8分钟充满，超5万次循环寿命：钠离子电池要颠覆锂离子电池？

Original 更多干货点关注环球零碳 2022-12-15

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撰文 | Penn

编辑 | 郭郭

→这是《环球零碳》的第173篇原创

环球零碳

碳中和领域的《新青年》

摘要：随着全球加快碳中和步伐，锂矿供给不足与需求快速增长的矛盾更加突出。因此，具有资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低等优势的钠离子电池开始受到业界青睐。Natron Energy近日宣布将大规模生产钠离子电池，其可实现8分钟内完成0-99%充电，循环使用寿命超过5万次，将引领全球钠离子电池进入新的发展阶段。

新能源电动汽车已进入了高速发展时期，但电动汽车的瓶颈也一直存在，那就是电池问题。目前，以锂离子电池为主流的电动汽车市场，关于能量密度、续航、充电、安全等难题，一直难有根本性突破。

更关键的是，锂离子电池面临锂资源紧缺的问题。据电动汽车行业专业信息提供商Benchmark Mineral Intelligence的统计，锂价在过去一年已上涨超过480%。作为全球电池用锂价格的主要参考之一，国内电池级碳酸锂（99.5%）近期保持高位，最高报价超过49.7万元/吨，今年以来已经上涨了80%。

随着电动汽车市场占有率提高，锂矿供给不足与需求过快增长的矛盾更加突出。

因此，具有资源丰富、成本低廉、能量转换效率高、循环寿命长、维护费用低等优势的钠离子电池开始受到业界青睐，成为目前电池技术的研究热点。很多科研人员希望在技术上有新突破，从而分得市场一杯羹。

图说：钠离子电池成本可较锂离子电池低30%-40%

来源：[1]（中科海钠官网，方正证券研究所）

近日，美国钠离子电池制造商Natron Energy公司宣称，它们研发的钠离子电池具有极长的循环寿命、实用的功率密度和超高速充电等优质性能，而且无需使用任何锂。可实现8分钟内完成0-99%充电，循环使用寿命超过5万次，将引领全球钠离子电池进入新的发展阶段。

5月4日，Natron还宣布，将通过与汽车电池制造商Clarios的合作，钠离子电池将于明年在美国密歇根州进行大规模生产。

这到底是一家什么样的公司？钠离子电池有可能成为电动汽车的未来吗？

Natron钠离子电池技术

Natron Energy 公司的创始人是Colin Wessells，他于 2012 年在斯坦福大学攻读博士学位时创立了这家公司。经过10年的研发和积累，Natron 现在在加利福尼亚州圣克拉拉运营着一条世界领先的钠离子电池试验生产线。

2020 年，Natron 发布了世界上第一个获得 UL 1973 认证的钠离子电池，随后Natron的技术通过了多家公司的独立测试和部署验证。

Natron对称水系钠离子电池技术，采用普鲁士蓝作为正极材料，其专利的普鲁士蓝电极比任何其他商用电池更快、更频繁地存储和传输钠离子，并且内阻更低。普鲁士蓝类化合物因其独特的开放框架和三维大孔道结构而具有较大储钠位点(约0.460 nm)及离子脱嵌通道(在〈100〉晶面方向约为0.320 nm)，非常适合离子半径较大的Na离子的迁移和存储，表现出优异的储钠性能。

图说：Natron对称水系钠离子电池内部结构

来源：Natron Energy

Natron对称水系钠离子电池技术，采用硬碳作为负极材料。硬碳材料是典型的嵌入型材料，因在高温下难以石墨化，又称之为不可石墨化碳，其表现出更强的储钠能力以及更低的工作电位，更适合于用作钠离子电池负极材料。硬碳材料在微观上是不同取向的石墨微晶，Na＋可以嵌入到取向不同的石墨层间空隙中，也可以部分地嵌入到石墨微晶片层上，其非平行取向的微观结构更有利于Na＋的存储。

图说：Na＋嵌入硬碳材料的结构模型

来源：[4]

钠离子电池与锂离子电池均属于二次电池，其工作原理都是“摇椅式”。钠离子电池在充电时，Na+从正极脱出，经电解液横穿隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态；放电过程则与之相反，Na+从负极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。理想的充放电情况下，Na+在正负极材料间的嵌入和脱出不会破坏材料的晶体结构，充放电过程发生的电化学反应是高度可逆的。

图说：钠离子电池的“摇椅式”工作原理

来源：[5] （中科海钠官网，天风证券研究所）

Natron钠离子电池的特点和不足

众所周知，电池设计往往是许多因素的折衷，包括热性能、重量或单位体积的能量和功率密度、安全性、充电时间和循环寿命。钠离子电池一般具有以下优势特点：

电池材料资源丰富、成本低廉。：1）钠是地壳中含量较高的几种元素之一，比锂丰度高2-3 个数量级。原材料碳酸钠资源丰富、价格低廉稳定。2）正极材料可摆脱对于丰度较低、价格昂贵的镍、钴元素的依赖，且选择范围更广；3）负极所用硬碳工艺要求更低，具备低成本潜力；4）钠离子负极集流体可使用更为廉价的铝箔替代传统锂离子电池中的铜箔集流体，从而进一步降低电池成本。

锂钠同族，结构性能相似。钠离子电池与锂离子电池具有相同的“摇椅式”工作原理，具有相似的物理化学性质，兼容现有锂电工艺设备。

安全性高，无过放电问题。由于钠和铝不会形成合金，钠离子电池正负极可以同时使用铝箔，钠离子电池无过放电问题，长途可0V 运输，提高安全性能。电化学性能相对稳定，热失控过程中容易钝化失活，具有更好的热稳定性。

钠离子去溶剂化能力强，适合高倍率和低温循环应用。。钠离子电池所用电解液体系温度窗口更宽，赋予其低温活性，适用温度拓宽至-40~80°C，在-20°C 下容量保持率大于88%，远高于其他电池。

图说：钠离子电池的优势

来源：[6]

Natron声称其设计的钠离子电池提供了介于铅酸电池和锂离子电池之间的强大容量功率密度，超高速充电设施可以在8分钟内完成0-99%充电，循环使用寿命超过5万次，比竞争对手锂离子电池还高出5到25倍。并且其热稳定性非常好，因此运输、部署和处置都很安全，没有火灾风险。

图说：Natron钠离子电池的优势

来源：Natron Energy

能量密度来看，钠离子电池相对于锂离子电池具有明显劣势。钠离子电池能量密度一般为70-200Wh/Kg，低于NCM三元锂电池240-350Wh/Kg的能量密度范围，理论上高能量钠电池和磷酸铁锂电池在同一水平，现阶段钠电池主要集中在130-150Wh/Kg区间。Natron钠离子电池的能量密度与铅酸蓄电池相当可达50Wh/L，远低于锂电池的100-300Wh/L。目前，由于钠离子电池未开始量产，电芯材料成本较理论更高，同磷酸铁锂成本相当。此外，钠离子电池原材料、正负极配套尚未进入规模化供应，材料成本难以控制。

图说：Natron钠离子电池的能量密度

来源：Natron Energy

Natron钠离子电池的应用场景

Natron 的钠离子电池具有巨大的循环寿命、实用的功率密度、出色的安全性和超快速充电，但由于其能量密度在重量和体积上都相对较低，因此其应用目标集中在了工业电池领域。

图说：Natron Energy即将开始量产的超长寿命钠离子电池

来源：Natron Energy

数据中心

Natron Energy为数据中心备用电源研发了专门的钠离子电池Natron BlueTray ® 4000，其采用行业标准的 19 英寸机架安装封装，可提供 4kW 安全、可持续的备用电源。具有极快的充/放电效率、超过50,000 次循环寿命、极高的安全性和稳定性（符合UL 9540A、UL 1973标准）和广泛的工作环境（-20°C至+35°C）。此外，Natron钠离子电池快速充/放电过程中不会降解和热耗散，可直接部署在数据中心楼层，相对于铅酸电池可节省50%的空间。

图说：Natron Energy基于钠离子电池的数据中心解决方案

来源：Natron Energy

叉车和其他工业车辆

在工业移动领域，Natron钠离子电池模块相对于其他化学电池可以更安全地提供快速充电，可在不到 15 分钟（通常 8 到 10 分钟）内安全充电，并提供更多的循环次数和更多的峰值功率。Natron钠离子电池超长的循环寿命可延长车辆的使用寿命，并减少车辆维护，降低车辆使用成本。

电动汽车快速充电

在电动汽车领域，Natron钠离子电池可作为电动汽车充电站的缓冲电池，在缓慢的电网供应和快速充电器之间充当能量储存器，根据需要为车辆快速充电，就像加油站的燃料储存罐一样。这样既可以减少电网负荷，又可以实现无需昂贵的电力系统升级即可支持多车快速充电，降低了需求费用同时延长了充电站的生命周期。

图说：充电中的电动汽车

来源：网络

钠离子电池的未来发展

1979 年法国的Armand 提出了“摇椅式电池”的概念，开启了锂离子和钠离子电池的研究。由于储能需求日益增长，近年来，随着锂资源稀缺、分布不均、开发利用困难等问题逐渐暴露，资源分布广的钠离子电池重新回到人们的视野，寻找低成本的替代成为人们关注的焦点。近10 年来，关于钠离子电池的研究迎来井喷式增长，全球钠离子电池公司陆续成立，标志着钠离子电池产业化时代的到来。

图说：钠离子电池从2011 年起进入成长期

来源：[8] 国泰君安证券研究

世界第一家钠离子电池公司英国Faradion 公司于2011 年成立，并于2015 年首次将所生产的层状氧化物体系钠离子电池运用到电动自行车中，当时钠离子电池能量密度仅在80Wh/kg 左右。目前，该公司已研制出10Ah软包电池样品，其正极材料为镍、锰、钛层状氧化物，负极材料采用硬碳，能量密度达到140Wh/kg，电池平均工作电压为3.2V，在80%放电深度下的循环寿命预测可超过1000次。随着法国Tiamat、中国中科海钠等全球领先钠离子制造公司陆续成立，钠离子电池能量密度快速增长。目前，钠离子电池能量密度最高已达到160Wh/kg，逐步追赶磷酸铁锂电池，为钠离子电池产业化应用奠定基础。

图说：全球主要钠离子电池生产企业布局

来源：[8] 国泰君安证券研究

目前，全球近三十家企业开始布局钠离子电池，储能、电动车应用多点开花。除了Faradion、Tiamat 和中科海钠世界三大钠离子电池生产厂商外，美国Natron Energy、中国钠创新能源等二十余家企业纷纷布局商业化钠离子电池，并逐步拓展产业化应用，包括储能电站、5G 基站、车用电池等。此外，诸如宁德时代在内的锂电巨头也开始进行钠离子电池研发，宁德时代于2021 年7 月公布了第一代钠离子电池及锂钠混搭电池包。宁德时代相关负责人表示，钠离子电池有独特优势和不同的适用场景，将与锂离子电池实现共存互补。锂电巨头的加入也将会为钠离子电池的发展添砖加瓦。

此次，Natron Energy宣布开始大规模生产长寿命钠离子电池，必然会将钠离子电池推向一个崭新的快速发展阶段。对于未来，中科海钠创始人胡勇胜认为：“钠离子电池的规模化量产没有明显瓶颈，在特定市场会凭借自身特色迅速抢占市场。钠离子电池的定位是最具经济性的高安全储能电池，规模化后将以铅酸电池的价格，实现锂离子电池的性能。”

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参考资料：

[1]20210801-方正证券-电气设备与新能源行业新能车前沿技术深度研究之二：钠离子电池

[2]https://newatlas.com/energy/natron-sodium-ion-battery-production/

[3]https://natron.energy/technology/

[4]丁玉寅,祝鹏浩,陆继鑫,王存国.钠离子电池正、负极材料研究进展[J].化工科技,2022,30(01):57-62.DOI:10.16664/j.cnki.issn1008-0511.2022.01.014.

[5]20210804-天风证券-汽车行业钠离子电池初探：从储能走向动力

[6]容晓晖,陆雅翔,戚兴国,周权,孔维和,唐堃,陈立泉,胡勇胜.钠离子电池：从基础研究到工程化探索[J].储能科学与技术,2020,9(02):515-522.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2020.0054.

[7]https://natron.energy/product/

[8]20220318-国泰君安-新能源行业产业深度：钠离子电池系列报告（一），钠离子电池蓄势待发

[9]20220419-国泰君安-产业策略：策略会纪实之《钠离子电池研究现状及展望》

[10]张平,康利斌,王明菊,赵广,罗振华,唐堃,陆雅翔,胡勇胜.钠离子电池储能技术及经济性分析[J/OL].储能科学与技术:1-10.DOI:10.19799/j.cnki.2095-4239.2022.0066.

[11]魏程,江宁波,张露露,杨学林.普鲁士蓝类化合物作为钠离子电池正极材料的研究进展[J].硅酸盐学报,2021,49(06):1078-1090.DOI:10.14062/j.issn.0454-5648.20200640.

[12]https://www.businesswire.com/news/home/20220504005344/en/Natron-Collaborates-with-Clarios-on-World%E2%80%99s-First-Mass-Manufacturing-of-Sodium-ion-Batteries

[13]https://arpa-e.energy.gov/technologies/scaleup/scaleup-2019/natron-energy

[14]https://www.electrive.com/2022/05/10/sodium-ion-batteries-progress-in-sweden-and-the-usa/

[15]卢奇秀. “钠电池”能否取代“锂电池”？[N]. 中国能源报,2022-03-14(009).DOI:10.28693/n.cnki.nshca.2022.000514.

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