全球能源轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模部署應(yīng)用于電動汽車和需大的電池年，動有進(jìn)入市場的新儲能系統(tǒng)都與鋰離子電池相關(guān)，這在很大程度上得益于鋰離子電池過去30年商業(yè)化進(jìn)程中大幅下降的生產(chǎn)成本一1991年，鋰離子電池首次實現(xiàn)商業(yè)化，現(xiàn)在的生產(chǎn)成本相比當(dāng)時已經(jīng)下降超過 97% 。然而，近年來，快速上漲的鋰離子電池原材料需求也給相關(guān)礦物（具體來說就是鋰、鎳、石墨和鈷）供應(yīng)鏈造成了極大負(fù)擔(dān)。結(jié)果就是，鋰離子電池價格平均指數(shù)在2022年首次上漲—但隨后便因為礦產(chǎn)價格暴跌再度下挫。于是，部分人士開始擔(dān)憂過度依賴鋰離子電池的現(xiàn)狀，以及生產(chǎn)瓶頸、供應(yīng)鏈沖擊和地緣政治約束的風(fēng)險。

鈉離子電池有望在短期內(nèi)就成為鋰離子電池的可靠替代品，原因主要有二：一是已探明的鈉的相關(guān)礦物儲量和可開采量近年來不斷上升，這意味著原材料價格降低；二是生產(chǎn)制造鈉離子電池與鋰離子電池的基礎(chǔ)設(shè)備完全兼容，這意味著鈉離子電池能以很快的速度實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。因此，為應(yīng)對新冠疫情之后鋰離子電池原材料價格大幅飆升的現(xiàn)實，相關(guān)電池制造商最近宣布，他們計劃在2030年之前新增至少240吉瓦時的鈉離子電池產(chǎn)能，并且有望讓鈉離子電池的成本小于鋰離子電池。然而，鈉離子電池究竟是否能夠擁有相比鋰離子電池的價格優(yōu)勢，能夠在何時以及多大程度上實現(xiàn)這種優(yōu)勢，目前基本還停留在猜測層面。

20世紀(jì)30年代，航空工程師西奧多·萊特（TheodoreWright）提出萊特定律：當(dāng)飛機產(chǎn)量翻倍時，飛機生產(chǎn)成本以特定速度下降。自那之后，基于萊特定律的學(xué)習(xí)曲線就被廣泛應(yīng)用于預(yù)測技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品價格。標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)曲線預(yù)測，價格下降是累積產(chǎn)量的函數(shù)（“干中學(xué)”）。從統(tǒng)計結(jié)果上看，標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)曲線能夠準(zhǔn)確預(yù)測包括能源技術(shù)在內(nèi)的眾多領(lǐng)域的價格變化?？紤]到鋰離子電池在產(chǎn)業(yè)端的重要性，已然有一些研究試圖用傳統(tǒng)形式的萊特定律描述這類電池的價格走勢。與此同時，還有一些研究則在標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)曲線中添加了諸如“研中學(xué)”“規(guī)模經(jīng)濟”等特征因素，以理解鋰離子電池的歷史發(fā)展趨勢。然而，傳統(tǒng)學(xué)習(xí)曲線不切實際地假設(shè)鋰離子電池的成本會無限降低直至最后趨近于零，忽略了原材料價格設(shè)定的限制。于是，另有一些研究方案試圖引入原材料價格下限以進(jìn)一步約束學(xué)習(xí)曲線，從而讓其預(yù)測結(jié)果更貼近實際。值得注意的是，我們不能先入為主地假定所有額外引入的價格下限或參量都有效。舉例來說，歷史已經(jīng)證明，以專家意見為基礎(chǔ)的價格下限不符合現(xiàn)實，而額外的參量則會因為過度擬合而降低模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在這項研究中，我們提出的方法將各種電池材料組件的學(xué)習(xí)曲線（受成本價格限制）同技術(shù)開發(fā)路線圖（也能體現(xiàn)足以更好預(yù)測未來價格趨勢的學(xué)習(xí)行為）結(jié)合起來，從而在模型的簡潔性和準(zhǔn)確性之間取得平衡。模型、方法建立后，我們就會預(yù)測在各種技術(shù)、市場和供應(yīng)鏈環(huán)境中鋰離子電池和鈉離子電池的價格發(fā)展趨勢，從而確定能夠提升鈉離子電池技術(shù)經(jīng)濟競爭力的策略。

將學(xué)習(xí)曲線同技術(shù)路線圖結(jié)合在一起

我們根據(jù)兩方面的信息構(gòu)建了歷史價格曲線和未來價格曲線：一是材料組件價格（每千克或每平方米材料多少美元），通過“干中學(xué)”的方式演化，形成基于累積經(jīng)驗的函數(shù)；二是“材料強度”（每生產(chǎn)可以儲能1千瓦時的電池需要多少千克原材料），隨時間的推移變化，動因是不斷進(jìn)步的電池工程技術(shù)和相關(guān)原材料技術(shù)。我們對這兩類因素都設(shè)定了實際應(yīng)用場景中的下限：對于材料組件價格用的是相關(guān)礦物價格下限，對于材料強度用的是工程技術(shù)設(shè)置的下限。因此，我們的研究方法其實算是結(jié)合了修正版的萊特定律和修正版的摩爾定律。我們?yōu)殡姵刂械母鞣N材料組件都構(gòu)建了單獨的學(xué)習(xí)曲線，并且根據(jù)其基準(zhǔn)關(guān)鍵礦物的元素構(gòu)成設(shè)定了價格下限，這樣的價格下限當(dāng)然隨時間而動態(tài)變化。于是，每種材料組件成本都由兩方面因素構(gòu)成：一是波動的價格材料下限，代表從一系列歷史價格和未來預(yù)測價格中得出的各種潛在礦物價格下限的加權(quán)總和；二是與歷史市場份額和預(yù)測市場份額成比例的學(xué)習(xí)曲線，代表非礦物投入成本的下降。非礦物投入包括與資本設(shè)備相關(guān)的費用、運營成本、生產(chǎn)廢料處理費用、化學(xué)轉(zhuǎn)化效率導(dǎo)致的浪費以及其他各個方面的花費。整條學(xué)習(xí)曲線總體呈下降趨勢，與技術(shù)改進(jìn)（包括處理方式創(chuàng)新、優(yōu)化，規(guī)模經(jīng)濟等因素）的預(yù)期相符。相比之下，市場驅(qū)動的波動預(yù)計會出現(xiàn)在原材料價格的下限部分。這種方法類似以往文獻(xiàn)中將燃煤發(fā)電成本分解為燃料商品的“波動”價格下限以及由于技術(shù)進(jìn)步而降低的發(fā)電廠建設(shè)成本。不過，我們在這項研究中并沒有將材料組件學(xué)習(xí)曲線進(jìn)一步分解為上述確定的技術(shù)因素，預(yù)計會在未來的研究中把重點放在這些因素上。

只要有了每種材料組件受下限價格約束的學(xué)習(xí)曲線，接著就能根據(jù)它們的質(zhì)量或面積強度求和。為了呈現(xiàn)材料強度穩(wěn)定隨時間推移而下降的特性（到目前為止，這是鋰離子電池價格不斷下降的主要原因），我們以自下而上的方式模擬電池設(shè)計，既能代表過去已經(jīng)生產(chǎn)出來的商業(yè)產(chǎn)品，也能體現(xiàn)當(dāng)前最先進(jìn)的設(shè)計，還能兼顧材料性能提升和電池技術(shù)進(jìn)步的未來發(fā)展。我們從各種電池設(shè)計之間的材料強度（都?xì)w結(jié)到每個具體的時間點）差異出發(fā)，通過擬合各條曲線（漸近極限由理論或?qū)嶋H工程學(xué)極限定義）構(gòu)建路線圖。這種方法類似以往文獻(xiàn)中基于硅耗量和硅片尺寸等可觀測技術(shù)因素分析太陽能光伏設(shè)備價格下降的做法。不過，在這項研究中，我們以自下而上的建模為基礎(chǔ)，通過擬合各種材料組件的強度曲線提高分辨率，并且不再將制造成本進(jìn)一步分解為其他技術(shù)因素。眾所周知，電池的成本主要由其原材料決定。我們正是基于這一事實證明了研究方法的有效性，并且力求具體探究材料技術(shù)和電池設(shè)計的提升會如何影響電池價格走勢。因此，我們模擬得到的間接制造成本變化趨勢囊括了因原材料加工收率提升和規(guī)模經(jīng)濟而促成的成本下降。至于具體的材料清單和制造成本，我們借助了美國阿貢國家實驗室設(shè)計開發(fā)的基于電池性能與成本過程的模型BatPaC。由于BatPaC模型針對的是最先進(jìn)電池的制造模擬，我們只使用其中有關(guān)當(dāng)前電池設(shè)計、制造的間接成本部分，然后再通過歷史制造成本數(shù)據(jù)擬合各種材料的學(xué)習(xí)曲線，以預(yù)測未來發(fā)展趨勢。

我們的模型取決于從產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者那里獲取的數(shù)據(jù)，來源相當(dāng)廣泛，盡可能地保證了準(zhǔn)確性和相關(guān)性。具體來說，這些數(shù)據(jù)源包括：“基準(zhǔn)礦物情報”“伍德麥肯錫”“彭博新能源財經(jīng)”“阿維森能源”“標(biāo)普全球”以及其他商業(yè)報告。另外，為了獲取有關(guān)實際價格指數(shù)、最先進(jìn)電池設(shè)計以及生產(chǎn)成本方面的數(shù)據(jù)，我們還特地咨詢了產(chǎn)業(yè)專家小組，以驗證上述數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和相關(guān)性。

以鋰離子電池為基礎(chǔ)建立基準(zhǔn)線

我們建立鋰離子電池基準(zhǔn)線的過程主要分為兩步：一是建立受底線價格限制的各種材料組件學(xué)習(xí)曲線；二是建立符合實際情況的技術(shù)發(fā)展路線圖。我們把2023年定義為現(xiàn)在。2023年之前的年份則設(shè)定為歷史的、靜態(tài)的，相關(guān)信息用于參數(shù)擬合。2023年之后的年份則是對未來的預(yù)測，基礎(chǔ)是對未來礦產(chǎn)價格和市場增長的預(yù)期。

只要確定了特征學(xué)習(xí)率，就可以通過對市場增長和礦產(chǎn)價格的未來判斷預(yù)測鋰離子電池價格，當(dāng)然前提是學(xué)習(xí)率不變。值得一提的是，這兩者之間其實存在內(nèi)稟性關(guān)聯(lián)，但我們視其為互相獨立的。另外，我們還意識到曲線預(yù)測的時間跨度要長于用來擬合學(xué)習(xí)率常數(shù)的歷史數(shù)據(jù)的時間跨度，但就模擬未來情況的自的來說，這已經(jīng)足夠提供一階近似。我們根據(jù)多個市場數(shù)據(jù)源提供的情報預(yù)測了鋰離子電池市場的增長。其中，“市場以鋰離子電池為主導(dǎo)”這個場景默認(rèn)，到2050年之前，鈉離子電池的市場份額沒有達(dá)到能叫板鋰離子電池的程度，且磷酸鐵鋰（LFP）電池的市場滲透率達(dá)到至少 50% 。接著，我們就可以按質(zhì)量將其轉(zhuǎn)換為對鎳鈷錳酸鋰（NMC）型電池的需求。由于預(yù)測關(guān)鍵礦物未來價格走勢這項任務(wù)本身就很有挑戰(zhàn)性，我們還分別對鎳和鋰建立了固定價格的高/中／低預(yù)測場景模型，以測試模型的靈敏度。然后，我們又能計算出材料組件的價格下限。為了確保歷史材料價格時間序列和預(yù)測價格時間序列之間保持連續(xù)，我們給這兩者都施加了限制：都讓其收斂于當(dāng)前（2023年）的價格。而2023年的數(shù)據(jù)是從各個相關(guān)產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)源那兒獲取并匯總得到的，具有相當(dāng)高的可靠性。最后的結(jié)果是形成了對材料組件價格的預(yù)測，并且能夠?qū)ΦV物價格的動態(tài)波動和市場滲透的動態(tài)變化做出反應(yīng)。

我們把上述這一整套流程應(yīng)用在了鋰離子電池要用到的所有原材料組件上，其中包括陰極材料的各種化學(xué)成分。雖然就自前的情況而言，鋰離子電池的陰極材料有NMC和LFP兩種，但在后文中我們將重點討論LFP，因為就性能和成本而言，普遍認(rèn)為LFP電池才是鈉離子電池的主要競爭對手。我們應(yīng)用前文介紹的方法得到了LFP電池材料的預(yù)測價格。

為了建立鋰離子技術(shù)路線圖，我們開發(fā)了代表過去與現(xiàn)在的NMC電池和LFP電池的模型。當(dāng)前的電池設(shè)計建?；诮陙碓谖墨I(xiàn)中發(fā)表的對最先進(jìn)商用電池的拆解分析。過去的電池設(shè)計建模當(dāng)然也基于以往文獻(xiàn)中對先進(jìn)商用電池的拆解分析，但同時還囊括了這些商用電池發(fā)布時記錄了其工程學(xué)過程的相關(guān)產(chǎn)業(yè)報告。這樣一來，我們就能擬合出與技術(shù)發(fā)展路線圖相對應(yīng)的材料強度發(fā)展趨勢。需要特別注意的是，我們沒有建模下一代鋰離子技術(shù)發(fā)展路線圖（磷酸錳鐵鋰陰極、硅陽極等技術(shù)），而這些新技術(shù)其實可以大幅降低材料強度。因此，我們的分析給出的其實是對鋰離子價格下降預(yù)期的保守結(jié)果。

最后，我們結(jié)合材料組件價格預(yù)測結(jié)果和材料強度技術(shù)發(fā)展路線圖，以LFP電池為對象構(gòu)建了完整的鋰離子價格曲線。我們的結(jié)論是，在鋰價格略低于每噸22000美元（高位）的前提下，LFP電池在2030年的預(yù)測價格為每千瓦時51美元。另外，如果鋰的價格處于每噸10500美元（低位），那么LFP電池在2030年的預(yù)測價格將低至每千瓦時45美元。

解析技術(shù)學(xué)習(xí)的源頭

詳細(xì)考察各材料組件的擬合學(xué)習(xí)率之后，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)率似乎與處理復(fù)雜性相關(guān)，這可能與生產(chǎn)過程中所需的控制參數(shù)數(shù)量相關(guān)（更清晰地定義技術(shù)學(xué)習(xí)率并且將其同復(fù)雜性關(guān)聯(lián)起來是未來研究的鋰離子電池價格大幅下降的趨勢其實是兩大方面因素作用的共同結(jié)果：一是生產(chǎn)實踐帶來的材料成本降低；二是重大工程技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗的積累。

主題）。復(fù)雜性更高的過程（比如陰極合成和電池組裝）往往具有更高的技術(shù)學(xué)習(xí)率，而復(fù)雜性更低的過程（比如生產(chǎn)金屬箔和陽極）的技術(shù)學(xué)習(xí)率則往往較低。然而，與以往文獻(xiàn)中的鋰離子技術(shù)學(xué)習(xí)率相比，我們發(fā)現(xiàn)，我們研究中的各個材料組件的技術(shù)學(xué)習(xí)率均低于電池歷史價格呈現(xiàn)的總體平均降幅（ 21.1±3.7% ）。這表明，肯定還存在另一個關(guān)鍵因素與鋰離子電池價格整體下降相關(guān)。這可以用過去幾十年中鋰離子電池設(shè)計方面的技術(shù)進(jìn)步解釋，比如現(xiàn)在生產(chǎn)一千瓦時電池的材料強度已經(jīng)大大低于以往。具體而言，電池從功率優(yōu)化向能量優(yōu)化轉(zhuǎn)變，從而使得材料的利用率提高。另外，材料比容量的持續(xù)提升也是促成這種現(xiàn)象的原因之一。

因此，鋰離子電池價格大幅下降的趨勢其實是兩大方面因素作用的共同結(jié)果：一是生產(chǎn)實踐帶來的材料成本降低；二是重大工程技術(shù)的進(jìn)步和經(jīng)驗的積累。

預(yù)測鈉離子電池發(fā)展技術(shù)路線圖

同鋰離子電池一樣，鈉離子電池也是一個涵蓋了多種電池技術(shù)的總稱，通常按電池陰極材料類別進(jìn)行分類，包括：過渡金屬層狀氧化物電池、聚陰離子電池和普魯士藍(lán)類似物電池。近年來的商業(yè)化努力表明兩種類型的鈉離子電池具備極強的發(fā)展?jié)摿Γ阂皇峭ㄊ綖? （ x 約等于1，M可以是鎳、鐵、錳、銅）的層狀氧化物型，其中 $＼mathrm{NaNi_{＼scriptscriptstyleX}M n}_{＼scriptscriptstyle y}（＼mathrm{M}）_{＼scriptscriptstyle1-＼scriptscriptstyle X-＼scriptscriptstyle y}＼mathrm{O}_{2}$ （NaNM）最為常見；二是不含釩的混合聚陰離子材料，化學(xué)式為 （NFPP）。幾乎所有的鈉離子電池陽極材料用的都是無序硬碳（HCs），而不是鋰離子電池中使用的結(jié)晶石墨，這是因為鈉的存儲容量較低。當(dāng)然，無序硬碳也并非完全沒有替代方案，新興技術(shù)方向包括：一是金屬錫（ Sn ）與鈉形成合金；二是“無陽極”方案，直接在電流收集器上沉積并剝離金屬鈉。我們在研究中以NaNM為參考，專門對 建模，其中，M包含鎂和鈦的摻雜劑，且目前正處于商業(yè)化階段。由于非鎳過渡金屬對礦物成本和氧化還原活性的貢獻(xiàn)可以忽略不計，我們的NaNM模型在功能上也可以表征諸如 （NFM111）之類的成分。由于鎳的價格近年來不斷走高，產(chǎn)業(yè)界對于使用鐵、錳等儲量豐富的元素代替鎳產(chǎn)生了濃厚的興趣?？紤]到這一點，我們還對 （NaFM）等材料做了建模。不過，由于這些材料仍然存在無法解決的性能難題，我們還構(gòu)建了技術(shù)路線圖。按照這張技術(shù)發(fā)展路線圖，鎳在鈉離子電池中的含量在2040年左右會逐漸減少到0一類似多年以來NMC型鋰離子電池陰極材料中鈷含量逐步降低。值得一提的是，這張技術(shù)發(fā)展路線圖與保持靜態(tài) 33% 鎳化學(xué)計量比的技術(shù)發(fā)展路線圖是分開建模的。

模型中涉及的三大關(guān)鍵細(xì)分市場分別是固定式儲能系統(tǒng)、兩輪/三輪及其他微型交通工具，以及電動汽車。具體來說，我們假想了三種鈉離子市場增長場景，市場滲透率依次遞增，最保守的是到2040年在固定式儲能系統(tǒng)中鈉離子電池市場滲透率達(dá) 100% ，而最激進(jìn)的則是到2035年鈉離子電池在固定式儲能系統(tǒng)中市場滲透率達(dá) 100% ，到2040年在兩輪/三輪及其他微型交通工具中市場滲透率達(dá)100% ，并且到2040年在電動汽車中市場滲透率達(dá)25% 。需要注意的是，其中最保守的市場滲透率預(yù)測場景與產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者提供的預(yù)測結(jié)果最為接近。

考慮到在技術(shù)經(jīng)濟上捕捉工程進(jìn)展的重要性，我們?yōu)楦鞣N設(shè)計方案的鈉離子電池都建立了不過，我們同樣相信，在鋰離子電池原材料供應(yīng)鏈出現(xiàn)波動的情況下，鈉離子電池絕對是一種可行的替代方案，能夠代替鋰離子電池在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。

技術(shù)發(fā)展路線圖，比如NaNM|HC、NaFM|HC、NFPP|HC、NaNM|Sn、NaFM|Sn、NFPP|Sn、NaNM|無陽極和NaFM無陽極。所有這些路線圖都假定從2024年最前沿的設(shè)計方案開始逐步提升，到2030年實現(xiàn)符合未來需求的技術(shù)進(jìn)步，從而提高電池能量密度并降低價格。

在此，有必要強調(diào)我們所做的關(guān)鍵假設(shè)，主要有以下幾點。第一，我們假設(shè)生產(chǎn)制造未來鈉離子電池的基礎(chǔ)設(shè)備與現(xiàn)在生產(chǎn)制造鋰離子電池的完全兼容、即插即用，也即無需新的生產(chǎn)制造經(jīng)驗就能立即做到高產(chǎn)量生產(chǎn)。第二，我們假設(shè)市場滲透率與技術(shù)定價完全脫鉤，也即在建模時忽略標(biāo)準(zhǔn)需求曲線中原本存在的內(nèi)生性。第三，技術(shù)學(xué)習(xí)率可以順暢地從鋰離子電池技術(shù)遷移到鈉離子電池技術(shù)，并且，這兩種堿金屬電池的陰極、陽極和其他組件都能以相同速率實現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步。在此之前，我們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這樣的現(xiàn)象：具有相似工藝復(fù)雜程度的材料在生產(chǎn)制造上具有相似的學(xué)習(xí)率。這個事實支持了上述第三點假設(shè)，但我們在后續(xù)的場景分析中也評估了更激進(jìn)的學(xué)習(xí)率。我們注意到，有了前兩個假設(shè)，便可以從一開始就以最佳情況模擬鈉離子電池的技術(shù)經(jīng)濟競爭力。另外，我們沒有將下一代鋰離子電池技術(shù)發(fā)展路線圖（比如磷酸錳鐵鋰陰極、硅陽極等技術(shù)）納入考量，以進(jìn)一步評估鈉離子電池的最佳狀況。最后，我們要強調(diào)，在這項研究中，我們只是在電池層面評估鈉離子電池的相關(guān)技術(shù)，以存儲單位能量的價格（每千瓦時美元）作為主要衡量標(biāo)準(zhǔn)。因此，這項研究并沒有涉及系統(tǒng)層面的考量（比如因為安全性增強或熱管理需求降低而可能節(jié)省的電池組集成成本），也沒有涉及因性能提升而產(chǎn)生的各類經(jīng)濟因素（比如因為使用壽命延長而可能降低的平均儲能價格）。

建模各類場景以找出鈉離子電池具備競爭力的條件

我們采用上述方法評估了6048種鈉離子電池應(yīng)用場景組合，所有場景都假設(shè)從2024年開始將實現(xiàn)鈉離子電池的吉瓦時級別規(guī)模生產(chǎn)。我們計算并比較了每種應(yīng)用場景中的鈉離子電池（以NaFMHC2型電池為例）。我們還進(jìn)一步將“價格持平”條件定義為鈉離子電池價格低于LFP電池的概率大于等于 20% ，當(dāng)這個概率大于等于 80% 時，則將其定義為“價格優(yōu)勢”。結(jié)果顯示：在不出現(xiàn)石墨供應(yīng)鏈沖擊的情況下，鈉離子電池在2035年能實現(xiàn)與鋰離子電池價格持平，在2047年能獲得價格優(yōu)勢；如果在2027年前出現(xiàn)石墨供應(yīng)鏈沖擊，那么鈉離子電池的價格持平時間將提前至2032年，獲得價格優(yōu)勢時間則提前至2038年。

離子電池趕超鋰離子電池的時間點實在過于困難，很難成為研究的關(guān)鍵目標(biāo)，因為存在各種與市場力量相關(guān)的不確定因素，比如礦產(chǎn)價格、需求增長和地緣政治沖突等。

因此，我們的一大關(guān)鍵成果在于揭示在何種情況下能夠最大化鈉離子電池的技術(shù)經(jīng)濟競爭力。當(dāng)供應(yīng)鏈狀況對鋰離子電池（特別是LFP電池）不利時一比如鋰的價格居高不下，石墨供應(yīng)鏈遭受沖擊，或兩種因素疊加一鈉離子電池的競爭力會全面上升。相比之下，當(dāng)供應(yīng)鏈狀況對鈉離子電池（特別是含鎳的鈉離子電池）不利時，其市場競爭力則會遭受嚴(yán)重打擊。同時，追求最大程度提高能量密度的技術(shù)發(fā)展路線圖對于加快兌現(xiàn)鈉離子電池的市場競爭力至關(guān)重要。需要注意的是，全部6048種應(yīng)用場景中的很大一部分（2522種）在2050年之前不會擁有鈉離子電池具備價格優(yōu)勢的條件。不過，重要的是，這并不意味著鈉離子電池不具備競爭力。另外，在所有應(yīng)用場景中，超過 40% 能在2030年或之前達(dá)成鈉離子電池同鋰離子電池的價格持平條件，且平均“持平期”為 5.6±3.6 年?？紤]到鈉離子電池是鋰離子電池具備競爭力的可行替代方案，且兩者價格發(fā)展趨勢相似（前提是在性能上也達(dá)到了同樣水平），鋰離子原材料供應(yīng)鏈的任何意外情況都可能使鈉離子立刻成為價格上更具優(yōu)勢的選擇。

討論

需要強調(diào)的是，雖然我們的方法能夠計算出鈉離子電池獲得價格優(yōu)勢的時間線，但這種方法的主要價值是理解各種市場場景對兩類電池技術(shù)相互競爭的發(fā)展路線圖可行性的影響，而非具體預(yù)測出兩者發(fā)生競爭優(yōu)勢交匯的年份。實際上，精確預(yù)測鈉

舉例來說，假如鋰的價格在2027年之前持續(xù)上漲并保持高位（碳酸鋰當(dāng)量大約每噸5萬美元），那么超過 55% 的鈉離子技術(shù)發(fā)展路線圖會在2035年之前取得相對LFP電池的價格優(yōu)勢條件。相反，如果鋰礦的價格保持在低位（碳酸鋰當(dāng)量大約每噸1萬美元），只要石墨供應(yīng)鏈沒有出現(xiàn)中斷，幾乎不會有任何應(yīng)用場景能讓鈉離子電池發(fā)展出價格優(yōu)勢。作為參考，在本文撰寫時（2024年），鋰的現(xiàn)貨價格平均為每噸 1 萬美元至1.5萬美元，這是2023年下半年電動汽車銷量下滑導(dǎo)致電池原材料供應(yīng)過剩的結(jié)果。因此，鋰的價格能否持續(xù)處于低位這個問題影響深遠(yuǎn)，尤其是對鈉離子電池的商業(yè)競爭力而言。

鈉離子電池實現(xiàn)成本優(yōu)勢最快、最可靠的方法是通過提高材料和電池層面的能量密度來降低材料用量，技術(shù)層面最為重要的驅(qū)動因素是提高截止電壓上限、陰極和陽極的比容量以及電極厚度。提高截止電壓上限無疑是極為重要的技術(shù)進(jìn)步。然而，由于材料限制、氣體釋放或系統(tǒng)集成時電力電子設(shè)備方面的難題，截止電壓上限不能持續(xù)提高。因此，提高電極比容量就成了一項重要策略。在含有鎳成分的電池陰極中，理想情況下提高比容量可以與降低鎳含量結(jié)合，因為鎳含量的相對重要性較低。在這里，值得強調(diào)的是，與擬合學(xué)習(xí)率和材料組件起始價格相關(guān)的不確定性不太可能對結(jié)論產(chǎn)生顯著影響。

提高HC陽極的比容量是一個確定可行的關(guān)鍵設(shè)計方向。由于HC類材料分接密度、壓延密度低，實際使用中厚度存在限制，因而平衡陰極只能采用較低的面容量負(fù)載（每平方厘米毫安時級別）。這會引發(fā)多種連鎖反應(yīng)，比如需要更多電解質(zhì)浸潤電極內(nèi)增加的孔隙。另外，HC類電池的電壓曲線斜率很大，限制了可以提供的電池能量總量，對成本效益產(chǎn)生了負(fù)面影響。出于這些原因，HC類材料雖然的確具備讓第一代鈉離子電池產(chǎn)品具備商業(yè)可行性的條件，但要實現(xiàn)長遠(yuǎn)的技術(shù)經(jīng)濟競爭力進(jìn)而同鋰離子電池分庭抗禮，還需要大幅提高其比容量（至少每克400毫安時）甚至徹底更換陽極材料。

另一種鈉離子電池設(shè)計方向是徹底放棄陽極材料，轉(zhuǎn)而選擇無陽極電池結(jié)構(gòu)。這種創(chuàng)新方案的風(fēng)險當(dāng)然更高，但應(yīng)該不需要對當(dāng)前這一代的鈉離子陰極技術(shù)做大幅調(diào)整。然而，實現(xiàn)無陽極結(jié)構(gòu)所需的先進(jìn)隔膜、電解質(zhì)和/或集流體，必須在不改變技術(shù)經(jīng)濟性的前提下完成。

總而言之，鈉離子電池值得我們深入、廣泛地研究和開發(fā)，并重視商業(yè)化。我們認(rèn)為，對鈉離子電池當(dāng)前或短期（2030年前）的前景應(yīng)當(dāng)持謹(jǐn)慎態(tài)度，其相對于鋰離子電池（尤其是LFP電池）的價格優(yōu)勢在短期內(nèi)仍舊停留在紙面上。不過，我們同樣相信，在鋰離子電池原材料供應(yīng)鏈出現(xiàn)波動的情況下，鈉離子電池絕對是一種可行的替代方案，能夠代替鋰離子電池在全球能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮重要作用。鑒于此，我們建議繼續(xù)投資鈉離子電池的技術(shù)開發(fā)，使其具備同鋰離子電池一較高下的市場競爭力。同樣地，考慮到鋰離子電池已經(jīng)表現(xiàn)出對供應(yīng)鏈沖擊的高度敏感性，對鋰離子電池原材料供應(yīng)鏈的安全建設(shè)也應(yīng)當(dāng)成為繼續(xù)投資的方向，不能放棄。

開發(fā)低成本電池的最終目標(biāo)是迅速在各類車輛以及固定式應(yīng)用場景中快速部署這類儲能設(shè)備，以滿足能源轉(zhuǎn)型的需求。在全球氣候態(tài)勢緊張的大背景下，即使面臨地緣政治局勢愈發(fā)緊張、供應(yīng)鏈波動的不利條件，這個終極目標(biāo)也必須達(dá)成。因此，我們不僅要做到準(zhǔn)確預(yù)測現(xiàn)有技術(shù)的價格發(fā)展趨勢，而且要深入了解新興技術(shù)的競爭力與替代可能，這一點也同樣非常重要。我們在此提出的建?？蚣芫陀兄趯崿F(xiàn)這個目標(biāo)。我們的建模結(jié)果對后續(xù)研究工作有指導(dǎo)意義，并且能為與相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)經(jīng)濟競爭力和商業(yè)成功概率相稱的戰(zhàn)略投資提供參考。

資料來源NatureEnergy

本文由斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系闕宗仰（WilliamChueh）領(lǐng)銜團(tuán)隊完成。闕宗仰于2024年 σ 月起擔(dān)任斯坦福大學(xué)普雷考特能源研究所所長