早在1870年，法國(guó)預(yù)言家作家凡爾納就在《海底兩萬里》中，首次提出了鈉電池的構(gòu)想："鸚鵡螺號(hào)"通過取得海水中的電解質(zhì)鈉，制成鈉電池作為能源。

150年過去，書中預(yù)言的電擊槍、潛水服、海底隧道一一實(shí)現(xiàn)，但鈉電池潛水艇始終進(jìn)展不大。直到今年七月，CATL公布了一款鈉離子電池，讓尼摩船長(zhǎng)的"新能源潛水艇"有了眉目，也讓更多人看到了這項(xiàng)"命途多舛"的技術(shù)。

1、一塊遲到四十年的電池

鈉和鋰，在元素周期表上位于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相似。鈉離子電池和鋰電池均起源于上世紀(jì)七八十年代，但命運(yùn)卻截然不同。

鋰電池因?yàn)閮?yōu)異的電化學(xué)性能，成了手機(jī)、相機(jī)、汽車等大小電器必不可少的器件，而鈉離子電池卻因電池容量低、循環(huán)壽命短等短板，無人問津。直到2010年以后，才陸續(xù)有研究人員把鈉電池這項(xiàng)老技術(shù)撿起來。

和鋰電池相同，鈉離子電池也有多條技術(shù)路線。

鈉離子電池的技術(shù)路線

高溫鈉離子電池對(duì)工作溫度要求高、安全性差，研究人員關(guān)注更多的是室溫鈉離子電池，并針對(duì)性開發(fā)出適合其性質(zhì)的陰陽極材料，如在陽極上，有合金類、金屬氧化物類和碳材料等選擇，而陰極材料則包括聚陰離子類、普魯士藍(lán)衍生物、層狀氧化物類等。

其中，層狀氧化物和普魯士藍(lán)衍生物做陰極的鈉電池，不僅成本便宜，而且能量密度接近磷酸鐵鋰電池，甚至還有所超越［1］。陽極材料用硬碳，能提高鈉電池的可逆比容量和循環(huán)壽命。

在CATL公布會(huì)上，提到了這三種電極材料，根據(jù)公布會(huì)新聞稿，CATL確認(rèn)其鈉電池采用"普魯士白"作為正極材料，它是普魯士藍(lán)的還原產(chǎn)物。

不同技術(shù)路線的鋰電池（左）、鈉電池（中）和鉀電池（右）的材料成本和能量密度比較

解決了關(guān)鍵的容量和壽命問題，鈉離子電池的應(yīng)用自然多了起來。CATL炒熱了鈉電池，然而它并不是第一家生產(chǎn)鈉電池的我國(guó)公司，在它之前，超威、星空、中科海鈉等多家公司，都已涉足鈉電池的研發(fā)和生產(chǎn)。

此外，我國(guó)長(zhǎng)城、鵬輝能源、圣陽股份等公司已經(jīng)研發(fā)出了鈉離子電池樣品。欣旺達(dá)、百川股份等也在為鈉離子電池進(jìn)行技術(shù)和專利儲(chǔ)備。

從被科研人員拋棄，到大公司爭(zhēng)相研發(fā)，鈉離子電池為何突然吃香？

2、新能源的未來在"鈉"里

新能源蓬勃發(fā)展、碳中和成為世界議題。各國(guó)紛紛推出政策，將"停產(chǎn)燃油車"提上日程，電動(dòng)汽車取而代之。但這又帶來另一個(gè)問題：鋰資源不夠用了。

全球探明的可供開采的鋰資源儲(chǔ)量?jī)H能滿足14．8億輛電動(dòng)汽車，而根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2020年全球汽車保有量便超過14．9億輛［2］。

更不必說，我國(guó)鋰資源緊張，高度依賴進(jìn)口。

2019年國(guó)內(nèi)利用自身的鋰資源加工的基礎(chǔ)鋰鹽僅為6．5萬噸，其余鋰精礦依賴進(jìn)口，共進(jìn)口172萬噸鋰輝石精礦，且進(jìn)口礦石重要都來自澳大利亞［3］。鑒于近年緊張的中澳關(guān)系，尋找鋰電池的替代產(chǎn)品意義非凡。

業(yè)界對(duì)鈉離子電池寄予厚望。

一方面，鈉元素的含量足夠豐富。鋰在地殼中的含量只有0．0065％，而鈉的含量則為2．75％，是前者的400多倍。

另一方面，鈉離子電池成本低、安全性高。據(jù)中科海鈉的測(cè)算，鈉離子電池的材料成本，比鋰電池低30％～40％［4］。并且由于鈉電池化學(xué)性性能穩(wěn)定，不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)硬的枝晶，在安全性上較同類別的鋰電池體系具有優(yōu)勢(shì)［5］。中科海鈉官網(wǎng)

但鈉電池該用在哪里呢？

3、誰在呼喚鈉離子電池？

學(xué)界一般認(rèn)為，鈉離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)上大有用途。

在2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的要求下，中央明確提出，要建立以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，并點(diǎn)名風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電。但風(fēng)光電發(fā)電不穩(wěn)定，想把這些清潔能源接入電網(wǎng)，就得建設(shè)儲(chǔ)能站，為電力創(chuàng)造"緩沖區(qū)"［6］。

儲(chǔ)能站的儲(chǔ)能方式，有機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)（電池）儲(chǔ)能、熱儲(chǔ)能等類別，目前抽水蓄能占絕對(duì)主體地位。根據(jù)北極星電力網(wǎng)報(bào)道，截至2020年，我國(guó)抽水蓄能電站投運(yùn)總裝機(jī)規(guī)模3179萬千瓦，在建總裝機(jī)規(guī)模5243萬千瓦；而在今年三月，隨著碳中和目標(biāo)提出，儲(chǔ)能需求推動(dòng)了新一批儲(chǔ)能設(shè)施建設(shè)，截至2021年七月，已有39個(gè)、總裝機(jī)4770萬千瓦抽水蓄能電站獲得了簽約、核準(zhǔn)、開工等重要進(jìn)展。

但抽水蓄能也有劣勢(shì)，導(dǎo)致其近年來發(fā)展速度減緩。申港證券認(rèn)為，抽水蓄能存在地理局限性、建設(shè)周期長(zhǎng)成本高，適合作為大型發(fā)電設(shè)備配套；而從使用效率、布局靈活性、循環(huán)壽命、投資成本等方面綜合考慮，電池儲(chǔ)能是當(dāng)下最適合規(guī)模化發(fā)展的儲(chǔ)能形式［7］。

電池儲(chǔ)能以鋰電池、鉛酸電池和全釩液流電池手段為主。其中，鋰電池?fù)碛懈叩哪芰棵芏龋芰哭D(zhuǎn)換效率超過90％，產(chǎn)業(yè)鏈配套也更加成熟［8］。截至2019年底，在電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)中，鋰電池裝機(jī)占比超過75％以上，占主導(dǎo)地位［9］。

2019年起，鈉離子電池在儲(chǔ)能行業(yè)嶄露頭角，國(guó)內(nèi)先后建成了三座鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

光大證券測(cè)算，到2025年國(guó)內(nèi)鈉離子電池在儲(chǔ)能上的潛在需求量達(dá)48GWh，以磷酸鐵鋰電池價(jià)格計(jì)量，對(duì)應(yīng)近210億元的市場(chǎng)空間［10］。

除了儲(chǔ)能行業(yè)，電動(dòng)汽車行業(yè)也在呼喚安全系數(shù)更高的鈉離子電池。鈉離子電池能給電動(dòng)汽車性能帶來多大提升還有待觀察，但若能解決低溫"趴窩"和碰撞自燃問題，已是好事一樁。

4、"鈉"還是個(gè)"孩子＂

在商業(yè)化上，鈉離子電池還只是個(gè)"孩子"。Patsnap智慧芽全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)顯示，鈉電池相關(guān)專利申請(qǐng)人集中于高校和研究所。申請(qǐng)專利最多的陜西科技大學(xué)有169項(xiàng)，而CATL和中科海鈉兩家公司加起來，也只有35項(xiàng)。

標(biāo)題及摘要包含"鈉離子電池"關(guān)鍵詞的專利分布

比如，鈉離子電池的壽命仍不盡人意。

據(jù)中信證券的統(tǒng)計(jì)，主流的鈉離子電池循環(huán)壽命僅1000～1500次，只有CATL和中科海鈉兩家的產(chǎn)品壽命可達(dá)3000次。這勉強(qiáng)能追平三元電池，但也遠(yuǎn)不及磷酸鐵鋰電池。

鈉離子電池制造成本也暫時(shí)偏高。

一方面，鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈不成熟，拉高了制造成本。

今年二月，在我國(guó)鐵塔和我國(guó)電信的招標(biāo)上，磷酸鐵鋰電池組價(jià)格已低于0．5元／Wh，但目前鈉離子電池的實(shí)際生產(chǎn)成本在1元／Wh以上。

只有當(dāng)鈉離子電池產(chǎn)量達(dá)到GWh級(jí)別時(shí)，才能依靠攤薄設(shè)備折舊費(fèi)用，體現(xiàn)出鈉離子電池材料成本低的優(yōu)勢(shì)［10］，但截至2020年，國(guó)內(nèi)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模累計(jì)只有3．3GW［11］。

另一方面，鈉電池的材料生產(chǎn)方法也有待優(yōu)化。

高校和公司一直在尋找更廉價(jià)的方法，制備鈉電池的電極材料。但這些專利和研究多處于理論階段，距離大規(guī)模投產(chǎn)仍有距離。

鈉電池的優(yōu)勢(shì)已無需多言，可命運(yùn)的天平何時(shí)傾斜，猶未可知。

References：

［1］YaosenTian，GuoboZeng，AnnRutt，TanShi，HaegyeomKim，JingyangWang，JuliusKoettgen，YingzhiSun，BinOuyang，TinaChen，ZhengyanLun，ZiqinRong，KristinPersson，andGerbrandCeder．PromisesandChallengesofNext－Generation"BeyondLi－ion"BatteriesforElectricVehiclesandGridDecarbonization．Chem．Rev．2021，121，3，1623–1669PublicationDate：December24，2020

［2］朱琳慧．十張圖帶你看2020年全球汽車維修行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀和發(fā)展前景未來上升潛力巨大2020－9－7

［3］聶來斌．動(dòng)力鋰電池的"備胎"故事：鋰不夠，鈉來湊？

［4］中科海鈉官網(wǎng)

［5］宋韶靈祖國(guó)鵬王喆李鷂吳威辰．新能源汽車｜鈉離子電池：兼具資源和成本優(yōu)勢(shì)，有望加速導(dǎo)入2021－7－26

［6］儲(chǔ)能超級(jí)風(fēng)口下，誰是下一個(gè)陽光電源？

［7］儲(chǔ)能：踏上未來電力系統(tǒng)主角之路2021－4－1

［8］許超．一文看懂火爆的儲(chǔ)能行業(yè)：行業(yè)格局、商業(yè)模式、投資機(jī)會(huì)

［9］全釩液流電池將迎來產(chǎn)業(yè)推廣紅利期2020－10－28

［10］鈉離子電池：潛在空間廣闊，CATL入局加速產(chǎn)業(yè)化2021－7－22

［11］2021年我國(guó)儲(chǔ)能電站裝機(jī)規(guī)模和發(fā)展前景分析電化學(xué)儲(chǔ)能增速最快