。這也意味著，目前來看，較之鋰離子電池，鈉離子電池并沒有太大的價格優(yōu)勢。鈉電池想要更具成本競爭優(yōu)勢，就必須發(fā)展高能量密度和低價格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。
在工作原理上，鈉離子電池與鋰離子電池極具相似性。鈉離子電池充電過程中，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，同時鈉離子從正極脫嵌。電子補(bǔ)償電荷通過外電路到達(dá)負(fù)極，鈉離子也通過電解液遷移至負(fù)極。放電時則相反。
鈉離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成，正負(fù)極材料是電池的核心。正負(fù)極材料的比容量和電位差決定了電池的比能量，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液電化學(xué)性能的穩(wěn)定性也影響著電池的循環(huán)壽命。電池正負(fù)極材料的選擇和研究對提升鈉離子電池比能量、循環(huán)壽命和倍率性能至關(guān)重要。
正極材料
金屬氧化物成本低、合成工藝簡單，包括P2層狀氧化物、O3層狀氧化物和三維隧道型氧化物；
聚陰離子類材料結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定、比容量適中、工作電壓高；
普魯士藍(lán)材料的隧道結(jié)構(gòu)較大，有利于鈉離子充放電脫嵌。
負(fù)極材料
肽基層狀氧化物具有良好的循環(huán)性能和倍率性能；
碳材料成本低、合成簡單、性能穩(wěn)定，且原料豐富；
鈉離子電池的性能跟其電極材料的電化學(xué)性能息息相關(guān)，然而早期被設(shè)計開發(fā)出來的電極材料性能不理想，這也是鈉離子電池發(fā)展緩慢遲滯的原因之一。
鈉離子電池儲量豐富，一旦工藝成熟，必然意味著成本的降低。其次，鈉離子電池安全性高，過充、過放、短路、針刺、擠壓等安全測試均能順利通過，不易起火和爆炸。雖然鈉電池兼具上述優(yōu)勢，但其能量密度也明顯低于磷酸鐵鋰電池與三元電池，無法適用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大，動力電池的需求量日益增加，鋰電池仍然會是市場的首選。
從長遠(yuǎn)來看，我們現(xiàn)在談?wù)撯c電池替代鋰電池還為時尚早，兩者因為性能不同必然會走向不同的市場定位。在新能源汽車、智能手機(jī)等對電池重量和能量密度要求較高的領(lǐng)域，在未來很長一段時間，鋰離子電池仍會是市場的主流。而在對這些參數(shù)要求不高的領(lǐng)域，鈉離子電池將會發(fā)揮自身優(yōu)勢，逐漸取得市場認(rèn)可。
隨即，鈉離子電池能否替代鋰離子電池的問題也引發(fā)大量討論。鈉離子電池并非全新的電池技術(shù)，二十世紀(jì)七十年代末，鈉離子電池與鋰離子電池幾乎同時展開研究，然而命運卻大相徑庭。鋰離子電池發(fā)展迅速，在市場中取得一席之地，而鈉離子電池的發(fā)展卻始終停滯不前，直到現(xiàn)在仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，鋰在地殼中的豐度僅有17ppm（百萬分之一），且分布極不均勻。根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）數(shù)據(jù)顯示，2019年全球已查明的鋰資源量約為8000萬噸，儲量約為1700萬噸，主要集中在智利、阿根廷和玻利維亞等地。
南開大學(xué)陳軍院士也曾表示：“鋰豐度低，資源分布不均勻，約70％集中在南美洲，我國80％的鋰資源依賴進(jìn)口，引發(fā)了人們對鋰儲量的普遍擔(dān)憂。另外，鋰離子電池的安全隱患也難以滿足大規(guī)模儲能的應(yīng)用需求。”
隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池的需求量不斷增大，鋰資源面臨著前所未有的緊張局面。因此，尋找替代鋰電池的儲能技術(shù)已經(jīng)勢在必行。同為堿金屬的鈉，在地殼中儲量高達(dá)2．36％，資源豐富，且成本低廉，具備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?。鈉離子電池“重出江湖”，受到多方關(guān)注和重視，成為儲能市場新的風(fēng)口。
如前所述，鈉離子電池最大的優(yōu)勢，就是鈉資源儲量豐富，這也讓鈉離子電池相較于鋰離子電池在成本上更具優(yōu)勢。然而，在化學(xué)元素周期表中，鋰在第二周期，鈉在第三周期。從物理化學(xué)性質(zhì)來看，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，較之鋰離子更活潑。
因此，鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。據(jù)研究估算顯示，鈉離子電池所需輔材和制造成本占總成本75％。寧德時代董事長曾毓群也表示，該公司新推出的鈉電池可能比鋰電池更貴。這也意味著，目前來看，較之鋰離子電池，鈉離子電池并沒有太大的價格優(yōu)勢。鈉電池想要更具成本競爭優(yōu)勢，就必須發(fā)展高能量密度和低價格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。
在工作原理上，鈉離子電池與鋰離子電池極具相似性。鈉離子電池充電過程中，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，同時鈉離子從正極脫嵌。電子補(bǔ)償電荷通過外電路到達(dá)負(fù)極，鈉離子也通過電解液遷移至負(fù)極。放電時則相反。
鈉離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成，正負(fù)極材料是電池的核心。正負(fù)極材料的比容量和電位差決定了電池的比能量，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液電化學(xué)性能的穩(wěn)定性也影響著電池的循環(huán)壽命。電池正負(fù)極材料的選擇和研究對提升鈉離子電池比能量、循環(huán)壽命和倍率性能至關(guān)重要。
正極材料
金屬氧化物成本低、合成工藝簡單，包括P2層狀氧化物、O3層狀氧化物和三維隧道型氧化物；
聚陰離子類材料結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定、比容量適中、工作電壓高；
普魯士藍(lán)材料的隧道結(jié)構(gòu)較大，有利于鈉離子充放電脫嵌。
負(fù)極材料
肽基層狀氧化物具有良好的循環(huán)性能和倍率性能；
碳材料成本低、合成簡單、性能穩(wěn)定，且原料豐富；
鈉離子電池的性能跟其電極材料的電化學(xué)性能息息相關(guān)，然而早期被設(shè)計開發(fā)出來的電極材料性能不理想，這也是鈉離子電池發(fā)展緩慢遲滯的原因之一。
鈉離子電池儲量豐富，一旦工藝成熟，必然意味著成本的降低。其次，鈉離子電池安全性高，過充、過放、短路、針刺、擠壓等安全測試均能順利通過，不易起火和爆炸。雖然鈉電池兼具上述優(yōu)勢，但其能量密度也明顯低于磷酸鐵鋰電池與三元電池，無法適用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著新能源汽車市場的不斷擴(kuò)大，動力電池的需求量日益增加，鋰電池仍然會是市場的首選。
從長遠(yuǎn)來看，我們現(xiàn)在談?wù)撯c電池替代鋰電池還為時尚早，兩者因為性能不同必然會走向不同的市場定位。在新能源汽車、智能手機(jī)等對電池重量和能量密度要求較高的領(lǐng)域，在未來很長一段時間，鋰離子電池仍會是市場的主流。而在對這些參數(shù)要求不高的領(lǐng)域，鈉離子電池將會發(fā)揮自身優(yōu)勢，逐漸取得市場認(rèn)可。
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