本文作者系吉林大學青島汽車研究院副院長、《電車商業(yè)研究》創(chuàng)始人顧國洪
(資料圖)
導讀
2021年7月19日,隨著寧德時代正式發(fā)布新一代鈉離子電池,原來埋頭研發(fā)鈉電池的公司瞬間從門口羅雀到蓬蓽生輝、高朋滿座。2022年8月20日《電車商業(yè)研究》新型電池技術閉門研討會上,特意邀請了哈爾濱工業(yè)大學原電化學系主任、深圳大學材料學院電化學創(chuàng)系主任王振波教授與鈉電池創(chuàng)業(yè)企業(yè)就鈉電池技術發(fā)展趨勢做了交流。
我基本認同王教授對鈉電池產業(yè)化發(fā)展的判斷:各類鈉電池體系都在努力研發(fā)與改進,真正形成產業(yè)化大批量商業(yè)應用還需要三五年時間。但在這一年多時間里,涌現(xiàn)了很多創(chuàng)業(yè)公司或者上市公司進入鈉電池賽道,紛紛發(fā)布研發(fā)與中試量產公告,行業(yè)內與投資界期待、亢奮與質疑并存。
本文歸納總結了包括筆者本人在內的很多業(yè)內人士對鈉離子電池的看法,以供業(yè)內從業(yè)人員、產業(yè)研究、創(chuàng)業(yè)投資、政府招商引資等工作者參考。
鈉電的優(yōu)劣勢
1、優(yōu)勢
與鋰資源相比,鈉資源儲量非常豐富,所以在大規(guī)模應用的場景下,鈉電池沒有明顯的資源約束。而且,鈉電池的正極材料、集流體材料的理論成本比鋰電更低,在完成產業(yè)化降本之后,其初始投資成本有望較鋰電更低。
鈉電池可以在-40℃到 80℃的溫度區(qū)間正常工作,-20℃的環(huán)境下容量保持率接近 90%,高低溫性能優(yōu)于其他二次電池。
鈉電池的內阻比鋰電池高,在短路的情況下瞬時發(fā)熱量少,溫升較低,熱失控溫度高于鋰電池,具備更高的安全性。
2、劣勢
鈉電池的缺點是鈉元素分子量較高,鈉電位更高,體積更大,在嵌入正負極時易使極片材料發(fā)生較大的體積變化,因此,鈉電池在材料結構穩(wěn)定性和動力學性能上要求更為嚴苛。故鈉電池存在能量密度低、倍率性能欠佳、循環(huán)壽命短等相對劣勢。
目前已公布的主流鈉電池能量密度一般在100-150Wh/kg,而磷酸鐵鋰電池可以達到150-200Wh/kg,三元鋰電池更是能達到200-250Wh/kg。再看循環(huán)壽命,鈉電池一般在1000-4000次之間。相比之下,磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命則在3000-10000次之間。
市場對鈉電池的期待,很大程度上取決于它在理論上的成本優(yōu)勢。而成本優(yōu)勢都是在對比中產生的,目前鋰電池的關鍵原材料碳酸鋰價格高企,放大了鈉電池的成本優(yōu)勢,而一旦碳酸鋰價格進入下降通道,鋰電池價格也會快速走低,無形中抹消了鈉電池的優(yōu)勢。
并且,與產業(yè)較為成熟的鋰電池相比,鈉電池行業(yè)還遠未形成規(guī)?;慨a,目前存在產業(yè)鏈不健全的瓶頸,導致目前電芯價格比磷酸鐵鋰還要高。
鈉電池的正負極材料體系及技術改善方向
鈉電池正極材料主要有四種:過渡金屬層狀氧化物(容量大,衰減快)、普魯士藍型化合物(循環(huán)好,制備難)、聚陰離子型化合物(循環(huán)好,導電差)、有機小分子化合物(種類多,易失效)。
鈉電池負極材料同樣有四種:碳材料(成本低,導電性高)、鈦基化合物(穩(wěn)定性好,導電性差)、合金化材料(容量高,穩(wěn)定性差)、相轉化材料(容量高,導電性差)。
當前國內鈉電池的技術路線與改進思路:
(1)篩選電池正極、負極材料,進行粒度、孔徑、組成、結構等層面上的優(yōu)化改性;
(2)匹配電解質材料,優(yōu)化電解質組成、濃度、溶劑化構型,輔以功能性添加劑;
(3)研究以電極為主體,以界面、電解質為重要組成部分的電極體系在不同溫濕度環(huán)境、不同充放電條件下的電化學儲能特性,以反饋優(yōu)化電池體系的設計;
(4)組裝圓柱/方形鋁殼電池,進一步評價及反饋優(yōu)化全電池的組成與結構,以期在提升鈉離子全電池的能量密度、循環(huán)壽命的同時,控制電池成本;
(5)在平衡性能與成本的基礎上,復合超級電容器等器件,以改善電池功率特性。
鈉電產業(yè)化進程
自1991年第一支商業(yè)化鋰電池從索尼實驗室誕生至今,鋰電池經歷了多年驗證。從早期消費電子的鈷酸鋰、錳酸鋰到目前新能源汽車常用的三元鋰、磷酸鐵鋰,鋰離子電池的定型走了二十年,鈉電池行業(yè)如何在眾多材料體系中短時間確定那種材料體系將是未來主流?
筆者翻閱了《高工鋰電》2014年9月1日的刊文:《鋰電正極材料路徑:三元取代鈷酸鋰之“路漫漫”》,文中寫道:“正極材料鈷酸鋰經過多年的發(fā)展,已經占據鋰電池應用市場的半壁江山。作為后起之秀的三元材料,乘著Tesla的春風,也在慢慢侵入整個應用市場。在業(yè)內人士看來,鑒于目前鈷酸鋰的市場地位,三元材料取代鈷酸鋰之路仍然任重道遠。目前鈷酸鋰的應用市場廣闊,企業(yè)不可能輕易放棄鈷酸鋰這片森林,走上三元材料獨木橋式的道路?!?/p>
也就是說目前我們常見的三元鋰電池材料體系在業(yè)內8年前依然是不明確的,是爭論的焦點。鈉電池材料體系的還沒有經歷鋰電池這樣的驗證過程,沒有長時間的裝機驗證。鈉電池的性能真像實驗室里測試的那么好?鈉電池材料體系最后誰會勝出?業(yè)內誰也不知道。當筆者問到這個問題時,跑在最前面的幾家鈉電企業(yè)異口同聲地說:讓市場鑒定,讓時間來驗證。
這正說明鈉電池材料體系的確定依然需要時間,需要示范工程,需要不斷地試。
鈉電應用場景探討
1、兩三輪車端應用:鈉電池成本優(yōu)勢目前還只體現(xiàn)在理論上?,F(xiàn)階段,和已經發(fā)展成熟,靠規(guī)?;a降低了大量成本的鋰電池相比,尤其是梯次循環(huán)利用的鋰電池相比,鈉電池實際上并不具備成本的優(yōu)勢。
2、汽車端應用:誰先用?大巴、網約車在鋰電池應用過程中已經吃過一次螃蟹了,還要再吃一次?況且公交車與網約車的電動化已經基本完成,沒有太多新的需求;乘用車消費者為什么要用鈉電池做的車,是更便宜?還是性能更佳?可能寧德時代的客戶群里有一些會試試它的鈉電池與鋰電池AB合配,但都會小心謹慎地試。車企不敢大規(guī)模使用未經驗證的技術,一旦出問題,導致車輛召回就前功盡棄了。
3、儲能端應用:鈉電池自誕生以來就面臨循環(huán)壽命低的問題,因此導致了鈉電池當下僅有個別儲能領域的示范項目,大規(guī)模應用還沒有穩(wěn)定的剛性需求;另外鈉電池能量密度低,也決定了用鈉電池建的儲能電站占地面積、所用箱體、線纜等成本上漲,小規(guī)模示范都不要緊,大規(guī)模商業(yè)化就會計算這些成本,電網端與工商業(yè)儲能都要計算全生命周期成本回收的,這些層面都制約了其產業(yè)化進度。
4、通訊基站端應用:鈉電池性價比明顯比老舊基站使用的鉛酸電池要高,但與退役二次使用的磷酸鐵鋰電池相比,又顯得雞肋。
總體來講鈉電池替換原來的鉛酸應用場景是沒問題的,鉛酸電池市場規(guī)模也挺大,這是鈉電池可以先行進攻的市場。
鈉電池企業(yè)投資回報的問題
目前根據中國鋰電行業(yè)的發(fā)展態(tài)勢,業(yè)內基本認同單一生產基地達到10GWh以上才具有經濟性,那么我們以現(xiàn)在的物價來估算一下建設一個10GWh的鋰電生產基地所需資金。采購相關產線設備需要20-25億人民幣,加上地面建筑與輔助動力10億左右,外加流動資金15億左右,需要有45-50億人民幣。根據目前我對鈉電池的了解,生產工藝也差不多,需求資金也相差無幾。
據測算,三元鋰目前價格在1.1-1.2元/Wh左右,磷酸鐵鋰電池目前價格在0.85-0.95元/Wh之間,鈉電池售價預估在0.6-0.7元/Wh之間。在設備、生產節(jié)拍、人員配備相同的條件下,鈉電池生產產值只有三元鋰電池的一半、磷酸鐵鋰電池的六七成,在大部分鋰電企業(yè)都在盈虧平衡點周圍徘徊的情況下,鈉電企業(yè)如何收回投資呢?要解決這個問題,單純指望鈉電池材料降價與復用鋰電淘汰產能是做不到的。需要在生產工藝上改進,生產設備上提速,在原材料上降本增效。
還有一個鈉電池視為機會,但同時也是捅向自己的一把雙刃劍:鋰電池的材料是貴金屬,既稀缺又貴,但有回收價值!鈉電池沒有貴金屬,但同時也沒有回收價值。廢舊鈉電池處理,誰來出錢?
鈉電投資機會
個人認為投資機會在于抓住鈉電池材料企業(yè),鋰電池成本構成中電池材料占比超過75%,其中正極負極材料占到55%,隔膜和電解液占比為20%。鈉電池成本比的占比與鋰電池類似,所以未來從投資的角度,我們應該重點關注正極、負極、電解液、隔膜四大主材,那么哪種材料體系將會勝出?就看投資人的眼光與運氣了。
由于鈉電池的先天性缺點,天然將更加依賴導電劑、各種添加劑,所以這些非專業(yè)人士看不到的細分領域也是專業(yè)投資人應該重視的。
鈉電池電芯頭部企業(yè)原則上將在目前的鋰電企業(yè)中產生,主要原因有二:一是鈉電池生產工藝與設備與鋰電池基本相同,鋰電企業(yè)在人、財、物三方面都有優(yōu)勢;二是鈉電池應用場景是鋰電池的補充,沒有完全替代的變革性應用,鋰電企業(yè)在業(yè)務端有現(xiàn)成的人員與應用客戶可以試,一邊試一邊等鈉電池材料體系成熟完整。他們不會主動去破壞鋰電的市場,同時將鈉電池在其它應用場景做大蛋糕。
最后
沒有經過市場驗證過程,鈉電池成熟度難以與鋰電池相媲美,三五內不具備爆發(fā)條件。
不論是儲能還是其他領域,鈉電池很難完全取代鋰電池,是鋰電池的一種補充,一種平衡,而非替代。
如果鈉電池不能將資源優(yōu)勢轉化為綜合成本優(yōu)勢,連鋰電池補充與平衡的資格都沒有,鈉電企業(yè)真的不要急,要穩(wěn)健地慢慢走。
關鍵詞:
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