刘光腚🍉

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2021-07-31

万亿市值后,宁德时代为什么要做钠离子电池?

宁德时代在 7 月29 日,重磅发布了他们的第一代钠离子电池,引得行业内外无限遐想。当天,不仅是钠离子电池概念股,甚至与储能相关股票也几乎涨停。

有人觉得钠离子电池会在不久的将来代替锂离子电池,有人称钠离子电池是「中国机会」,有人觉得宁德时代万亿市值会因为钠离子电池而继续增长。

今天我们不谈自动驾驶和智能座舱,我们来聊一聊宁德时代的初代钠离子电池。

首先,这款钠离子电池的相关性能已经走在了世界前列:

  • 宁德时代的第一款钠离子电池能量密度已经达到了 160 Wh/kg,这是目前全球最高水平;

  • 循环次数可达 3,000 次,与锂离子电池基本相当;

  • 具备了快充能力。在常温下充电 15 分钟,电量就可以达到80%;

  • 低温环境 90% 以上的放电保持率;

  • 已经超越国家动力电池强标的安全要求。

宁德时代专门为这款电池举行了一场发布会,对其技术优势、应用场景进行讲解规划。这让人不禁疑问,宁德为什么要做钠离子电池?

钠离子电池走进舞台中央

我们话要从头聊。钠离子电池技术其实在上世纪 70、80 年代时,曾与锂离子电池技术并存,就像最早的电动车和蒸汽机车、燃油机车并存一样。

但后来,锂电池比钠离子电池更快地实现了商业化落地。在 1991 年,索尼就发布了首个商用锂离子电池,用在索尼自己的摄影机中。由于没有先例可循,索尼为自己的的电芯制定了标准:直径为 18 mm,长度为 65 mm 的圆柱形电池,这便是 18650 电池的祖先。

索尼的商业化推广,让锂离子电池,迅速得到了市场的认可,在便携 4C 产品上获得大量应用。而随着新能源汽车的崛起,锂离子又切入了汽车动力电池领域,并且凭借着各项性能优势并成为主流。

作为电动车型的动力来源,锂离子电池的产量一直制约着全世界 OEM 们的整车销量,甚至比「缺芯」问题影响得更深更大。

据 SNE Research 预测,截止至 2023 年,全球电动汽车对动力电池的需求达 406 GWh,而动力电池供应预计为 335 GWh,这个动力电池缺口约为 18%。随着时间推移,「电池焦虑」没有消除反而继续增加,预测到 2025 年,缺口将扩大到 40% 左右!

而这其中,锂离子电池原料的短缺,便是「罪魁祸首」。

地壳中,锂的储量仅有 0.0065%,且分布极不均匀。全球生产的电池级 Li2CO3(碳酸锂)约 70% 集中于南美洲(阿根廷、智利)。虽然中国也有锂矿,但仅占全球储量的 6%,由于需求量太大,目前有约 80% 的锂资源需要依赖进口。在逆全球化主义的推动下,确实面临着被「卡脖子」的风险。

同样的, NCM(镍钴锰)和 NCA(镍钴铝)作为目前主流的锂离子电池正极材料,对镍、钴两种元素的需求,也碰到了与锂矿类似问题。

数据来源:USGS

中国镍矿进口依赖程度超过 80%,主要从印尼、菲律宾进口。而印尼作为全世界红土镍矿储量最多的国家,产量占据全球近四成,在国际镍矿领域占据主导地位。2019 年 8 月,印尼宣布不再出口镍矿,造成镍矿涨价,引起我国电池制造商、铝合金企业震荡。

当然,我们的企业不会坐以待毙,除了青山控股在印尼拿下镍矿开采权以外,宁德时代也在去年 6 月,在印尼投资建厂。

虽然大家都在朝着「低钴」方向走,但 Roskill 预计,2021 年 NCM 和 NCA 正极仍是主流,在已售电动汽车使用的正极材料中占 70%(按重量计算),对钴的需求依然会继续增长。而钴矿资源分布同样不均,约一半集中在刚果(金)。

不过我们的企业同样很争气,去年 12 月,洛阳钼业从美国「铜巨头」Freeport-McMoRan(自由港)公司手中,花费 5.5 亿美元,得到了 Kisanfu 铜钴矿 95% 的股份。这个矿不仅蕴含超过 310 万吨钴金属,是目前世界上储量最大的待开发铜钴矿之一。而宁德时代在今年 4 月与洛阳钼业签署合作协议,将共同开发铜钴资源。

锂电池制造原料的稀缺,以及本身分布的不均,都督促大家寻找可以补完以上不足的备选技术方案。近 10 年,钠离子电池技术的进步,让人们看到了另一颗「未来之星」。

钠离子电池究竟是什么?

「氯化钠炒不起来,(因为)盐很多」宁德时代董事长曾毓群,对钠离子电池如此称呼。确实,我们的地表富含钠,含量达到 2.75%!而且含钠的化学物容易开采品位高,更重要的是分布极为广泛,这就不存在任何卡脖子的问题了。

图片来源:中科海钠

钠每公斤的价格仅为 2 元,而锂则高达 150 元。钠离子电池的 BOM 成本相比于锂离子电池可降低 30-40%。

由于钠不会和铝发生反应,所以钠离子电池的正负极集流体都可以使用,比锂离子电池铜箔更便宜的铝箔,这可以进一步降低成本 8% 左右,重量还可降低 10% 左右。

钠元素不仅分布广泛、便宜,还更容易制备,且加工过程相较于锂卤水的蒸发工艺更环保。但仅有这些生产优势,并不足以让钠离子电池走入主流。

在元素周期表中,钠元素与锂元素同属于碱金属主族,物理化学性质非常相似,甚至可以兼容锂离子电池现有生产设备。

而钠离子电池的工作原理也和锂离子电池类似,本质上都属于浓差电池,通过氧化还原反应,让钠离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,实现电能的存储和释放。也是由于这种离子不断地在正负极之间穿梭来传递能量,所以也被形象地称为「摇椅」式电池。

但真正让锂离子电池得到商业化落地可能的,还是正负极材料的技术突破,因为钠离子电池是无法兼容锂离子电池现有的三元、四元正极材料和石墨负极的。

目前学术界认为较为典型的钠离子电池正极材料,主要有三类:层状过渡金属氧化物、聚阴离子、普鲁士蓝。

业界普遍认为普鲁士蓝及其类似物材料潜力较大,普鲁士蓝材料具有较高的容量、结构稳定性高、循环性能优异,并且可以兼容兼容水系和有机系两种不同体系的钠离子电池电解液。同时由于普鲁士蓝是钢铁制品的副产品,因此较低为 2 万元/吨。

负极材料同样需要重新敲定。因为锂离子的半径只有 0.076 nm,而钠离子的半径则要大上不少,达到 0.102 nm。所以使用锂离子电池原有的石墨负极,会使得锂离子在石墨层脱插困难,并且破坏石墨的层状结构,最后导致电池罢工。

针对钠离子的特性,在钠离子电池负极材料上,科学家对碳基负极材料、钛基化合物、转化反应型化合物、金属间化合物等均进行了测试。目前看,难以被石墨化的硬炭是比较好的钠离子电池负极材料,但由于需要制备过程中需要 1,000 ℃ 以上的高温工艺,所以制造成本较高,在 10 万元/吨左右。

而对于电解液的选择,钠离子电池相对从容,可以从锂离子的六氟碳酸锂溶质转变为六氟磷酸钠,并且可以使用更低的浓度来实现足够的动力性能,进一步降低了电解液溶质的成本。

图片来源:中科海钠

而钠离子电池安全,也被认为是其重要优势。

在测试环节中,经历针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火不爆炸;并且由于钠离子电池用稳定性更好的铝箔做负极集流体,所以可以在运输前将电量完全放空,保障运输安全,又不影响后续的电池性能。

钠离子或是「弯道超车」新路径

对于钠离子电池的研究,国内外已有不少公司,我大概找了几家给大家看看。

包括于 2011 年成立的全世界第一家钠离子电池公司 FARADION。他们走的是镍层状氧化物正极、硬碳负极和有机电解液的技术路线,钠离子电池的能量密度在 150Wh/kg~160Wh/kg,80% DOD 循环寿命 1,000 次。

ALTRIS 一家来自瑞士的钠离子电池公司,选择了普鲁士蓝正极和水系电解液,其产品可以能量密度 140Wh/kg,可以实现 25 次循环容积保持率为 94%。

而刚才我们提到的中科海钠,则是国内钠离子电池行业的泰斗。最早从 2010 年就开始研究钠离子电池,由中国工程院院士、中国科学院物理研究所研究员,陈立泉创立;中科院物理所研究员胡勇胜担任董事长兼 CTO。

2018 年 6 月,中科海钠推出了全球首辆钠离子电池(72 V•80 Ah)驱动的低速电动车;2019 年 3 月发布了世界首座 30 kW/100 kWh 钠离子电池储能电站;2021 年 6 月末,中科院物理所与中科海钠在山西太原综改区联合推出了全球首套 1 MWh 钠离子电池光储充智能微网系统。

中科海钠旗下的产品钠离子电池采用铜层状氧化物正极,煤基碳负极和有机电解液体系,能量密度 145 Wh/kg,循环寿命 4,000 次。可以说在电池性能上,已经走在世界前列了。

很多人可能看这个陈立泉院士面熟,没错,他就是曾毓群的博导。所以说宁德时代搞钠离子,也算是和中科海钠师出同门了。

而此次发布的宁德时代第一代钠离子电池,在各项参数上,已经达到并超越以上钠离子电池厂商的产品,走在行业前列。并且使用了不少新材料与新配方:

  • 在正极材料方面,宁德时代选择了具有潜在商业化价值的普鲁士白和层状氧化物两类材料。它们的克容量已经达到了 160 mAh/g,与现有的锂离子电池正极材料基本相当。针对普鲁士白,选择对材料体相结构进行电荷重排,以解决普鲁士白在循环过程中容量快速衰减的问题。

  • 在负极材料方面,宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料,克容量可达 350 mAh/g以上,具备易脱插和优秀的循环性。整体性能与锂离子电池中的石墨负极相当。

中科院物理所研究员胡勇胜,在自己的文章中写道:

从核心技术层面来看,我国的技术储备为钠离子电池在中国的产业化做好了充分准备。我国在钠离子电池的研发方面处于国际领先水平,在核心材料体系方面具有完全独立自主的知识产权,部分专利还获得了美国、日本和欧盟的授权。

这预示着,中国钠离子电池在未来有很大机会在钠离子电池的应用领域登陆国外市场,并借助先进的技术和成熟的商业化体系,获得优势地位。

宁德时代是一家「新能源科技」公司

对于钠离子电池的应用方向,根据其特性,业界大多将其使用在储能、电动两轮车领域。自从宁德时代董事长曾毓群在 5 月的股东大会上,表示要在 7 月份发布钠离子电池后,业界普遍猜测宁德在布局储能领域。

其实宁德时代给自己定了三大战略发展方向,早就不是单纯的电池供应商了:

  • 以可再生能源发电和储能,替代固定式化石能源;

  • 以动力电池助力电动车发展,替代移动式化石能源;

  • 以电动化+智能化的集成应用创新,加快各领域的新能源替代进程。

所以,储能这个事情猜对了一半。但我们要知道宁德时代是一家「新能源科技」公司。

2018 年全国数据中心共耗电 1,609 亿度电,占中国全社会用电量的 2.35%;

2018 年我国弃光、弃风、弃水电量共计 1,022 亿度电;

随着 5G 基站建设进程加快,我国至少需要新建或改造 1,438 万个基站,存在 155 GWh 电池的容纳空间,对储能电池的需求必将大幅提升。

陈立泉院士对我国储能行业的现状做了详细分析,并肯定了未来储能领域的广阔市场前景,宁德时代自然会先将初代钠离子电池布局在它最适合的储能领域。

根据彭博新能源财经的分析,2020 年动力电池和储能电池的市场规模已达 174 GWh,预测未来 10 年的复合增长率将超过 30%。2030 年交通和储能对锂离子电池的需求将激增至 5.9 Twh!

储能的需求市场,会成为宁德时代的下一个利润增长极。但宁德时代对钠离子电池的期待,其实不仅限于储能电池。

他们期望在第二代钠离子电池上,实现 200 Wh/kg 的能量密度,已经超越了磷酸铁锂 180 Wh/kg,满足了动力电池的需求。

在 2023 年,宁德时代的钠离子电池将形成基本产业链,到时候磷酸铁锂的位子可能要挪一挪了。未来加速钠离子电池产业链的完善和发展, 宁德时代研究院副院长黄起森,还在直播中直接对研究机构、上游的材料供应商和下游的电池应用端发起邀请。

为了尽快让钠离子电池进入动力电池市场,宁德时代开发了 AB 电池解决方案。将钠离子电池与锂离子电池放在一个 PACK 中集成混用。

不同电池的混用,对 BMS 的要求非常高。但钠锂的搭配,明显比「磷酸铁锂三元」电池更具优势。初代钠离子电池能量密度,在这种组合中被锂离子电池拉升,同时还能发挥出了它高功率、低温性能好的优势。以此系统结构创新为基础,可为锂钠电池系统拓展更多应用场景。

宁德时代目前已经在与车企以及储能领域的客户,就第一代钠离子电池的使用进行接洽了。

曾毓群将钠离子电池与锂离子电池的关系称作「相互兼容互补」。钠离子电池更多的是对锂离子电池短板的补齐,将进入更细分的领域,与锂离子电池共同填补储能和动力电池市场的空缺。

最后

SNE Research 同样在 7 月 29 日,公布了 2021 年上半年全球动力电池市场份额占比,宁德时代以 34.1 GWh 的装机量拿走 29.9% 的份额,占据行业龙头地位。

作为一家新能源科技公司,宁德时代不会仅满足于当前在动力电池的领域的榜首位置。站在万亿的市值前,曾毓群需要另辟一条「成熟」的蹊径,为宁德时代创造新的赛道。

钠离子电池之于宁德时代,有历史的必然性和偶然性。

我国由于本土能源结构少汽缺油,是全世界最大的石油、天然气进口国。同时由于煤炭的大量使用,我国的二氧化碳排放是世界第一。这样的头衔,可不是什么好事儿,能源不在自个儿手里,时刻受到地缘政治、单边主义的影响,降低对进口能源的依赖,提升能源安全势在必行。

不约而同的是,世界各地都在追逐钠离子电池技术。2020 年,美国能源部公布了对电池研究计划的布局,明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划 「电池2030」 项目公布了包括锂离子电池、非锂离子电池和未来新型电池的未来电池发展体系,其中钠离子电池被列在非锂离子电池体系的首位。欧盟「地平线 2020 研究和创新计划」更是将「钠离子材料作为制造用于非汽车应用耐久电池的核心组件」重点发展项目(资助 800 万欧元)。

钠离子电池不像锂离子电池那样,有成本高筑且需要进口的原材料,且中国在钠离子电池技术研发、专利数量、产业布局上均有优势。宁德时代选择钠离子电池,可以说是「时代的召唤」。

好巧不巧,也是在在 7 月 29 日,华为的旗舰手机 P50 由于芯片「卡脖子」原因延迟 4 个月后终于发售,但全系没有 5G。

让人感叹的是,华为消费电子业务在受到制裁后,已经从第一跌出前五。华为掌握了芯片的设计能力,但没有掌握最核心的芯片制造能力,甚至国内都没有一家可以提供高精度光刻机的公司。

也许是因为这样的前车之鉴,宁德时代选择主动革新电池物理化学技术,扛起钠离子电池的大旗,颇有自建「光刻机」,避免「卡脖子」的果断勇气和前瞻智慧。

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