如何看待寧德時(shí)代無負(fù)極電池？

導(dǎo)語：

不虛言，只為真相。

出品：電動(dòng)勢

作者：小龍 小杰

近日，寧德時(shí)代的《鈉金屬電池，電化學(xué)裝置》專利引發(fā)各大媒體熱議，認(rèn)為這是一個(gè)顛覆傳統(tǒng)電池行業(yè)的巨大變革。根據(jù)公開專利信息查詢發(fā)現(xiàn)，寧德時(shí)代于2021年6月26日申請此項(xiàng)專利，公告日期為2021年9月28日，申請?zhí)枮椋篊N202110742607．7，目前該專利仍在審核中。

這個(gè)于9月底公開的專利申請信息，在近日首先被金融界媒體如上海證券報(bào)等報(bào)道后，在各個(gè)平臺(tái)引發(fā)熱議。寧德時(shí)代的股票行情也在去年12月以來一個(gè)月總體持續(xù)走低的趨勢后，于1月11日起總體開始穩(wěn)步走高。

要說大家之所以這么專注這個(gè)專利，其中涉及兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一個(gè)是鈉離子電池，一個(gè)是鈉金屬電池。簡單來說，鈉離子電池就是把現(xiàn)有鋰離子電池中的鋰離子換成了鈉離子，由于鈉元素的儲(chǔ)量豐富且價(jià)格遠(yuǎn)低于鋰，所以被認(rèn)為是最有前景的下一代儲(chǔ)能電池。而這里的鈉金屬電池就是大家熱議的無負(fù)極電池。盡管鈉離子成本低廉，但目前能夠?qū)崿F(xiàn)的能量密度卻并不高160 Wh／kg，但是鈉金屬電池技術(shù)則可以在一定程度上大幅提升其能量密度，有望突破200 Wh／kg。因此，這兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合在一起，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為這是一個(gè)顛覆傳統(tǒng)鋰電池行業(yè)，或者改寫歷史的一個(gè)關(guān)鍵進(jìn)程，意味未來鈉離子電池時(shí)代將更快到來。  

就這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，我們逐一來分析一下。

1、鈉離子電池的魅力

7月29日，寧德時(shí)代成功舉行了首場線上發(fā)布會(huì)，董事長曾毓群博士發(fā)布了寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池，同時(shí)，創(chuàng)新的鋰鈉混搭電池包也在發(fā)布會(huì)上首次亮相。作為寧德時(shí)代創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的又一里程碑式成果，鈉離子電池將為能源清潔化和交通電動(dòng)化提供全新解決方案，推動(dòng)“碳中和”目標(biāo)早日實(shí)現(xiàn)。

發(fā)布會(huì)上有兩段話筆者覺得很有深意——“能源是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，所以能源的歷史也是人類社會(huì)發(fā)展的歷史?！薄澳茉崔D(zhuǎn)化和存儲(chǔ)是新能源發(fā)展的核心?！?/p>

從石器時(shí)代開始人們學(xué)會(huì)利用天然火源，再學(xué)會(huì)鉆木取火，到現(xiàn)代文明利用化石能源為基礎(chǔ)的蒸汽機(jī)時(shí)代，第二次工業(yè)革命的電力能源時(shí)代，以及目前迅猛發(fā)展的新能源時(shí)代。人類社會(huì)的發(fā)展與能源的迭代環(huán)環(huán)相扣。

圖1：寧德時(shí)代第一代鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池性能對比

其實(shí)真正追溯起來，早在上世紀(jì)80年代，鈉離子電池和鋰離子電池的研究是同時(shí)起跑的，但是受限于鈉離子電池遠(yuǎn)低于鋰離子電池的性能，尤其是能量密度，目前第一代鈉離子電池能量密度為160 Wh／kg（目前為全世界最高）， 但相比磷酸鐵鋰和三元還是矮個(gè)子，要知道三元高鎳鋰電池的極限能量密度有望做到350 Wh／kg，第一代鈉離子電池只能欺負(fù)下鉛酸電池（能量密度約60 Wh／kg）。所以鈉離子電池長期無人問津。直到2010年前后，研究出了比較靠譜的鈉離子電池正極材料以及電解液，鈉離子電池才迎來了比較大的發(fā)展。

圖2：鈉離子電池和鋰離子電池區(qū)別，資料來源：中科海納

圖 3：（a）可充電電池的能量密度

（b）地殼中元素的豐度

隨著數(shù)碼、交通等產(chǎn)業(yè)對鋰離子電池依賴加劇，有限的鋰資源必將面臨短缺問題。鈉離子電池的研究開發(fā)在一定程度上可緩和因鋰資源短缺引發(fā)的電池發(fā)展受限問題。

圖4：鈉離子電池原理

從原理上來看，鈉離子電池和鋰離子電池本質(zhì)上是一樣的，在充放電過程中通過正負(fù)極材料鈉離子的脫嵌過程形成電流。但是鈉離子與離子最大的不同就是，鈉離子的直徑要大鋰離子很多，就相當(dāng)于一個(gè)胖子，那么同樣的通道，鈉離子在通過的時(shí)候，就會(huì)變得更加困難。而且在多次脫嵌過程中，容易導(dǎo)致負(fù)極石墨結(jié)構(gòu)的坍塌。

由此就又引發(fā)了鈉離子電池循環(huán)穩(wěn)定性的問題。假設(shè)以容量損耗20％為壽命截止點(diǎn)，鋰離子電池循環(huán)充放電上千次甚至數(shù)千次都問題不大（甚至有充放電幾千次容量損失接近0的），而鈉離子電池一般充放電幾百次就衰減到20％了。歸根結(jié)底，原因還是鈉離子尺寸比較大，在材料中嵌入、脫嵌的時(shí)候容易導(dǎo)致電極材料體積膨脹、材料破碎、嵌入的鈉離子脫不出來等問題，導(dǎo)致不可逆的能量損失。

圖5：不同元素的原子以及離子尺寸大小