“電池國(guó)家隊(duì)”研發(fā)出新型鈉離子電池，價(jià)格比肩鉛酸電池，電芯月產(chǎn)能已達(dá)30萬(wàn)只

鋰電池已經(jīng)成為幾乎所有儲(chǔ)能領(lǐng)域的首選，在性能上，鋰電池的能量密度也明顯優(yōu)于其他電池路線(xiàn)。但在巨大的儲(chǔ)能市場(chǎng)面前，鋰元素本身的稀缺性和高昂價(jià)格，為其他電池路線(xiàn)留下了市場(chǎng)空間。

“鋰電的性能，鉛酸的價(jià)格”。一家名為中科海鈉的電池初創(chuàng)公司提出了區(qū)別于市面上電池產(chǎn)品的鈉離子電池，欲在追求性?xún)r(jià)比的儲(chǔ)能市場(chǎng)上分一杯羹。

中科海鈉團(tuán)隊(duì)成員來(lái)自被稱(chēng)為“電池研發(fā)國(guó)家隊(duì)”的中科院物理所二次電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)，其開(kāi)發(fā)的鈉離子電池產(chǎn)品在性能上對(duì)標(biāo)鋰電池，包括使用壽命相當(dāng)，快充快放，且能量密度可達(dá) 140Wh/kg。而在成本上則明顯優(yōu)于鋰電池，甚至可以比肩在市場(chǎng)上處于低端的鉛酸電池。該電池負(fù)極材料以煤作為原料，正極以廉價(jià)金屬氧化物為原料，成本優(yōu)勢(shì)明顯。

今年，中科海鈉的鈉離子電池產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，是全球首款具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品化鈉離子電池。該公司數(shù)據(jù)顯示，目前電芯產(chǎn)能可達(dá) 30 萬(wàn)只/月，而且已經(jīng)獲得了來(lái)自印度市場(chǎng)的訂單。

鈉離子電池重出江湖

在今天看來(lái)，鋰電池已經(jīng)成了各種電子設(shè)備電池、動(dòng)力電池的絕對(duì)主流選項(xiàng)，相較而言，鈉離子電池的市場(chǎng)份額幾乎可以忽略不計(jì)。但在研究歷程上，兩個(gè)技術(shù)路線(xiàn)有著幾乎同步的起點(diǎn)。

上世紀(jì) 70 年代，鈉離子電池和鋰離子電池都是電池領(lǐng)域科學(xué)家研究的重點(diǎn)方向。讓兩者真正分野的索尼在 90 年代成功將鋰電池商用化，在消費(fèi)電子領(lǐng)域大面積鋪開(kāi)了鋰離子電池。商用化的順利進(jìn)行反向抑制了鈉離子電池技術(shù)路線(xiàn)的發(fā)展。

此后，雖然應(yīng)用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒(méi)有取得決定性的突破。

不同于其他需要氧化還原反應(yīng)的電池，鈉離子電池與鋰離子電池都屬于“搖椅電池”——需要離子自己在陰陽(yáng)極之間來(lái)回穿梭，以達(dá)到充放電的目的。換句話(huà)說(shuō)，陰極和陽(yáng)極起到的作用就是收集、儲(chǔ)存和釋放用以產(chǎn)生電流的離子。

上世紀(jì) 80 年代，鋰離子的陰極材料研究首先取得突破，以鈷酸鋰為代表的陰極材料，和通常由石墨構(gòu)成的陽(yáng)極材料組合，讓鋰離子電池獲得了極佳的性能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)。

而鈉離子電池的電極材料研究卻遠(yuǎn)沒(méi)有這么順利。當(dāng)時(shí)商用的鋰離子電池循環(huán)壽命能達(dá)到鈉離子電池的 10 倍左右。這是因?yàn)閮煞N電池的產(chǎn)品性能表現(xiàn)相去甚遠(yuǎn)。鋰離子電池獲取了科學(xué)家和資本、產(chǎn)業(yè)的絕對(duì)關(guān)注。

鈉離子電池再次進(jìn)入主流科學(xué)家的視野是在最近十余年。在全球擁抱鋰電池之后，科學(xué)家通過(guò)計(jì)算認(rèn)為，如果說(shuō)地球上的內(nèi)燃動(dòng)力都換成電池動(dòng)力，鋰電池是不夠的，主要原因是鋰元素本身不足。

中科海鈉 CEO 唐堃表示，地球上的鋰大概有不到 7000 萬(wàn)噸，而鈉的存量大概比鋰大三個(gè)數(shù)量級(jí)，在整個(gè)地球的元素豐度中占 2.3%，可謂取之不盡用之不竭。

在“前瞻性”思維的推動(dòng)下，鈉離子電池路線(xiàn)重新獲得了研究者的關(guān)注。且鈉離子原理跟鋰電池完全一樣，工藝也基本一樣，只是金屬元素性質(zhì)上存在一些差別，因此鈉離子電池成為一個(gè)順理成章的替代選擇。

如前文所說(shuō)，鈉離子電池此前在循環(huán)壽命上存在巨大短板，經(jīng)過(guò)十年左右的科研突破，鈉離子電池的性能表現(xiàn)也有了明顯改善。

唐堃表示，到了 2017-2018 年，他們團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的鈉離子電池循環(huán)壽命已經(jīng)達(dá)到2000 次。

“我們?cè)谥锌圃何锢硭隽顺^(guò)十年的研究，最終在 2016 年左右，找到了一款我們認(rèn)為可以商業(yè)化的低成本的鈉離子電池，其中包括了正極材料、負(fù)極材料和電解液組成的完整的電池體系，此后開(kāi)始商業(yè)化路線(xiàn)探索?！?/span>

降低價(jià)格的三個(gè)步驟

一個(gè)常見(jiàn)的鋰電池一般包括了正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜和電池外殼。正極、負(fù)極和電解質(zhì)都是電池的關(guān)鍵部分。

作為一個(gè)整體的系統(tǒng)，電池的能量密度與正極、負(fù)極、電解液都是相關(guān)的，而且正極材料是這三者中的短板。如常用作負(fù)極的石墨電極，其容量在很早以前就達(dá)到了  350mAh/g。但對(duì)正極材料來(lái)說(shuō)，即使是目前較前沿的 NCM811，容量也僅在  200mAh/g 左右。

此外，正極、負(fù)極、電解液三者之間也互相影響，任何一邊材料的改變都可能需要對(duì)另外兩者的材料進(jìn)行調(diào)整。只有完美的匹配這三種關(guān)鍵材料，電池作為一個(gè)完整體系才能最終成立。

唐堃介紹，他們團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)出了一種新的使用廉價(jià)元素的層狀氧化物作為高性能正極材料，這也是該團(tuán)隊(duì)的鈉電池產(chǎn)品的核心技術(shù)之一。

中科海鈉董事長(zhǎng)、中科院物理研究所的胡勇勝研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表的論文顯示，結(jié)合了元素?fù)诫s比例等方法，他們?cè)O(shè)計(jì)了新一代高比容量 Cu-Fe-Mn 基正極材料，在 2.5~4.0 V的電壓范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) 130 mA·h/g 左右的比容量。

唐堃表示，區(qū)別于多數(shù)鋰電池領(lǐng)域的研究進(jìn)展，這種正極材料的提出對(duì)鈉離子電池來(lái)說(shuō)算是一個(gè)非常底層的研究突破。就像諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 John B. Goodenough 提出的磷酸鐵鋰正極材料，是一個(gè)非常底層的材料專(zhuān)利。

在材料選擇上，胡勇勝的研究團(tuán)隊(duì)最后沒(méi)有考慮鎳、鈷這樣的昂貴的金屬材料，而是選擇了便宜的銅、鐵、錳。“這三種價(jià)格非常便宜的金屬元素，雖然在性能表現(xiàn)上不如鎳、鈷這樣的貴金屬，但整體表現(xiàn)不錯(cuò)，且價(jià)格明顯更低?！?/span>

這也突出了鈉電池在性?xún)r(jià)比方面的追求。

在負(fù)極材料方面，常規(guī)鋰電池的負(fù)極材料是石墨，但主流的快充電池和鈉離子電池都無(wú)法再用石墨做負(fù)極。對(duì)于鈉離子電池來(lái)說(shuō)，由于鈉離子比鋰離子要大得多（直徑比鋰離子大了約 50%），所以無(wú)法被常用于制造鋰離子電池陽(yáng)極材料的石墨吸收。

找到合適的負(fù)極材料也是鈉電池體系的又一重點(diǎn)。近幾年出現(xiàn)的硬碳材料作為一種新的負(fù)極材料，也能用在鈉離子電池體系當(dāng)中，但阻礙其商用的還是價(jià)格問(wèn)題，目前，商業(yè)上能買(mǎi)到的最好的硬碳價(jià)格約為 20 萬(wàn)元一噸。

在這方面，該團(tuán)隊(duì)首次提出了用基于無(wú)煙煤材料制成鈉離子電池的負(fù)極材料。當(dāng)前煤的成本約為 500-1000 元/噸，將其進(jìn)一步加工成負(fù)極使用的碳材料，所需的成本也少于 2 萬(wàn)元/噸。

在電解液方面，目前常用鋰離子電池使用六氟磷酸鋰做電解質(zhì)鹽，主要成本也來(lái)自鋰元素。鈉離子電池使用基本一致的溶劑，把電解質(zhì)鹽對(duì)應(yīng)的替換為六氟磷酸鈉。而六氟磷酸鈉規(guī)模生產(chǎn)后，成本會(huì)顯著低于六氟磷酸鋰，原因還是在于鈉元素的價(jià)格要遠(yuǎn)低于鋰元素的價(jià)格。

正極、負(fù)極、電解液三者成本的降低，共同決定了電池體系價(jià)格較鋰電池更便宜。

用武之地

衡量電池有多個(gè)評(píng)價(jià)維度，成本、能量密度、壽命等，而不同電池在三個(gè)方面可能有著各自不同的優(yōu)越性。

理論上，材料屬性決定了鈉離子電池在能量密度的上限低于鋰電池。唐堃表示，在體積相同的情況下，鈉離子電池的容量約為鋰電池的 80%。

唐堃認(rèn)為，鈉離子電池的市場(chǎng)定位則瞄向了對(duì)能量密度要求相對(duì)不高的場(chǎng)景。

對(duì)于手機(jī)、無(wú)人機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，重量和體積都非常敏感。這些場(chǎng)景需要繼續(xù)使用鋰電池的路線(xiàn)。

而對(duì)于大型儲(chǔ)能電站來(lái)說(shuō)，電池體積的大小并不是首要考慮因素，除了壽命、安全等因素的考量，成本也是儲(chǔ)能電站的重要考慮因素。這些才是鈉離子電池的目標(biāo)市場(chǎng)。

另一個(gè)場(chǎng)景就是替換市場(chǎng)上的鉛酸電池。

目前市場(chǎng)上的鉛酸電池基本上用到 1-1.5 年就要更換新的電池，壽命最長(zhǎng)不超過(guò) 3 年。另外鉛酸電池還面臨污染和回收的問(wèn)題，鉛酸電池以鉛作為極板原料，鉛本身就是一種重金屬污染物，對(duì)人體和環(huán)境都有嚴(yán)重害處，且回收成本高。所以鉛酸電池的制作和回收是制約其可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。

“鉛酸電池與鋰電池的價(jià)格相差接近一倍，我們規(guī)劃之后是要實(shí)現(xiàn)用便宜的元素，實(shí)現(xiàn)鉛酸電池的價(jià)格，而在性能上又能對(duì)標(biāo)鋰電池。這是我們公司的一個(gè)產(chǎn)品定位。”

電池開(kāi)發(fā)的“國(guó)家隊(duì)”

公司信息顯示，中科海鈉成立于 2017 年 2 月，專(zhuān)注鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)，其中研發(fā)團(tuán)隊(duì)有院士 1 名，研究員 2 名，博士 11 名，碩士 6 名。公司創(chuàng)始人均出自中國(guó)科學(xué)院物理研究所。其中胡勇勝為技術(shù)帶頭人，自 2011 年起致力于鈉離子電池技術(shù)研發(fā)，在鈉離子電池正負(fù)極材料、電解液等方面取得突破。

唐堃告訴 DeepTech，中科院物理所電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以說(shuō)是二次電池研發(fā)的國(guó)家隊(duì)，從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始專(zhuān)注鋰離子電池研發(fā)，在電池研發(fā)領(lǐng)域也曾孵化過(guò)其它公司。在技術(shù)路線(xiàn)上覆蓋了固態(tài)電池、鋰電池、鈉離子電池等。

“鋰離子電池已經(jīng)是市面上的絕對(duì)主流，固態(tài)電池的研究如今也是電池研發(fā)領(lǐng)域的一大熱門(mén)，但在電池這個(gè)市場(chǎng)上，不會(huì)有一種電池能夠收割所有的儲(chǔ)能市場(chǎng)?！碧茍胰绱烁爬?。