續航里程、充電效率、循環壽命、溫度敏感．．．甭管是磷酸鐵鋰電池還是三元鋰電池,都逃不過這些痛點。同時,這也是卡住新能源汽車脖子的重要瓶頸。

七月二十九日,CATL正式公布第一代鈉離子電池,并公布詳細正極、負極、電解液的相關細節以及相關技術參數。除此之外,CATL有關鈉離子電池的產業化布局,關于上游材料供應和下游消費市場預計也會出現深遠影響。

今天,我們就來好好聊聊啥是鈉離子電池,它的出現又會對新能源汽車發展出現什么影響?

一切從元素周期表說起

任何高新技術的基礎都是材料特性的合理應用,半導體(芯片)是這樣,電池也不例外。元素周期表上有數百種金屬/非金屬元素,什么能用來做化學電池已經被前人測試過無數次,其中氫(燃料動力電池)、鋰(鋰電池)、鈉(鈉離子電池)脫穎而出,成為最有潛力的選擇。

而電池的本質其實就是讓電子/離子規規矩矩的定向移動,電子的尺寸/質量無限接近于零,不要給TA準備工作所需的"辦公室",所以,離子大小/質量就成了決定電池能量密度的最重要因素。就電池微觀結構來看,作為11號元素的鈉(11個質子/11個中子)在能量密度方面天生相比3號元素的鋰(3個質子/3個中子)就沒有優勢。

簡單點說就是,鈉離子們作為胖子要更大空間的"辦公室"進行嵌入和脫出工作,這樣一來,相同的"辦公大樓"能入駐的員工就會比瘦子少一些。即,沒有那么多離子參和工作,所以容量小、功率低。

CATL第一代鈉離子電池能做到160kWh/kg單體能量密度,雖然還達不到大量使用鈷、鎳、錳稀有元素的三元鋰電池得高度,但已經基本和磷酸鐵鋰電池持平,這無疑已經相當了不起。

達到這樣的能量密度是不是有些反直覺?這是因為影響電池容量的遠不止胖子VS瘦子的關系。

限制電池能量密度的重要是正極材料,而CATL第一代鈉離子電池使用的是普魯士白、層狀氧化物,相比于使用磷酸鐵正極的刀片電池,這種正極材料塑造的"大房間"結構更可靠耐用,且可以讓鈉離子這個胖子更靈活穿梭于電解液、正/負極。

你可以理解為,胖子們雖然占了更大"辦公室",但出勤率很高,而且房子壽命長,工作體驗好,離職率低,能使整個部門長久保持戰斗力。帶來的好處就是,鈉離子電池充放電效率更高,并且循環壽命更長。

和此同時,鑒于胖子比瘦子更耐寒的特點,鈉離子電池對環境溫度也不那么敏感。按照官方給出的數據,第一代鈉離子電池在-20°的環境下依舊能保持90%的放電保持率,相比鋰電池更適用于高寒地區/高功率用車場景。

鈉離子電池的產業化優勢

成本,一直是制約動力鋰電池發展得重要因素,在新能源汽車上電池無疑占了造車成本的大頭。而這種情況在鈉離子電池實現產業化后會有顯著改善。

現役動力鋰電池所需的鋰元素,其在地殼中的含量約為0．0065%,其儲量在元素周期表中極為靠后,目前鋰礦輸出最多的是南美的智利,價格高,且供不應求。光這一項就讓很多電池制造商受不了,更別提三元電池所需的鈷(0．001%),就更金貴了。

再看看鈉離子電池,鈉離子這玩意人我們天天接觸——食鹽(氯化鈉),元素在地殼中含量高達2．32%,排行老六。并且這玩意兒不是以礦石方式存在的,鹽湖中到處都是粗鹽,沒啥開采和提純難度。正是鈉元素"爛大街"的屬性,充分奠定了第一代鈉離子電池低成本的基礎。

材料方面,負極使用的是硬碳材料,其能量密度可以達到350mAh/g+,不是電池容量的瓶頸;特制的新型電解液重要都是技術工藝成本,也不會被上游的材料卡脖子。

除此之外,同樣是正極+負極+電解液的電池工藝,就電池制造工藝和生產設備而言,鈉離子電池也能完全兼容現役的鋰電池的生產線。換句話說,從生產鋰電池到生產鈉離子電池不要針對設備進行大規模的改裝就行,又少了"建廠"這項大開支。這和鈉氫作為員工的燃料動力電池有著本質差異。

實際上,鈉離子電池和鋰電池都是同一種工作方式,本身就不是什么高新技術,再加上從材料到工藝的低成本特性,一旦實現產業化,就能最大限度發揮其電池本身的特性優勢:穩定可靠、安全性好、容量衰減小、充放電功率高。

鈉離子電池的應用前景

當然,我們還是要清醒認識鈉離子電池的低能量密度特性,這玩意兒在高端純電汽車領域沒多大發展前景,畢竟,續航里程目前仍舊是新能源汽車的首要價值指標。

未來的高端純電汽車重點還是要攻堅動力鋰電池儲能密度的問題,例如固態電池、超級電容等都是發展方向。

但在像五菱宏光MINIEV、奇瑞小螞蟻這樣的微型純電汽車上,鈉離子電池的應用無疑會進一步壓縮成本,其價格也有望進一步下探。按照官方給出的數據,下一代鈉離子電池的目標是200kWh/kg+,且兼容大功率快充也會更容易,潛力還是很大的。

至于20萬左右的主流家用車市場,CATL準備的是"混合電池"應用方法。即,把三元鋰電池和鈉離子電池以固定比例進行陣列化的組裝,在保證基礎電容量的同時,也能更好發揮鈉離子電池低溫環境大功率輸出,直流快充速度的優勢。

直白點說就是,搭載這種混合電池的車子不會被電池組的輸出功率限制其性能,電機功率可以做到更大。就拿TSLA舉例,0-100km/h雖然很猛,但超過這個速度其加速能力相比大排量跑車就會明顯衰減,但使用復合電池組再配上更大功率的電機就可以很好改善這個問題。

而實際上,假如真的實現鈉離子電池的超強產量,使其成為白菜價,想必不光是新能源汽車會向CATL拋出橄欖枝,核電、風電以及各種重工業耗電大戶都會朝聞風而動。

原因很簡單,一天24小時的用電量存在峰谷電價之分。像核電、風電這種24小時工作的產電大戶,就能在深夜這種用電低谷依舊能馬力全開,然后把電能通過低成本的電池陣列儲存起來,到了用電高峰再用。相應的,廠也可以在深夜用更便宜的電價給電池充電,從而節約開支。

總結

從技術角度看,鈉離子電池算是鋰電池的一個補充,并不能徹底改變新能源汽車的發展方向,但對目前的市場格局會有一定沖擊。但更低成本的鈉離子電池無疑更加有規劃化、產業化的應用前景,這對目前國內工業結構、能源結構都會出現深遠影響。

試想一下,假如跟存大米相同,每個中小型廠有能力儲存一周的用電量,每個家庭有能力儲存半年的用電量,這會對人的生活方式帶來什么革命性變化?