鈉離子正式加入電池化學“內卷”
圖片來源@視覺中國
文 | 雷科技leitech
碳中和的時代即將到來，而新能源汽車電池在能量密度、成本以及安全方面的問題卻遲遲得不到根本的解決。對此，小雷曾經不止一次地吐槽過新能源車企在解決能量密度和電池安全等問題時走錯了方向。
在小雷看來，物理結構的優化只是治標不治本，只能緩解消費者對安全和續航的需求，只有從化學層面出發才能真正突破瓶頸，徹底解決目前動力電池所面臨的種種問題。
如今，寧德時代直面化學本質的研發成果來啦！7月29日，寧德時代成功舉行了首場線上發布會，其董事長曾毓群在會上發布了寧德時代的第一代鈉離子電池。同時，鋰鈉混搭電池包也在發布會上進行了首次亮相。
研發鈉離子電池有何難點？
人們早在19世紀70年代就開始了對鈉離子電池的研究，所以其實鈉離子電池并不算是什么高科技產物，而且鈉離子電池有著與鋰離子電池非常相似的工作原理，它們都是通過鈉（鋰）離子在正負極之間的嵌入、脫出實現電荷轉移。
只不過相較鋰離子，鈉離子的體積比較大，在材料結構穩定性和動力學性能方面的要求更加嚴苛，這也成為鈉離子電池遲遲難以商用的瓶頸。然而，伴隨著鋰離子電池近二十年的應用和推廣，人們對鈉離子電池的研究也迅猛增加，并且對其正負極材料也進行了許多的探索。
在正極材料方面，寧德時代采用了目前具有潛在商業化價值的普魯士白以及層狀氧化物兩類材料。它通過構建高通量材料集成計算平臺，并且對材料表面進行重新設計，解決了材料在循環過程中容量快速衰減這一難題，使創新的材料克容量達到了160mAh/g，與現有的鋰離子電池正極材料相當，具備了產業化的條件。
在負極材料方面，由于鈉離子無法像鋰離子一樣在石墨層間自由穿梭，于是寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料。這種硬碳材料克容量可達350mAh/g以上，還具備優異的循環性能，能夠讓大量的鈉離子存儲和快速通行，讓整體性能指標與現有的石墨是相當的。另外，為了適配全新研發的正負極材料，寧德時代還研發出了新型獨特的電解液體系。
按照寧德時代在發布會上的說法，第一代鈉離子電池基于材料體系的一系列突破，已經具備高能量密度、高倍率充電、優異的熱穩定性、良好的低溫性能與高集成效率等優勢。
盡管寧德時代宣稱其第一代鈉離子電池的電芯單體能量密度已經達到了160Wh/kg，是目前全球最高水平，但是在小雷看來，這個所謂的高能量密度還要看跟誰比較。
相較于能量密度已經能夠達到300Wh/kg的三元/四元鋰電池，寧德時代第一代鈉離子電池的能量密度僅僅是前者的一半而已。即便將來寧德時代的第二代鈉離子電池的能量密度會達到200Wh/kg，那么它的能量密度相較于今天的三元鋰電池也還有一定的差距。
那么問題來了，寧德時代為什么要煞費苦心地研發一款在能量密度方面如此雞肋的產品呢？下面，我們來看看第一代鈉離子電池的其它優勢。
鈉離子電池有何優勢？
續航、快充以及安全可以看做是動力電池發展的三大要素。而如今純電動汽車就經常會因為“充電的速度比燃油車加油的速度慢”而飽受消費者詬病。
由此可見，鈉離子電池的快充性能很大程度就決定了它的發展潛力。第一代鈉離子電池在常溫下充電15分鐘，電池電量就可以達到80%，快充性能比目前主流的磷酸鐵鋰電池有過之無不及。
其次，單純以國內的用車環境來看，由于目前的動力電池低溫性能表現普遍較差，導致了純電動汽車并不受北方的消費者待見，而寧德時代的第一代鈉離子電池即便是在零下20°C低溫的環境下，也仍然有90%以上的放電保持率，低溫性能要遠高于磷酸鐵鋰電池。
寧德時代的第一代鈉離子電池在系統集成效率方面，也可以達到80%以上，更加方便進行物理結構方面的優化。在安全方面，它優異的熱穩定性已經超越了國家動力電池強標的安全要求。
值得一提的是，鈉離子電池雖然在能量密度方面不如三元鋰電池，但是它在材料成本方面卻要遠低于三元鋰電池。根據中科海納數據顯示，從資源儲備上來看，鈉資源在全球各地都有分布，并且國內就有豐富的鈉資源儲備，價格在2元/kg左右；而全球約75%鋰資源都分布在美洲，價格高達150元/kg左右。
為了盡可能降低整車售價，提升競爭力，降本就成為了大多數車企的主要手段。為了降低電池成本，如今已經有不少新能源車企在其低配車型上裝配成本更低的磷酸鐵鋰電池。而鈉離子電池得益于鈉材料的成本更低，所以它的成本通常會比鋰離子電池還要低30%-40%。
數據來源：中科海納官網 前瞻產業研究院整理
總體來看，寧德時代的第一代鈉離子電池除了在能量密度方面低于目前的三元鋰電池以及磷酸鐵鋰電池之外，它無論是在快充性能、低溫性能、系統集成效率還是電池成本方面都具有明顯的優勢。
然而，動力電池作為新能源汽車的核心部件之一，任何短板都有可能成為它發展的攔路石。那么，寧德時代又是如何規避鈉離子電池能量密度不足這塊短板的呢？
鋰鈉混搭，取長補短
為了規避鈉離子電池在能量密度方面的不足，最大程度的發揮它的低溫性能、快充性能以及成本優勢，寧德時代在電池系統集成方面還開發了AB電池解決方案。這套集成方案可以實現鈉離子電池與鋰離子電池的集成混合共用。
寧德時代將鈉離子電池與鋰離子電池同時集成到同一個電池系統里，并且將兩種電池按一定的比例和排列進行混搭，串聯、并聯集成，然后通過BMS的精準算法進行不同電池體系的均衡控制。
這套AB電池解決方案既可以在鈉離子電池與鋰離子電池之間取長補短。既彌補了鈉離子電池在現階段的能量密度短板，也發揮出了它高功率、低溫性能的優勢，這樣的鋰-鈉電池系統，就能適配更多應用場景。
另外，根據寧德時代研究院副院長黃起森博士介紹，鈉離子電池在制造工藝方面可以實現與鋰離子電池生產設備、工藝的完美兼容，生產線可進行快速切換，能夠完成產能快速布局。目前，寧德時代已啟動鈉離子電池產業化布局，2023年將形成基本產業鏈。
總結
在小雷看來，鈉離子電池除了能夠以“配料”的形式與鋰離子電池相結合來實現互補之外，成本低，但是能量密度不高的特性或許能讓它在低速電動車上發光發熱。要知道，低速電動車對電池能量密度的要求并不高，并且還降本高手。當低速電動車正式合法化之后，材料成本能力壓三元鋰電池，多方面的性能又能碾壓磷酸鐵鋰電池的鈉離子電池的發展前景也將不可限量。
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