鋰的替代者

數(shù)碼產(chǎn)品暫時(shí)無(wú)緣

很遺憾，鈉離子電池在未來(lái)的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，可能都與數(shù)碼產(chǎn)品絕緣。原因很簡(jiǎn)單，鈉離子電池當(dāng)前的主攻方向是“動(dòng)力電池”，屬于電動(dòng)車電池產(chǎn)業(yè)鏈的組成部分（圖1）。

當(dāng)然，理論上鈉離子電池也能用做筆記本和手機(jī)的能源，只是這種方式（就現(xiàn)在來(lái)看）并不經(jīng)濟(jì)，因?yàn)檫@種新型電池的單位能量密度小于鋰離子電池，這意味著像火柴盒大小的電池板（圖2），鋰電池可能有5000mAh，換成鈉電池也許就只有3500mAh了。數(shù)碼產(chǎn)品本來(lái)就在為如何延長(zhǎng)續(xù)航而發(fā)愁，換裝鈉電池后將面臨續(xù)航驟降的風(fēng)險(xiǎn)。

雖然鈉電池的能量密度偏低，但它依舊受到了市場(chǎng)和資本的認(rèn)可，并在電動(dòng)車市場(chǎng)醞釀著一場(chǎng)風(fēng)暴。接下來(lái)，咱們就來(lái)簡(jiǎn)單聊聊這種新型電池的特性。

動(dòng)力電池的分類

除了鈉電池以外，動(dòng)力電池還包含鉛酸電池和鋰電池，而鋰電池還能被進(jìn)一步細(xì)分成磷酸鐵鋰和三元鋰兩大分支。

鉛酸電池

鉛酸電池（VRLA）誕生于1859年，它是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。一個(gè)單格鉛酸電池的標(biāo)稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，充電到2.4V。在實(shí)際應(yīng)用中，鉛酸電池組通常是由多個(gè)單格電池串聯(lián)而成，比如3格電池串聯(lián)成6V、6格電池串聯(lián)為12V（圖3），此外還有24V、36V、4 8V 等規(guī)格，曾被廣泛應(yīng)用在交通、通信、電力、軍事等領(lǐng)域。

鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)是成本（相對(duì)）低廉，安全性較高。在現(xiàn)實(shí)生活中我們看到的那些爆炸、燃燒的電動(dòng)車，多是因鋰電池引起的，因鉛酸電池引起的安全事故相對(duì)要少了很多。

但是，鉛酸電池電極的主要材料鉛存在毒性，生產(chǎn)時(shí)的廢棄物也會(huì)造成環(huán)境污染，能量存儲(chǔ)密度很低，循環(huán)壽命普遍只有300次，想實(shí)現(xiàn)和鋰電池相同的電量需要更大的體積和重量（圖4）。此外，這種電池普遍缺乏BMS電池管理系統(tǒng)，很難做到充滿后充電器自動(dòng)斷電，而且一旦其中一格電池出現(xiàn)問題會(huì)影響到整個(gè)電池組的使用。

因此，鉛酸電池顯然無(wú)法用于智能手機(jī)、筆記本電腦、高性能電動(dòng)汽車這類對(duì)能量存儲(chǔ)密度和循環(huán)壽命要求更高的設(shè)備，目前兩輪/三輪電動(dòng)車和汽車內(nèi)置的電瓶是鉛酸電池的主要客戶。隨著人們環(huán)保意識(shí)的覺醒，這種電池也許很快就要全面退出主流消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)了。

鋰離子電池

關(guān)注電腦愛好者的朋友對(duì)鋰電池應(yīng)該非常熟悉，這種電池主要由正極材料、電解質(zhì)（液）、隔離膜和負(fù)極材料（以石墨為主）構(gòu)成，其工作原理就是鋰離子Li+反復(fù)在電池正極和負(fù)極之間移動(dòng)（圖5）。在充電時(shí)，鋰離子Li+從正極游離到負(fù)極，嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)內(nèi)的Li+越多，電池存儲(chǔ)的電量也就越多;在放電時(shí)，鋰離子Li+則會(huì)擺脫負(fù)極碳結(jié)構(gòu)的束縛，重新從負(fù)極游離回正極。

在體積不變的情況下，如何提升鋰電池的容量？最簡(jiǎn)單的解決方案就是改變正極材料，此外還有優(yōu)化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，比如減少隔膜的厚度（圖6）。但是，隔膜扮演著鋰電池體內(nèi)的“防爆墻”的角色——在鋰電池的充放電過程中，正極與負(fù)極是絕對(duì)不能接觸的，否則就會(huì)出現(xiàn)短路，造成電池異常發(fā)熱。好一點(diǎn)的情況是導(dǎo)致電池鼓包，而差一點(diǎn)的情況，就是燃燒甚至爆炸。因此，優(yōu)化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)很大，最穩(wěn)妥的方案還是從正負(fù)極材料著手。

目前鋰電池的正極材料主要以“磷酸鐵鋰”（Li Fe P O 4）和“三元”為主，它們的負(fù)極、電解液及隔膜等相似，并因此衍生出了磷酸鐵鋰電池和三元電池兩大分支。其中，三元電池還能被進(jìn)一步細(xì)分為NCA鎳鈷鋁三元電池和NCM鎳鈷錳三元電池。三元常見的表達(dá)方式還會(huì)在N CM后加一串?dāng)?shù)字，例如NCM523、NCM811等，代表了鎳鈷錳在材料中的大概比例。

簡(jiǎn)單來(lái)說，三元電池的能量密度高于磷酸鐵鋰，但成本更高，而且熱穩(wěn)定性能較差，在極端條件下（如穿刺、變形）更容易爆燃，二者互有優(yōu)劣。目前，智能手機(jī)等數(shù)碼產(chǎn)品內(nèi)置的電池多以磷酸鐵鋰為主，三元電池則偶爾出現(xiàn)在充電寶內(nèi)置的電芯中。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，比亞迪刀片電池就是磷酸鐵鋰的代表（圖7），此類電池普遍可以實(shí)現(xiàn)400km左右的續(xù)航，而三元電池則可帶來(lái)500km以上的續(xù)航。

總之，鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)是安全成本低，但較小的能量密度使其難以搶占高端戰(zhàn)場(chǎng)。鋰電池各方面指標(biāo)都比較優(yōu)秀，但鋰元素的主要產(chǎn)能都集中在南美，三元電池中涉及的鎳和鈷等元素也多集中在澳大利亞、新喀里多尼亞、巴西和剛果（金）等地，存在隨時(shí)被“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)。

面向未來(lái)的鈉離子電池

從元素周期表來(lái)看，鋰和鈉都是最左邊一列的元素，這意味著它們的化學(xué)性質(zhì)相近，都能在電池的正極和負(fù)極之間移動(dòng)（圖8）。只是，鋰是3號(hào)元素，也是最輕的金屬元素，作為11號(hào)元素的鈉則重了不少，從微觀來(lái)看就是鈉的體積要比鋰大得多，因此如果將鈉作為電池的正極材料，相同的尺寸和重量下其能量密度先天就要差一些（見表）。

鈉離子電池的特性

實(shí)際上，以鈉離子作為電荷載體的電池早在上世紀(jì)70年代就被提出，只是其體積和能量密度僅為鋰離子電池的50%左右，導(dǎo)致之后3 0年都處于研發(fā)停滯的狀態(tài)。由于鋰元素的相對(duì)稀缺性，其成本波動(dòng)很大，鋰價(jià)格在今年的漲幅曾一度超過80%，考慮到日后供應(yīng)鏈安全的問題，尋找新的替代元素勢(shì)在必行。于是，鈉離子電池便再次浮出了水面。

從理論層面看，用鈉替代鋰的優(yōu)勢(shì)多多。首先，鈉元素在地球上的儲(chǔ)量非常豐富，地殼當(dāng)中含量達(dá)到2.75%，無(wú)論陸地還是海洋儲(chǔ)量都非常豐富（圖9）。其次，鈉離子不與鋁箔發(fā)生合金化反應(yīng)，因此可以替換鋰電池使用的銅箔，從而大大降低制造成本，還能實(shí)現(xiàn)0V運(yùn)輸，降低電池運(yùn)輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)。最重要的一點(diǎn)是，鈉離子電池安全性能好，在針刺、擠壓、過充、過放等安全項(xiàng)目測(cè)試中做到不起火不爆炸。在高低溫測(cè)試時(shí)，其容量保持率都很不錯(cuò)，不會(huì)像磷酸鐵鋰電池一樣在冬天“失能”。

鈉離子電池的首秀

寧德時(shí)代發(fā)布的第一代鈉離子電池就參數(shù)而言已經(jīng)超過了我們的預(yù)期，其電芯單體能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg，常溫下充電15分鐘就可以達(dá)到80%，在零下20°C低溫的環(huán)境下也有90%以上的放電保持率，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性在極端條件下也能確保安全（圖10）。作為對(duì)比，亞迪唐EV刀片電池的電池包能量密度已經(jīng)可以做到160Wh/kg，可以說鈉離子電池已然達(dá)到了磷酸鐵鋰電池的水準(zhǔn)，但與三元電池相比依舊存在不小的差距（圖11）。

寧德時(shí)代曾表示，旗下第二代鈉電池的單體能量密度將達(dá)到20 0Wh/kg，已經(jīng)達(dá)到了三元電池的蓄能下限。在國(guó)家政策層面也在推動(dòng)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)建立，并逐漸實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的規(guī)模化和低成本化，提升綜合性能。作為新生事物，我們可以將目前的鈉離子電池理解為2013年～2014年期間的鋰電池，正處在爆發(fā)的前夜，未來(lái)可期。

總之，鈉離子電池短期內(nèi)的著力點(diǎn)，是在儲(chǔ)能領(lǐng)域替代鋰電，在低速車（兩輪/三輪電動(dòng)車）方面有望完全替代鉛酸，快遞小哥不用頻繁換電池了。電動(dòng)汽車領(lǐng)域有望替代部分磷酸鐵鋰電池，降低成本并提升安全性。不過，在智能手機(jī)和筆記本電腦等數(shù)碼產(chǎn)品領(lǐng)域，鈉離子電池暫時(shí)還是指望不上的，但隨著產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模和技術(shù)的迭代，也許會(huì)在未來(lái)的某一天，出現(xiàn)內(nèi)置鈉離子電池的手機(jī)也說不定（圖12）。