近年来,钠离子电池在新能源领域崭露头角,备受关注。你是否好奇,它究竟是何方神圣,又为何能异军突起呢?
其实,钠离子电池的诞生与锂离子电池几乎同步,早在 20 世纪 70 年代,二者就携手起步。只不过,当时锂离子电池凭借高能量密度的优势,率先实现大规模商业化应用,如同班上的 “尖子生”,一路遥遥领先;而钠离子电池却如同被埋没的 “潜力股”,发展缓慢,在很长一段时间里都处于 “无人问津” 的状态。
直到近些年,情况发生了变化。随着新能源车产业蓬勃发展,电池原材料需求大幅增加,锂资源供不应求,价格水涨船高。据统计,2020 - 2022 两年内锂的价格翻了近 10 倍,这使得锂离子电池制造成本不断攀升。与此同时,我国锂矿资源进口依赖占比超过 70%,面临着被 “卡脖子” 的风险,一旦供应受阻,相关产业链将遭受重创。在这样的背景下,人们急需寻找锂离子电池的替代品,钠离子电池便重新进入了大家的视野。
从原理上讲,钠离子电池与锂离子电池十分相似,都属于二次电池,也就是我们常说的充电电池,靠金属离子在电池内移动实现充放电,就像两个孩子玩 “搬家” 游戏,锂离子或钠离子在正负极之间往返穿梭,实现充电和放电。充电时,钠离子从正极活性材料晶格中脱出,“搬家” 到负极并嵌入负极活性材料晶格中;放电时,则反其道而行之,钠离子从负极回到正极。二者的主要区别之一在于电荷载体不同,锂离子电池用的是锂,而钠离子电池中的电极材料为钠盐。
钠离子电池之所以备受期待,源于它自身诸多显著优势。
资源储备上,钠元素在地壳中的丰度极高,达到 2.75%,是锂元素(0.0065%)的 423 倍,且分布广泛,全球各地都有大量钠资源储备,不存在被少数地区 “垄断” 的情况。相比之下,锂资源不仅稀缺,我国锂矿资源进口依赖占比还超过 70%,供应稳定性差。从成本角度考量,钠资源丰富使得其价格低廉,仅为锂资源的 1.33%,碳酸钠每吨约 5000 元,而碳酸锂曾高达 50 万元 / 吨,钠离子电池正负极集流体均可使用更便宜的铝箔,锂离子电池负极却需用高价铜箔,加上钠离子电池正极采用廉价过渡金属,综合成本比锂离子电池低 30 - 40%,这在大规模应用场景中优势巨大。
性能表现方面,钠离子电池也可圈可点。安全性上,它堪称 “优等生”,过充、过放、短路等极端情况,都能 “处变不惊”,热失控温度更高,电解液不易燃爆,相比锂离子电池易起火爆炸的隐患,安全性优势突出。在低温环境下,钠离子电池放电效率依然较高,- 40°C 时仍能保有 70% 电量,而锂离子电池低温下放电效率会大打折扣,这让钠离子电池在寒冷地区或冬季应用更具优势,比如北方冬季户外的低速电动车、储能设备等场景。并且,钠离子电池充电速度快,能在短时间内补充大量电量,满足快速补能需求,像电动两轮车临时停靠充电,短时间就能继续行驶较长距离。
从环保角度而言,钠离子电池同样表现出色。其生产过程相对绿色,不涉及稀缺、难开采或高污染的原材料,报废后处理难度低,对环境影响小,不像铅酸电池含有大量铅等重金属,会造成土壤、水源污染,钠离子电池无疑是更环保的选择,契合当下全球绿色发展潮流,在未来能源体系构建中有广阔空间。
在全球范围内,众多企业纷纷布局钠离子电池领域,一场没有硝烟的 “竞赛” 正在悄然展开。据不完全统计,国内外已有近三十家企业投身其中,为钠离子电池的未来发展 “添砖加瓦”。
国内企业更是一马当先,展现出强大的创新活力与发展潜力。宁德时代堪称行业 “领头羊”,2021 年便推出第一代钠离子电池,电芯单体能量密度高达 160Wh/kg,达到当时全球顶尖水平,还创新性提出 AB 电池解决方案,实现钠离子电池与锂离子电池集成混合共用,计划在 2025 年推出第二代产品,向更高性能发起冲击。中科海钠也毫不逊色,2020 年 9 月就实现钠离子电池量产,产能达 30 万只 / 月,是全球首个批量生产钠电池的企业,其产品能量密度接近 150Wh/kg,循环寿命超 4500 次,高低温性能、安全性、快充能力俱佳,还联合中科院物理所打造全球首套 1MWh 钠离子电池光储充智能微网系统,在山西太原综改区成功运行,为钠离子电池商业化应用提供范例。
比亚迪、欣旺达、鹏辉能源等企业同样积极进取。比亚迪推出钠离子电池储能系统,有望在家用、工业储能领域大展拳脚;欣旺达较早开展钠离子电池研究,手握多项专利,积极探索产学研合作;鹏辉能源已完成小批量试产,送样下游试用同时,与上游供应商紧密洽谈合作,持续优化电池性能。
从产业化成果来看,国内钠离子电池项目多点开花。2024 年初,比亚迪(徐州)钠离子电池项目在徐州经济技术开发区开工奠基,计划总投资 100 亿元、年产能 30GWh,致力于钠离子电池电芯及配套产品生产。同月,总投资 20 亿元的瓦司特钠钠离子电池正极材料项目落户湖南长沙望城经开区,将建设年产 5 万吨生产线,为钠离子电池产业发展筑牢根基。
在应用端,钠离子电池已逐步从实验室迈向市场。在储能领域,南方电网广西电网公司投运的我国首个大容量钠离子电池储能电站 —— 伏林钠离子电池储能电站,采用全新自主研发技术,本期投产规模十兆瓦时,实现能量转换效率超 92%,22000 多个电池温差不超 3 摄氏度,关键指标优于同类锂离子电池储能系统,为大规模储能应用提供有力支撑;大唐湖北 100 兆瓦 / 200 兆瓦时钠离子新型储能电站科技创新示范项目一期工程建成投运,投产规模 50 兆瓦 / 100 兆瓦时,是全球最大钠离子电池储能项目,单次充电可储存 10 万度电,能满足约 1.2 万户家庭一天用电需求,年减排二氧化碳 1.3 万吨,经济效益与社会效益显著。在低速电动车、电动两轮车领域,钠离子电池凭借成本低、安全性高、低温性能好等优势,开始逐步替代铅酸电池,市场渗透率稳步提升,像部分地区的共享电单车已换装钠离子电池,续航、安全性得到保障。
虽然现阶段钠离子电池总体仍处于产业化初期,尚未形成如锂离子电池那般的规模效应,在能量密度、循环寿命等方面还有提升空间,但发展势头迅猛,未来可期。随着技术持续突破、产业链不断完善,钠离子电池有望在更多领域 “大显身手”,成为推动全球新能源发展的重要力量,改写未来能源格局。
钠离子电池宛如一颗冉冉升起的新星,在新能源的浩瀚星空中绽放着独特光芒。它既拥有资源丰富、成本低廉、性能卓越、绿色环保等诸多优势,又面临着成本控制、性能提升、产业链完善、市场推广等重重挑战。
在全球能源转型的滚滚浪潮中,钠离子电池承载着人们对未来能源的美好憧憬。随着科研人员的不懈钻研、企业的奋勇拼搏以及各方力量的协同合作,相信钠离子电池必将逐步突破发展瓶颈,拓展更广阔的应用天地,在储能、交通、通信等诸多领域大显身手,为人类迈向绿色、低碳、可持续的能源新时代提供坚实支撑。
让我们拭目以待,持续关注钠离子电池的成长与蜕变,共同见证它为能源领域带来的深刻变革,助力地球家园更加清洁、美好。