鋰電池已經成為幾乎所有儲能領域的首選，在效能上，鋰電池的能量密度也明顯優於其他電池路線。但在巨大的儲能市場面前，鋰元素本身的稀缺性和高昂價格，為其他電池路線留下了市場空間。
“鋰電的效能，鉛酸的價格”。一家名為中科海鈉的電池初創公司提出了區別於市面上電池產品的鈉離子電池，欲在追求價效比的儲能市場上分一杯羹。
中科海鈉團隊成員來自被稱為“電池研發國家隊”的中科院物理所二次電池研發團隊，其開發的鈉離子電池產品在效能上對標鋰電池，包括使用壽命相當，快充快放，且能量密度可達 140Wh/kg。而在成本上則明顯優於鋰電池，甚至可以比肩在市場上處於低端的鉛酸電池。該電池負極材料以煤作為原料，正極以廉價金屬氧化物為原料，成本優勢明顯。
今年，中科海鈉的鈉離子電池產品已經實現量產，是全球首款具備自主智慧財產權的產品化鈉離子電池。該公司資料顯示，目前電芯產能可達 30 萬隻/月，而且已經獲得了來自印度市場的訂單。
鈉離子電池重出江湖
在今天看來，鋰電池已經成了各種電子裝置電池、動力電池的絕對主流選項，相較而言，鈉離子電池的市場份額幾乎可以忽略不計。但在研究歷程上，兩個技術路線有著幾乎同步的起點。
上世紀 70 年代，鈉離子電池和鋰離子電池都是電池領域科學家研究的重點方向。讓兩者真正分野的索尼在 90 年代成功將鋰電池商用化，在消費電子領域大面積鋪開了鋰離子電池。商用化的順利進行反向抑制了鈉離子電池技術路線的發展。
此後，雖然應用前景廣大，鈉離子電池的研究卻一直沒有取得決定性的突破。
不同於其他需要氧化還原反應的電池，鈉離子電池與鋰離子電池都屬於“搖椅電池”——需要離子自己在陰陽極之間來回穿梭，以達到充放電的目的。換句話說，陰極和陽極起到的作用就是收集、儲存和釋放用以產生電流的離子。
上世紀 80 年代，鋰離子的陰極材料研究首先取得突破，以鈷酸鋰為代表的陰極材料，和通常由石墨構成的陽極材料組合，讓鋰離子電池獲得了極佳的效能，從而取代之前的鎳氫充電電池，走進了千家萬戶。
而鈉離子電池的電極材料研究卻遠沒有這麼順利。當時商用的鋰離子電池迴圈壽命能達到鈉離子電池的 10 倍左右。這是因為兩種電池的產品效能表現相去甚遠。鋰離子電池獲取了科學家和資本、產業的絕對關注。
鈉離子電池再次進入主流科學家的視野是在最近十餘年。在全球擁抱鋰電池之後，科學家透過計算認為，如果說地球上的內燃動力都換成電池動力，鋰電池是不夠的，主要原因是鋰元素本身不足。
中科海鈉 CEO 唐堃表示，地球上的鋰大概有不到 7000 萬噸，而鈉的存量大概比鋰大三個數量級，在整個地球的元素丰度中佔 2.3%，可謂取之不盡用之不竭。
在“前瞻性”思維的推動下，鈉離子電池路線重新獲得了研究者的關注。且鈉離子原理跟鋰電池完全一樣，工藝也基本一樣，只是金屬元素性質上存在一些差別，因此鈉離子電池成為一個順理成章的替代選擇。
如前文所說，鈉離子電池此前在迴圈壽命上存在巨大短板，經過十年左右的科研突破，鈉離子電池的效能表現也有了明顯改善。
唐堃表示，到了 2017-2018 年，他們團隊開發的鈉離子電池迴圈壽命已經達到2000 次。
“我們在中科院物理所做了超過十年的研究，最終在 2016 年左右，找到了一款我們認為可以商業化的低成本的鈉離子電池，其中包括了正極材料、負極材料和電解液組成的完整的電池體系，此後開始商業化路線探索。”
降低價格的三個步驟
一個常見的鋰電池一般包括了正極材料、負極材料、電解液、隔膜和電池外殼。正極、負極和電解質都是電池的關鍵部分。
作為一個整體的系統，電池的能量密度與正極、負極、電解液都是相關的，而且正極材料是這三者中的短板。如常用作負極的石墨電極，其容量在很早以前就達到了 350mAh/g。但對正極材料來說，即使是目前較前沿的 NCM811，容量也僅在 200mAh/g 左右。
此外，正極、負極、電解液三者之間也互相影響，任何一邊材料的改變都可能需要對另外兩者的材料進行調整。只有完美的匹配這三種關鍵材料，電池作為一個完整體系才能最終成立。
唐堃介紹，他們團隊設計研發出了一種新的使用廉價元素的層狀氧化物作為高效能正極材料，這也是該團隊的鈉電池產品的核心技術之一。
中科海鈉董事長、中科院物理研究所的胡勇勝研究員領導的團隊發表的論文顯示，結合了元素摻雜比例等方法，他們設計了新一代高比容量 Cu-Fe-Mn 基正極材料，在 2.5~4.0 V的電壓範圍內可實現 130 mA·h/g 左右的比容量。
唐堃表示，區別於多數鋰電池領域的研究進展，這種正極材料的提出對鈉離子電池來說算是一個非常底層的研究突破。就像諾貝爾獎獲得者 John B. Goodenough 提出的磷酸鐵鋰正極材料，是一個非常底層的材料專利。
在材料選擇上，胡勇勝的研究團隊最後沒有考慮鎳、鈷這樣的昂貴的金屬材料，而是選擇了便宜的銅、鐵、錳。“這三種價格非常便宜的金屬元素，雖然在效能表現上不如鎳、鈷這樣的貴金屬，但整體表現不錯，且價格明顯更低。”
這也突出了鈉電池在價效比方面的追求。
在負極材料方面，常規鋰電池的負極材料是石墨，但主流的快充電池和鈉離子電池都無法再用石墨做負極。對於鈉離子電池來說，由於鈉離子比鋰離子要大得多（直徑比鋰離子大了約 50%），所以無法被常用於製造鋰離子電池陽極材料的石墨吸收。
找到合適的負極材料也是鈉電池體系的又一重點。近幾年出現的硬碳材料作為一種新的負極材料，也能用在鈉離子電池體系當中，但阻礙其商用的還是價格問題，目前，商業上能買到的最好的硬碳價格約為 20 萬元一噸。
在這方面，該團隊首次提出了用基於無煙煤材料製成鈉離子電池的負極材料。當前煤的成本約為 500-1000 元/噸，將其進一步加工成負極使用的碳材料，所需的成本也少於 2 萬元/噸。
在電解液方面，目前常用鋰離子電池使用六氟磷酸鋰做電解質鹽，主要成本也來自鋰元素。鈉離子電池使用基本一致的溶劑，把電解質鹽對應的替換為六氟磷酸鈉。而六氟磷酸鈉規模生產後，成本會顯著低於六氟磷酸鋰，原因還是在於鈉元素的價格要遠低於鋰元素的價格。
正極、負極、電解液三者成本的降低，共同決定了電池體系價格較鋰電池更便宜。
用武之地
衡量電池有多個評價維度，成本、能量密度、壽命等，而不同電池在三個方面可能有著各自不同的優越性。
理論上，材料屬性決定了鈉離子電池在能量密度的上限低於鋰電池。唐堃表示，在體積相同的情況下，鈉離子電池的容量約為鋰電池的 80%。
（來源：中科海納）
唐堃認為，鈉離子電池的市場定位則瞄向了對能量密度要求相對不高的場景。
對於手機、無人機、電動汽車來說，重量和體積都非常敏感。這些場景需要繼續使用鋰電池的路線。
而對於大型儲能電站來說，電池體積的大小並不是首要考慮因素，除了壽命、安全等因素的考量，成本也是儲能電站的重要考慮因素。這些才是鈉離子電池的目標市場。
另一個場景就是替換市場上的鉛酸電池。
目前市場上的鉛酸電池基本上用到 1-1.5 年就要更換新的電池，壽命最長不超過 3 年。另外鉛酸電池還面臨汙染和回收的問題，鉛酸電池以鉛作為極板原料，鉛本身就是一種重金屬汙染物，對人體和環境都有嚴重害處，且回收成本高。所以鉛酸電池的製作和回收是制約其可持續發展的瓶頸。
“鉛酸電池與鋰電池的價格相差接近一倍，我們規劃之後是要實現用便宜的元素，實現鉛酸電池的價格，而在效能上又能對標鋰電池。這是我們公司的一個產品定位。”
電池開發的“國家隊”
公司資訊顯示，中科海鈉成立於 2017 年 2 月，專注鈉離子電池研發與生產，其中研發團隊有院士 1 名，研究員 2 名，博士 11 名，碩士 6 名。公司創始人均出自中國科學院物理研究所。其中胡勇勝為技術帶頭人，自 2011 年起致力於鈉離子電池技術研發，在鈉離子電池正負極材料、電解液等方面取得突破。
唐堃告訴 DeepTech，中科院物理所電池研發團隊可以說是二次電池研發的國家隊，從上世紀七十年代開始專注鋰離子電池研發，在電池研發領域也曾孵化過其它公司。在技術路線上覆蓋了固態電池、鋰電池、鈉離子電池等。
“鋰離子電池已經是市面上的絕對主流，固態電池的研究如今也是電池研發領域的一大熱門，但在電池這個市場上，不會有一種電池能夠收割所有的儲能市場。”唐堃如此概括。
【來源：DeepTech深科技】
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