当我们的注意力还停留在“宝马展台派发冰淇淋”引发的舆论混战中时,上海车展上的专业观众已经在探讨下一代的电池新技术了;在新能源车成为绝对主角的本届车展上,钠离子电池成了暗含爆发潜质的新技术方向之一;据报道宁德时代钠离子电池将搭载于奇瑞汽车新能源品牌iCAR的首款新车,“采用钠离子电池和锂离子电池混装方案”,而该车预计今年四季度上市;这或许将是世界范围内最早一批量产的钠离子动力电池之一。
一、比亚迪的钠离子电池也要在下半年量产上车,据了解,其搭载的车型为“海鸥”。保时捷全球执行董事会成员冯佩德认为,“中国市场从燃油车向纯电动车的转型非常快,超过了世界上所有其他地方的总和,也比我们想象中更快。”那么下一个技术的突破,是否也会在这里发生呢?
1、成本倒逼下,重启的技术路径
1)一季度我国“新三样”出口成为爆款,合计出口额2646.9亿元,同比增长66.9%。在这“新三样”里面,就包括电动载人汽车和锂电池;但伴随新能源汽车销量持续大增,锂盐价格却始终处于高位。
2)在宁德时代发布钠离子电池产品的2021年7月,碳酸锂的价格一路飙升至约9万元/吨,相比2020年底上涨行情启动前的约4万元/吨低点已翻倍有余。如今,经历了大幅涨跌之后,碳酸锂报价依然高达20万元/吨。
3)锂在地球上从来不是稀缺资源。目前,全球已探明的锂矿储量超过1亿吨,完全能满足需求——但中国锂矿的使用瓶颈,在于性价比低、开发成本高。广汽集团董事长曾庆洪在2022年表示,电池太贵了,“已经占到汽车总成本的60%。”
4)当电车价格跟着锂矿价格飞涨,碳酸锂资源的稀缺对电车发展的限制越发明显。
5)宁德时代启动钠离子电池技术的研发,与此前受到热议的“锂矿返利”计划一样,或许正是出于控制上游成本的考量。
6)对锂离子电池和钠离子电池的研究,在50多年前实际上几乎是同时起步的。1981年,石墨储锂机制被发现,这意味着可以用石墨作负极,用锂化合物作正极来构造锂电池。这是一个相对平衡的方案,其能量密度的理论上限超过300Wh/kg,且比用金属锂作负极的方案更安全。因此,一段时间内,锂离子电池成为优选方案,而钠离子电池则长期停留在了实验室阶段,研究进展缓慢;近十年钠离子电池的相关研究才迎来增长,并在近几年加速产业化实践。
2、据了解,宁德时代已在宁德建成一条钠离子电池中试线,中试线一般是启动大规模量产前的验证。
1)业内人士表示,钠离子电池关键材料和电池制造等相关公司目前多数处于从中试迈向量产阶段。随着钠离子电池企业成功量产和订单兑现,2023年钠离子电池有望实现初步产业化。
2)研究机构EVTank预测,2023年年底,全行业将形成13.5GWh的钠离子电池专用量产线产能;到2030年,钠离子电池的实际出货量或将达到347GWh。照此推算,2024年至2030年期间,钠电池出货量复合增长将达到58.1%。
二、2023年是钠离子电池元年?“综合来看,从低成本的角度,钠离子电池或将作为当下锂电池的补充,但不能取代锂电池。2023年是钠离子电池的元年,2024年是钠离子电池的成熟之年,将达到一定的规模效应,成本优势将会显现。”安徽江淮汽车集团股份有限公司思皓新能源电池系统技术总监秦李伟预测。
1、钠资源储量丰富,分布均匀,成本低廉,足以支撑电化学储能的持续发展。钠的开采成本很低,例如,盐就是一种常见的钠化合物(氯化钠),全球海洋中的氯化钠储量达4亿亿吨;在4月初举办的储能国际峰会中,中科海钠、鹏辉能源的销售人员称,他们的钠离子电池售价与磷酸铁锂电池持平。传艺科技在投资者互动平台上称,其钠离子电池售价预估为0.6元/Wh。
2、在正极材料上,钠离子电池也逐渐发展出几种主要路线:
1)普鲁士正极,包括普鲁士白和普鲁士蓝,它们都是钠和铁氰根组成的化合物;
2)层状氧化物正极,由钠和氧化金属组成,金属可为铜、铁、锰、镍等;
3)聚阴离子正极,它是各类金属磷酸钠,如磷酸铁钠和磷酸钒钠等。
3、据了解,宁德时代建设的钠离子电池中试线,主要押注层状氧化物路线,这也是进展最快的路线。宁波容百已与宁德时代达成了几十吨量级的层状氧化物送货协议,这大约能生产几十MWh钠离子电池;湖南法恩莱特新能源科技有限公司副总经理孔东波提醒,“应看到,整个钠离子电池面临很多问题挑战。首先,整个钠离子电池离子半径要比锂电池的离子半径大很多,从而造成动力学非常缓慢,电极材料体积变化大,循环性比较差。其次,负极目前困扰比较大,硬碳是目前钠电池唯一的负极材料,效率比较低。此外,正极材料还没有大规模的稳定量产,正极材料结构稳定性有待提高。”
三、硬碳,正是限制钠离子电池量产规模的主要瓶颈之一。
1、硬碳的主要材料是各种生物质原料,如椰子壳、螃蟹壳等。受限于原料特性,硬碳产能不稳定,一致性也不够好。
2、“这次的原料是海南椰子壳,下次又成了泰国椰子壳,最后产品性能就会不一样。”一位负极从业者解释。
3、如使用沥青基/树脂基替代生物质作硬碳材料,则需经过一连串高成本、高污染风险的化工处理。
据了解,目前国内能大规模量产硬碳负极的公司主要是锂电池负极材料公司贝特瑞和2018年成立的钠离子电池负极材料创业企业佰思格。其中贝特瑞是中国第一大的锂电池负极生产商,目前市值超300亿元人民币。
四、据川财证券分析,随着产业化元年来临,钠离子电池市场空间广阔。目前布局钠离子电池的企业主要可以分成两类:
1、第一类是专注于钠离子电池的创新型企业,技术大多数源自科研院所或高校,技术成熟度较高。例如:中科海钠的技术源自于中国科学院,钠创新能源的核心团队来自上海交通大学马紫峰教授的技术研发团队。
2、第二类是依托现有锂电池技术,向钠离子电池进军的传统电池企业。凭借资金和现有技术优势,这些企业快速切入钠离子电池产业链,典型代表例如:宁德时代、鹏辉能源等。
五、让寒冷的北方也能开上电动车:其实,钠离子电池的优势不止于成本低。
1、根据目前初步的高低温测试结果,钠离子电池在高、低温下性能更优异,在-40℃低温下可以放出70%以上容量,高温80℃可以循环充放使用。
例如,在上海车展中,宁德时代公布的钠离子电池能量密度指标为160Wh/kg。根据曾毓群介绍,其能量密度虽然与锂电池相比还是有差距,“但它在低温性能和快充上都有着很好的表现。”
2、为了最大程度地发挥这项优势,在A0级、A00级小车上,宁德时代给出了A、B电池混装方案:在一个电池包中搭配使用锂电池和钠离子电池。锂电池保证续航里程,钠离子电池受温度影响更少,可减少冬季的续航衰减。
3、钠离子电池目前的寿命也尚不能满足需求。储能电站要求电芯的充放电次数在8000次以上,而现在钠离子电池最多只能做到约4000次。
4、储能集成商由此开发了交替使用磷酸铁锂电池和钠离子电池的方案。一位头部储能电站集成商研发总监称,过去天冷时,需要用空调给锂电池加热,未来可以夏天用锂电池,冬天用钠离子电池。
5、寒冷天气下纯电车的使用受到很大的限制,因为在低温环境下,纯电车的续航里程都会有不同程度的缩减。一旦温度下降,电解质活性物质下降,电解液的黏度增加,从而化学反应变慢,实现不了足够的电势,电池的蓄电能力、输出表现自然也会变弱。
6、目前解决冬天电动车续航下降的成熟方式,是增加恒温系统——即在外界温度变低时,开启恒温系统来平衡电池温度。但该系统成本高,应用场景不广泛。
7、正是受到这一因素的制掣,在格外寒冷的我国北方地区,电动车成了“稀罕物”。以2022年9月新能源汽车零售销量为例,在全国城市新能源汽车销量排行前十中,唯一的一个北方城市是北京,其余城市皆位于较为温暖的地区。
8、也许钠离子电池技术的研发和应用,能够让寒冷地区的人们也放心地开上电动车。
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