馬點(diǎn)秋

2021年4月7日，杭州蕭山區(qū)，供電公司工作人員在移動(dòng)儲(chǔ)能艙內(nèi)查看由寧德時(shí)代生產(chǎn)的儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行情況

7月18日開(kāi)始，河南鄭州遭遇極端強(qiáng)降雨天氣，這期間一則新聞引起了不少人的注意：那是一輛被水淹沒(méi)了半個(gè)車(chē)身的新能源車(chē)，在水中猶如潛水艇一般前進(jìn)。最終，車(chē)輛成功開(kāi)出淹水區(qū)。

元素特性造就鋰的火熱

新能源車(chē)能夠在深水區(qū)通行的原因，其實(shí)很好解釋：因?yàn)槠洳恍枰袢加蛙?chē)一樣，從外界的空氣中獲取氧氣，來(lái)作為釋能反應(yīng)所需的氧化劑。在新能源車(chē)電池包內(nèi)部，離子在陰極和陽(yáng)極之間穿梭，產(chǎn)生電流釋放能量。因此，新能源車(chē)的“高壓系統(tǒng)”可以做到和外界環(huán)境完全隔絕，普遍達(dá)到IP67的防水標(biāo)準(zhǔn)，即能夠保證在1米的水深下30分鐘不漏水。

但新能源車(chē)的“低壓系統(tǒng)”往往不具備如此優(yōu)秀的防水性能，在水中容易出現(xiàn)短路等問(wèn)題，所以仍然不宜在沒(méi)過(guò)輪胎的深水區(qū)域行駛。

2021年7月25日，河南省新鄉(xiāng)市，汽車(chē)涉水行駛

新能源車(chē)以其相對(duì)于燃油車(chē)更優(yōu)秀的涉水性能，在公眾面前狠狠“秀”了一把。而正如行業(yè)中流傳的一句名言“得電池者得天下”一樣，動(dòng)力電池這一占據(jù)了新能源車(chē)四成左右制造成本的核心部件，也正處在發(fā)生巨大變革的風(fēng)口上。

這讓連續(xù)4年拿到動(dòng)力電池市占率全球冠軍的寧德時(shí)代仍不敢有一絲松懈，其近期發(fā)布了最新研發(fā)的鈉離子電池。那么，為何作為鋰離子電池巨頭的寧德時(shí)代，要在此時(shí)發(fā)布鈉離子電池？它和傳統(tǒng)的鋰離子電池相比又具有哪些優(yōu)勢(shì)？動(dòng)力電池的未來(lái)究竟在何方？

其實(shí)，科學(xué)界對(duì)于鈉電池的研究，幾乎是和鋰電池同時(shí)起步的。兩者都始于上世紀(jì)60年代末冷戰(zhàn)與石油危機(jī)背景下，人們對(duì)于新型儲(chǔ)能材料的迫切需要。

地殼中鋰的含量?jī)H占0.0065%，而且70%都在南美洲。

初代的鋰電池屬于鋰金屬電池，與現(xiàn)在的鋰離子電池不同。其在充電過(guò)程中析晶效應(yīng)極其嚴(yán)重，很容易造成內(nèi)部短路，所以基本上都是不可充電的電池。

而離子電池的本質(zhì)，是金屬元素以離子態(tài)在正極與負(fù)極之間來(lái)回穿梭，在這個(gè)過(guò)程中得到和釋放電子，從而形成電流。金屬離子只是電子的“搬運(yùn)工”，這就讓正負(fù)極材料幾乎沒(méi)有損耗，實(shí)現(xiàn)非常高的循環(huán)壽命。這是現(xiàn)在充電電池的主要思路。

而一個(gè)理想的充電電池，需要達(dá)到盡可能小的體積和重量，并存儲(chǔ)和搬運(yùn)更多的能量。所以從元素周期表中來(lái)看，要想成為好的能量載體，原子的相對(duì)質(zhì)量要小，得失電子能力要強(qiáng)，電子轉(zhuǎn)移比例要高。地球上最輕的金屬—鋰就成為了制造電池最為理想的材料。

與此同時(shí)，鋰的同族元素鈉和鉀也成為了研究的對(duì)象。但因?yàn)殁c原子比鋰原子多了8個(gè)電子，鈉的原子半徑比鋰要大得多。這就使得它在正負(fù)極材料之間嵌入和脫出時(shí)，要占用更大的空間，需要用到比鋰離子電池正負(fù)極嵌入孔位更大、且更為堅(jiān)固的材料。

而且它比鋰要重得多，這使得鈉電池的儲(chǔ)能密度比鋰電池低。這一系列的問(wèn)題，讓鈉離子電池在電池研究的浪潮中一度被人們遺忘。而鋰電池則在1980年代末迎來(lái)了技術(shù)突破，以鋰離子為基礎(chǔ)的“搖椅電池”替代了此前的鋰金屬電池體系，在短短的幾十年內(nèi)徹底占領(lǐng)了消費(fèi)電子市場(chǎng)，并成為了如今新能源車(chē)動(dòng)力電池的主流解決方案。

“儲(chǔ)能耗盡”擔(dān)憂

但50年前第一批研究鋰電池的科學(xué)家們大概不會(huì)想到，地球并不是一個(gè)鋰資源豐富的行星。地殼中鋰的含量?jī)H占0.0065%，而且70%都在南美洲，存在分布不均的問(wèn)題。

類似的問(wèn)題是，鋰離子電池陰極的另一種不可或缺的元素—鈷的情況也不容樂(lè)觀。其主要分布于剛果（金）（52%）和澳大利亞（17%），占地殼質(zhì)量為0.001%。在全球范圍內(nèi)，鋰電池的產(chǎn)量不斷沖向新高、鋰電池整體價(jià)格大幅下降的背景下，用于生產(chǎn)鋰電池電極的原材料價(jià)格卻反而快速飆升;“儲(chǔ)量耗盡”正在成為很多業(yè)內(nèi)人士真真切切的擔(dān)憂。

鋰離子電池面臨著一個(gè)絕大多數(shù)的商品永遠(yuǎn)不會(huì)遇到的挑戰(zhàn)：隨著產(chǎn)量的提升，價(jià)格不僅無(wú)法持續(xù)下降，反而可能急劇升高。這樣的局面，讓造一臺(tái)車(chē)就要用掉相當(dāng)于數(shù)百個(gè)手機(jī)電池原料的新能源車(chē)企如坐針氈。

所以近年來(lái)，各大新能源車(chē)企在造車(chē)之外，干得最多的事大概就是降低電池包中鋰和鈷的含量，收購(gòu)上游礦產(chǎn)開(kāi)采企業(yè)的股份，并大力研發(fā)“鋰”之外的下一代儲(chǔ)能體系。

在這樣的背景下，早年飽受冷落的鈉離子電池，在2010年后一躍成為了研究熱點(diǎn)。和儲(chǔ)量稀少的鋰不同，鈉在地殼中的質(zhì)量占比為2.75%，是鋰的400倍。作為我們?nèi)粘２妥郎鲜雏}的主要成分，氯化鈉的價(jià)格更是只有碳酸鋰的1/10不到。

某國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)電池展區(qū)

“鈉鋰混搭”

中國(guó)作為世界最大的新能源車(chē)市場(chǎng)，鈉離子電池研究也處于世界領(lǐng)先地位。在寧德時(shí)代之前，中科院物理所旗下的中科海鈉研究的鈉離子電池在去年就已投入量產(chǎn)，只不過(guò)能量密度仍然較低，在145Wh/kg左右。

而寧德時(shí)代第一代鈉離子電池的電芯單體能量密度達(dá)到了160Wh/kg。雖然160Wh/kg的能量密度在動(dòng)輒300Wh/kg的三元鋰電池面前實(shí)在算不上高，甚至比磷酸鐵鋰電池還要低一些，但這已經(jīng)是全球范圍內(nèi)鈉離子電池儲(chǔ)能密度的最高水準(zhǔn)。

另外，寧德時(shí)代的鈉離子電池在常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上;而且在-20攝氏度低溫環(huán)境中，也擁有90%以上的放電保持率，遠(yuǎn)好于三元鋰電池在這一條件下70%不到的水平。

鈉離子電池同樣能通過(guò)業(yè)界最為嚴(yán)苛的針刺測(cè)試，基本上可以看作是磷酸鐵鋰電池的“快充”和“低溫性能增強(qiáng)”版本。輔以極高的安全性和成本優(yōu)勢(shì)，鈉離子電池可以作為磷酸鐵鋰電池的替代品，廣泛應(yīng)用于低端電動(dòng)車(chē)、商用電動(dòng)公共汽車(chē)甚至兩輪電瓶車(chē)等諸多領(lǐng)域。

而寧德時(shí)代在發(fā)布會(huì)上，也提出了鈉離子電池與三元鋰電以2∶1比例混搭的技術(shù)方案，通過(guò)優(yōu)秀的BMS（電池管理系統(tǒng)）邏輯，精準(zhǔn)控制兩種電池的放電水平曲線，使鈉離子電池搭載在對(duì)續(xù)航要求更為嚴(yán)苛的高端電動(dòng)車(chē)型上也成為可能。

多元技術(shù)方案浮現(xiàn)

根據(jù)國(guó)家提出的2030年碳排放達(dá)到峰值、2060年實(shí)現(xiàn)碳中和的構(gòu)想，對(duì)西部太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的需求也在進(jìn)一步擴(kuò)大。但清潔能源不像火電可以根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電量，如果發(fā)出來(lái)的電沒(méi)有及時(shí)用掉，就只能當(dāng)作“棄電”處理。

據(jù)了解，2018年，我國(guó)棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計(jì)1022億度，這實(shí)在是巨大的浪費(fèi)。為了能將清潔能源發(fā)出來(lái)的電穩(wěn)定接入電網(wǎng)，就必須建立大型的“儲(chǔ)能電站”。

2018年10月2日，江蘇常州，溧陽(yáng)抽水蓄能電站

以前段時(shí)間在廣東陽(yáng)江建成的全國(guó)最大的抽水蓄能電站為例，其基本原理就是將城市用電波谷時(shí)段多余的電量用于抽水，將水抽到高處后，再在用電波峰時(shí)段將水放出發(fā)電。這可以看作是一個(gè)巨型的充電電池，在電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、緊急事故備用等任務(wù)。

而這樣的任務(wù)交給成本低廉、能量密度相對(duì)較高且對(duì)環(huán)境溫度不敏感的鈉離子電池，同樣可以完成。

那么，鈉離子電池就是新能源車(chē)的未來(lái)了嗎？其實(shí)，包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池在內(nèi)，現(xiàn)在新能源車(chē)主流的動(dòng)力電池方案都屬于“液態(tài)電池”范疇，即需要液態(tài)的“電解液”作為離子在其中暢行無(wú)阻的介質(zhì)。

而其實(shí)，動(dòng)力電池還有另一種即將投入市場(chǎng)的“固態(tài)電池”方案，顧名思義，就是采用常溫下處于固態(tài)的電解質(zhì)作為介質(zhì)傳遞離子。一般認(rèn)為，液態(tài)電池的儲(chǔ)能密度上限在350Wh/kg，而固態(tài)電池的能量密度有望達(dá)到1000Wh/kg。

固態(tài)電解質(zhì)十分穩(wěn)定，基本根除了熱失控爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是未來(lái)動(dòng)力電池的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)多家電池廠商也已經(jīng)在此賽道布局多年。目前關(guān)于固態(tài)電池新型材料的理論研究論文，也是遍地開(kāi)花的狀態(tài)。相信固態(tài)電池的時(shí)代離我們已經(jīng)不遠(yuǎn)了。

目前世界上許多國(guó)家也都宣布，以2030年作為燃油車(chē)全面禁售停產(chǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

先前，新能源車(chē)業(yè)界曾有過(guò)一個(gè)大膽預(yù)測(cè)，即新能源車(chē)全面取代燃油車(chē)的拐點(diǎn)，將在動(dòng)力電池能量密度達(dá)到400Wh/kg后到來(lái)。目前世界上許多國(guó)家也都宣布，以2030年作為燃油車(chē)全面禁售停產(chǎn)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

我想用寧德時(shí)代創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)曾毓群在鈉離子電池發(fā)布會(huì)上的一句話作為文章的結(jié)尾：“我們認(rèn)為，電化學(xué)的世界就像能量魔方，未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知。”相信人類終將攻克動(dòng)力電池研發(fā)路上的種種難關(guān)，讓世界全面進(jìn)入清潔能源的時(shí)代。