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钠电池并非替代锂电池

来源:电车商业研究 | 作者:admin | 分类:分析 | 时间:2022-11-01 | 浏览:15494
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锂电网讯:2021年7月19日,随着宁德时代正式发布新一代钠离子电池,原来埋头研发钠电池的公司瞬间从门口罗雀到蓬荜生辉、高朋满座。2022年8月20日《电车商业研究》新型电池技术闭门研讨会上,特意邀请了哈尔滨工业大学原电化学系主任、深圳大学材料学院电化学创系主任王振波教授与钠电池创业企业就钠电池技术发展趋势做了交流。

我基本认同王教授对钠电池产业化发展的判断:各类钠电池体系都在努力研发与改进,真正形成产业化大批量商业应用还需要三五年时间。但在这一年多时间里,涌现了很多创业公司或者上市公司进入钠电池赛道,纷纷发布研发与中试量产公告,行业内与投资界期待、亢奋与质疑并存。

本文归纳总结了包括笔者本人在内的很多业内人士对钠离子电池的看法,以供业内从业人员、产业研究、创业投资、政府招商引资等工作者参考。


钠电池的优劣势

1、优势

与锂资源相比,钠资源储量非常丰富,所以在大规模应用的场景下,钠电池没有明显的资源约束。而且,钠电池的正极材料、集流体材料的理论成本比锂电更低,在完成产业化降本之后,其初始投资成本有望较锂电更低。 

钠电池可以在-40℃到 80℃的温度区间正常工作,-20℃的环境下容量保持率接近 90%,高低温性能优于其他二次电池。

钠电池的内阻比锂电池高,在短路的情况下瞬时发热量少,温升较低,热失控温度高于锂电池,具备更高的安全性。

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2、劣势

钠电池的缺点是钠元素分子量较高,钠电位更高,体积更大,在嵌入正负极时易使极片材料发生较大的体积变化,因此,钠电池在材料结构稳定性和动力学性能上要求更为严苛。故钠电池存在能量密度低、倍率性能欠佳、循环寿命短等相对劣势。

目前已公布的主流钠电池能量密度一般在100-150Wh/kg,而磷酸铁锂电池可以达到150-200Wh/kg,三元锂电池更是能达到200-250Wh/kg。再看循环寿命,钠电池一般在1000-4000次之间。相比之下,磷酸铁锂电池循环寿命则在3000-10000次之间。

市场对钠电池的期待,很大程度上取决于它在理论上的成本优势。而成本优势都是在对比中产生的,目前锂电池的关键原材料碳酸锂价格高企,放大了钠电池的成本优势,而一旦碳酸锂价格进入下降通道,锂电池价格也会快速走低,无形中抹消了钠电池的优势。

并且,与产业较为成熟的锂电池相比,钠电池行业还远未形成规模化量产,目前存在产业链不健全的瓶颈,导致目前电芯价格比磷酸铁锂还要高。


钠电池的正负极材料体系及技术改善方向

钠电池正极材料主要有四种:过渡金属层状氧化物(容量大,衰减快)、普鲁士蓝型化合物(循环好,制备难)、聚阴离子型化合物(循环好,导电差)、有机小分子化合物(种类多,易失效)。

钠电池负极材料同样有四种:碳材料(成本低,导电性高)、钛基化合物(稳定性好,导电性差)、合金化材料(容量高,稳定性差)、相转化材料(容量高,导电性差)。

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当前国内钠电池的技术路线与改进思路:

(1)筛选电池正极、负极材料,进行粒度、孔径、组成、结构等层面上的优化改性;

(2)匹配电解质材料,优化电解质组成、浓度、溶剂化构型,辅以功能性添加剂;

(3)研究以电极为主体,以界面、电解质为重要组成部分的电极体系在不同温湿度环境、不同充放电条件下的电化学储能特性,以反馈优化电池体系的设计;

(4)组装圆柱/方形铝壳电池,进一步评价及反馈优化全电池的组成与结构,以期在提升钠离子全电池的能量密度、循环寿命的同时,控制电池成本;

(5)在平衡性能与成本的基础上,复合超级电容器等器件,以改善电池功率特性。


钠电产业化进程

自1991年第一支商业化锂电池从索尼实验室诞生至今,锂电池经历了多年验证。从早期消费电子的钴酸锂、锰酸锂到目前新能源汽车常用的三元锂、磷酸铁锂,锂离子电池的定型走了二十年,钠电池行业如何在众多材料体系中短时间确定那种材料体系将是未来主流?

笔者翻阅了《高工锂电》2014年9月1日的刊文:《锂电正极材料路径:三元取代钴酸锂之“路漫漫”》,文中写道:“正极材料钴酸锂经过多年的发展,已经占据锂电池应用市场的半壁江山。作为后起之秀的三元材料,乘着Tesla的春风,也在慢慢侵入整个应用市场。在业内人士看来,鉴于目前钴酸锂的市场地位,三元材料取代钴酸锂之路仍然任重道远。目前钴酸锂的应用市场广阔,企业不可能轻易放弃钴酸锂这片森林,走上三元材料独木桥式的道路。”

也就是说目前我们常见的三元锂电池材料体系在业内8年前依然是不明确的,是争论的焦点。钠电池材料体系的还没有经历锂电池这样的验证过程,没有长时间的装机验证。钠电池的性能真像实验室里测试的那么好?钠电池材料体系最后谁会胜出?业内谁也不知道。当笔者问到这个问题时,跑在最前面的几家钠电企业异口同声地说:让市场鉴定,让时间来验证。

这正说明钠电池材料体系的确定依然需要时间,需要示范工程,需要不断地试。


钠电应用场景探讨

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1、两三轮车端应用:钠电池成本优势目前还只体现在理论上。现阶段,和已经发展成熟,靠规模化生产降低了大量成本的锂电池相比,尤其是梯次循环利用的锂电池相比,钠电池实际上并不具备成本的优势。

2、汽车端应用:谁先用?大巴、网约车在锂电池应用过程中已经吃过一次螃蟹了,还要再吃一次?况且公交车与网约车的电动化已经基本完成,没有太多新的需求;乘用车消费者为什么要用钠电池做的车,是更便宜?还是性能更佳?可能宁德时代的客户群里有一些会试试它的钠电池与锂电池AB合配,但都会小心谨慎地试。车企不敢大规模使用未经验证的技术,一旦出问题,导致车辆召回就前功尽弃了。

3、储能端应用:钠电池自诞生以来就面临循环寿命低的问题,因此导致了钠电池当下仅有个别储能领域的示范项目,大规模应用还没有稳定的刚性需求;另外钠电池能量密度低,也决定了用钠电池建的储能电站占地面积、所用箱体、线缆等成本上涨,小规模示范都不要紧,大规模商业化就会计算这些成本,电网端与工商业储能都要计算全生命周期成本回收的,这些层面都制约了其产业化进度。

4、通讯基站端应用:钠电池性价比明显比老旧基站使用的铅酸电池要高,但与退役二次使用的磷酸铁锂电池相比,又显得鸡肋。

总体来讲钠电池替换原来的铅酸应用场景是没问题的,铅酸电池市场规模也挺大,这是钠电池可以先行进攻的市场。


钠电池企业投资回报的问题

目前根据中国锂电行业的发展态势,业内基本认同单一生产基地达到10GWh以上才具有经济性,那么我们以现在的物价来估算一下建设一个10GWh的锂电生产基地所需资金。采购相关产线设备需要20-25亿人民币,加上地面建筑与辅助动力10亿左右,外加流动资金15亿左右,需要有45-50亿人民币。根据目前我对钠电池的了解,生产工艺也差不多,需求资金也相差无几。

据测算,三元锂目前价格在1.1-1.2元/Wh左右,磷酸铁锂电池目前价格在0.85-0.95元/Wh之间,钠电池售价预估在0.6-0.7元/Wh之间。在设备、生产节拍、人员配备相同的条件下,钠电池生产产值只有三元锂电池的一半、磷酸铁锂电池的六七成,在大部分锂电企业都在盈亏平衡点周围徘徊的情况下,钠电企业如何收回投资呢?要解决这个问题,单纯指望钠电池材料降价与复用锂电淘汰产能是做不到的。需要在生产工艺上改进,生产设备上提速,在原材料上降本增效。

还有一个钠电池视为机会,但同时也是捅向自己的一把双刃剑:锂电池的材料是贵金属,既稀缺又贵,但有回收价值!钠电池没有贵金属,但同时也没有回收价值。废旧钠电池处理,谁来出钱?


钠电投资机会

个人认为投资机会在于抓住钠电池材料企业,锂电池成本构成中电池材料占比超过75%,其中正极负极材料占到55%,隔膜和电解液占比为20%。钠电池成本比的占比与锂电池类似,所以未来从投资的角度,我们应该重点关注正极、负极、电解液、隔膜四大主材,那么哪种材料体系将会胜出?就看投资人的眼光与运气了。

由于钠电池的先天性缺点,天然将更加依赖导电剂、各种添加剂,所以这些非专业人士看不到的细分领域也是专业投资人应该重视的。

钠电池电芯头部企业原则上将在目前的锂电企业中产生,主要原因有二:一是钠电池生产工艺与设备与锂电池基本相同,锂电企业在人、财、物三方面都有优势;二是钠电池应用场景是锂电池的补充,没有完全替代的变革性应用,锂电企业在业务端有现成的人员与应用客户可以试,一边试一边等钠电池材料体系成熟完整。他们不会主动去破坏锂电的市场,同时将钠电池在其它应用场景做大蛋糕。


最后

没有经过市场验证过程,钠电池成熟度难以与锂电池相媲美,三五年内不具备爆发条件。

不论是储能还是其他领域,钠电池很难完全取代锂电池,是锂电池的一种补充,一种平衡,而非替代。

如果钠电池不能将资源优势转化为综合成本优势,连锂电池补充与平衡的资格都没有,钠电企业真的不要急,要稳健地慢慢走。

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