钠离子电池入局，动力电池“三国杀”来了？
宁德时代推出第一代钠离子电池。钠离子电池能否在三元锂电池、磷酸铁锂电池的竞争中脱颖而出？动力电池市场将上演“三国杀”？
撰文/记者 赵天宇 编辑/陈永杰
新媒体编辑/聂淑芳
采访专家
张 强（清华大学化学工程系教授）
俞振华（中关村储能产业技术联盟理事长）
杨 军（上海交通大学化工学院教授）
▲2021年8月23日《北京科技报》封面
“15分钟充电80%，零下20度电池不衰减”。不久前，动力电池“一哥”宁德时代召开了发布会，推出自己的第一代钠离子电池。很多人直呼：宁德时代这是要重塑电动车！
▲宁德时代推出钠离子电池（图片来源/视觉中国）
钠离子电池能否在三元锂电池、磷酸铁锂电池等一众对手中脱颖而出，引领潮流，成为下一代的电池技术？
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科幻小说为何难成现实？
令人稍感意外的是，钠电池的概念，是法国科幻作家凡尔纳于1870年，在著名科幻小说《海底两万里》当中最先提出。
小说里，鹦鹉螺号通过取得海水当中的电解质钠，制成钠电池作为能源来驱动前进，因为钠元素来自于海水，属于就地取材。
书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道一一实现，但钠电池潜水艇始终进展不大，一直到了上世纪70年代，随着第三次工业革命的到来，钠离子电池才被真正地研发出来，而与钠电池同时代诞生的，还有如今人们非常熟悉的锂电池。
如今四十多年过去了，锂电池早已广泛应用到生产生活当中，尤其成为新能源汽车的核心产品；但钠电池的发展却不怎么顺利，长期以来只小范围应用在储能电站、低速车领域，甚至到2011年，才有公司尝试将产品商业化。
钠电池，顾名思义就是用钠离子作为驱动的电池。通过钠离子在电池的正负极之间“跑来跑去”实现电荷移动的一种动力电池。因为自身“素质”不过关，被人遗忘在角落里。
钠离子电池为何一直被冷落？这其实与它的化学属性有非常直接的关系。实际上，无论是钠电池还是锂电池，它们的工作原理都是相似的：在电池阴极，元素失去电子，转变成为更高价的离子，随后进入电解质，穿过隔膜，向阳极转移：虽然离子能够穿过电解质和隔膜，但电子却不行，只能从外部的电路跑到阳极，并在外部做功。这就是电池的放电过程。
锂元素的原子量是6.94，在金属中最轻；锂元素的标准电极电位是-3.045V，在金属中最低；此外，锂元素的比容量也是金属中最高，同时其电化学当量最小。
这意味着，锂电池理论上能够获得最大的能量密度。在电池领域，如果暂不考虑安全和成本因素的话，能量密度拥有绝对的话语权—锂电池就是研发者眼中的首选。
然而打开化学课本的元素周期表，与锂离得最近的金属元素就是钠，它们都位于周期表的第一列，最外层电子数相同，化学性质相似，所以都能作为电荷搬运工，驱动电池充放电。
不过钠离子电池硬伤也比较明显，首当其冲的就是能量密度不足，锂的原子量是7，钠的原子量为23，原子量越小就意味着能量密度越大。
▲钠离子电池曾经被人遗忘（图片来源/视觉中国）
这就导致三元锂电池能量密度已经在200Wh/kg（瓦时每千克，比能量单位）以上时，钠离子电池仅100-150Wh/kg，即使宁德时代当前发布的钠离子电池能量密度可以达到160Wh/kg，与锂离子电池的差距也很明显，导致电池使用效率明显偏低。
其次钠离子半径比锂离子大70%，导致自身移动速度极其缓慢，没办法穿过负极石墨材料，也成为钠离子电池迟迟难以商用的瓶颈。
这样一来，在科学技术尚不发达的上世纪80年代，锂离子电池和钠离子电池走上了截然不同的道路：前者迅速商业化，成为消费市场必不可少的用品，后者则完全进入了停滞状态。
如今，宁德时代发布的钠离子电池，让更多人看到了这项“命途多舛”的技术，也让动力电池未来的发展之路，多了一个强有力的“潜在竞争者”。
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锂与钠的爱恨情仇
但实事求是地来讲，钠电池也并非一无是处，它有两个优势是锂电池无法比拟的。
首先在储备量方面，锂资源的储量有限。数据显示，目前70%的锂资源分布在南美洲，而现阶段我国80%锂资源依赖进口，随着需求量的增加，锂元素的价格也一路飙升，从最初的3.8万元一吨涨到16万元一吨。
此前，中国工程院院士陈立泉就曾明确表示，如果全世界的车都使用锂离子电池，全世界的电能都用锂离子电池储存，锂根本不够，一定要考虑新的电池。
▲2021年上半年全球动力电池装机量榜单（图片来源/视觉中国）
钠资源储量就很高，仅仅中国一个察尔汗盐湖中，氯化钠储量就高达426.2亿吨，大约是全球锂资源储量的一百多倍，可以说钠资源是非常“优秀”的“非再生能源”。
其次在使用属性上，尽管钠离子能量密度不佳，但它的化学性能相对稳定，所以它对温度并不敏感，不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶，在抗低温和安全性上较同类别的锂离子电池也有明显的优势。
所以从理论上，只要能让钠离子在电池当中自由游走，就有希望解决钠电池能量密度偏低的问题，钠电池也就有了“逆袭”锂电池的希望。在国际竞争加剧，全球能源转型、碳减排碳中和的大背景下，开发钠电池这样一条全新的产品路线，有非常丰富的政治和经济利益。
这或许正是宁德时代让钠电池“复活”的初衷。
记者了解到，现有的钠离子电池正极一般是用普鲁士白和层状氧化物两类材料，钠离子虽然能够穿行，但在循环过程中电池容量会快速衰减，导致电池能量密度明显衰减，非常不耐用。
于是宁德时代用全新思路开发的钠电池诞生了—对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减难题。在负极材料方面，开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性，并给正负极材料优化了相适配的电解液。
▲钠离子电池工作原理图（图片来源/视觉中国）
这样一来，让钠离子既可以在正负极之间自由穿行，又不至于过度地衰减能量。并且锂离子电池的生产线也可以用来生产钠电池，很好地控制了成本。
按照宁德时代对外发布的数据，技术优化以后“新生”的钠离子电池，单体能量密度已经达到了160Wh/kg，几乎达到磷酸铁锂电池（150-210Wh/kg）的标准。在常温下充电15分钟，电量可达80%；而在零下20°C低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。同时在系统集成效率方面，也可以达到80%以上。
“充电快”“耐低温”“高集成效率”几个关键词直击当下锂电池痛点，也让人们看到了新能源车续航问题的解决希望，以及动力电池未来的全新发展思路。
▲动力电池大PK（制图/柴青艳 ，点击图片可放大）
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能量密度低仍待解
时间拨回到一年半以前，2020年4月，比亚迪高调发布了刀片电池产品，希望从“续航性”与“安全性”两方面重塑磷酸铁锂电池，改变整个动力电池行业。
但实际情况是，刀片电池提升了续航性能，却无法规避低温影响，甚至有消费者反馈抗低温性能还不如三元锂电池。不少业内人士也指出，刀片电池只在体积利用率上进行了极限优化，并未真正做到革新材料。
这与如今宁德时代高调发布的钠电池，颇有些同病相怜之处。
在清华大学化学工程系教授张强看来，钠离子电池最大的问题，就是依然没能解决钠电池能量密度低的问题。
张强解释说，在乘用车领域，三元锂电池的能量密度已经朝300Wh /kg、甚至更高的目标迈进。相比而言，钠电池能量密度只有一半，和锂电池差距依然比较明显，和自身相比有进步，但在大环境当中能量密度依然偏低。“下一代钠电池能量密度目标虽然是200Wh/kg，但这个研发过程所需要的时间，目前很难估测”。
所以此次发布的钠离子电池，宁德时代给出了AB电池的解决方案，也就是将钠离子模组和锂离子模组按照特定的比例，封装在同一电池包内，达到“一机两用”的目的，创造出全新的锂钠电池，为应用创造了更多场景。
▲钠离子电池的应用场景（图片来源/视觉中国）
但这种一机两用的技术解决路径，更像是企业的自圆其说：因为此前从没有在任何主流新能源车型应用过这个方案，甚至连三元锂和磷酸铁锂两种锂电池混用的方法也不曾出现。对于追求超长续航、需要超高能量密度的中高端乘用车型来说，磷酸铁锂、三元锂电池甚至未来的固态电池，或许才是他们主流的选择。
“在没能大幅提升钠离子电池的能量密度前，钠电池在乘用车领域机会不多，首先应用的场景可能是储能领域。”中关村储能产业技术联盟理事长俞振华这样评价道。
但即便在储能领域，钠电池产业化之路也有诸多难题亟待破解：虽然海水、盐湖当中有丰富的钠，但我国相关提取技术并不成熟，需要一定时间培育上下游产业；尽管钠的价格低于锂，但较低的能量密度意味着更多的辅材和制造成本，根据相关试验测算，钠离子电池的辅材与制造成本占比近75%。
“在没有实现上下游产业链打通的前提下，钠电池并不容易控制成本。”上海交通大学化工学院教授、能源与技术研究所副所长杨军认为，按照目前的规模，形成真正市场化、产业化的钠电池产品，可能还需要2-3年，甚至更长时间。
尽管要想实现钠离子电池规模化还需要一段时间，但可以肯定的是，钠离子电池进军乘用车领域，是动力电池尝试向上游延伸，降低原材料价格波动影响的一种探索方式。不管产业化之路是否成功，它都为锂电池上游价格高涨敲响了警钟，也为能源转型、多技术路线的发展，提供了更多的思路和方法。
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磷酸铁锂电池迎来“翻身”
在钠电池高调进军动力电池领域之时，另一个现象也引发了业内人士的广泛
磷酸铁锂电池和三元锂电池是目前市场的两大主流，有观点认为它们本质上都是锂电池，只是材料构造存在区别：磷酸铁锂电池用磷酸铁锂做正极；三元锂电池也叫三元聚合物锂电池，主要是由镍钴铝或者是镍钴锰做正极。
但也有观点认为，磷酸铁锂电池本质上是铁电池，并非真正意义上的锂电池。所以两者在能量密度、安全性等方面有着不小的差距。
磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，难以分解，燃点是500℃以上，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热，或是形成强氧化性物质。因此磷酸铁锂电池稳定性更好，但磷酸铁锂电池也有明显的短板，即放热慢、产热少、能量密度低，不得不用提高体积比的方式，来换取更高的续航。
在传统认知中，磷酸铁锂电池虽然安全性表现更佳、成本更有优势，但从能量密度和续驶里程角度看，三元锂电池更胜一筹，所以在很长一段时间里，尽管锂电池导致的电动车自燃频频上演，但三元锂电池依然成为了市场的热宠。
数据显示，2017年磷酸铁锂电池市场份额尚且为49.6％，到了2018年跌至37.8%，到2019年更是下跌到32%。除了商用车以外，几乎所有乘用车都开始采用三元锂电池产品。
就在人们认为磷酸铁锂电池即将“优雅谢幕”之时，情况却发生了戏剧性的反转：先是磷酸铁锂电池市场份额止跌回升，从特斯拉Model3、Model Y到比亚迪汉、小鹏P5等等，越来越多车企开始推出装配磷酸铁锂电池的车型。
▲三元锂电池和磷酸铁锂电池咋使用材料方面的区别（图片来源/视觉中国）
来到2021年，磷酸铁锂电池市场份额进一步扩大。今年1-5月，国内磷酸铁锂电池产量29.9GWh，近三年来首次超越三元锂电池，这种颠覆性的变化在业内引发了广泛
中国电池工业协会副理事长王敬忠分析认为，磷酸铁锂电池在安全性能等方面的表现本来就优于三元锂电池，近年来随着技术进步，不仅其能量密度及续驶能力有所增强，而且成本也实现了大幅下降，使磷酸铁锂电池的“翻身”有了较为可靠的基础。
因此随着钠电池的入场，人们的
专家眼中的钠电池>>>
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钠离子电池未来有很多机会
中国科学院院士、北京大学物理学院教授甘子钊（摄影/张星海）
新能源汽车电池，目前行业内大量使用的是锂电池，使用钠电池的比较少，但钠电池相比于锂电池，还是有一定优势的。锂电池的负极用料是铜，而钠电池是铝，铝的价格比铜便宜得多，所以钠电池未来是有很多机会的。
关于电池的问题，如果深入研究下去，就牵扯到我们对当代凝聚态物理的了解了。在电池当中，传导是离子，随着凝聚态物理学的发展，对离子导电的认识也会更加清晰，最终带来电池行业的进步，而这恰恰是新能源汽车行业的重大进步。
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钠电与锂电不存在替代关系
清华大学化学工程系教授张强
在提倡节能减排碳达峰的大背景下，结合国家对于储能的需求来看，无论是磷酸铁锂、三元锂还是钠电池，存在都是有意义的。但钠电池与锂电池细分市场不一样，有各自的工作岗位和应用空间，目前并不存在谁替代谁的问题。
具体来看，锂离子能量密度高，所以在移动式场景优势会突出一些，比如乘用车领域；钠离子电池能量密度没有那么高，可能更适用于固定式储能，例如储能站当中。也需要
未来随着能源领域的转型，对于动力电池的需求量只增不减，会呈现一个供不应求的状态，所以从这个角度看，不管是钠电池还是锂电池，市场一定会遵循“哪个能造好用哪个，哪个更好用用哪个”的原则。黑猫白猫，抓到耗子就是好猫。
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钠电池必须提高自身“技术含量”
中关村储能产业技术联盟理事长俞振华
钠电池目前处于一个刚起步的状态。在学术上，钠离子电池没有形成统一的技术路线，入局的企业也处于“摸着石头过河”的状态；在产业上，宁德时代的电池也没有量产，甚至连关键材料的供应体系也不健全。
钠电池未来还有很长一段路要走。在乘用车领域，因为能量密度的问题，短时间内钠电池尚且无法和锂电池抗衡，必须提高自身的“技术含量”。
在储能电池领域，目前磷酸铁锂电池是储能电池的主要技术路线。钠离子电池和磷酸铁锂电池，能量密度差距已经缩小了很多，所以未来技术成熟以后，市场可能会有一些差异性的选择，这也是钠离子电池的一个机会。
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钠电池尚不能量产，需要市场检验
上海交通大学化工学院教授、能源与技术研究所副所长杨军
现在发布的钠电池，能量密度已经达到160Wh/kg以上，这个数字是相当高了，进步也是非常明显的，但需要注意的是，并不是说这款电池现在就能大量生产。相反的是，可能还要等两三年才能真正上市，无论上市以后面对的是储能领域还是乘用车领域，都需要市场来检验，这到底是不是一款满足需求的产品。
至于三元锂和磷酸铁锂电池占比的问题，还需要具体问题具体分析，它们的使用场景是不同的，有成本的因素也有安全的因素，比如说无人机的电池，就必须要求能量密度非常高，磷酸铁锂电池就不合适，所以这方面实际上很难预测。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
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