[电池完全征服](21)“在零下20℃也稳如泰山” 钠电池，是“游戏规则改变者”还是“DoA”？

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近期北极寒潮席卷美国，大量电动汽车电池放空后被困在路上动弹不得，各处充电站也出现充电大乱的情况。严寒环境下放电效率急剧下降的锂离子电池，正成为人们犹豫是否购买电动汽车的另一因素。一般认为，冬季锂离子电池的续航里程会减少约20%。

一种在低温下性能较强的新型二次电池正开始商业化，这就是钠离子电池。钠离子电池即便在零下20摄氏度的恶劣环境中，也能保持90%的放电效率，而且价格也比锂离子电池更低。其最大缺点是能量密度偏低。

在钠离子电池领域动作最积极的是中国和印度。近期，欧洲和美国也开始高度看好钠离子电池的潜力，不断扩大投资。有舆论指出，不能仅仅把它视为“廉价的中国电池”而加以轻视。

另一方面，也有分析认为，随着近期锂价暴跌，钠离子电池的价格优势正在消失，甚至出现了其将“到达即死亡（DoA·Dead on Arrival）”的悲观预期。究竟哪种判断正确，很快就会见分晓。

钠离子电池（Natrium-ion Battery）是指在正极中使用钠作为主要原料的二次电池。钠在英语中被称为Sodium（源自Soda），因此钠离子电池也被称作Sodium-ion Battery（SiB）。

在元素周期表中，序号11的钠（Na）与序号3的锂（Li）同属第Ⅰ族碱金属元素。由于易失去1个电子而离子化，这一点与锂的性质相似，因此早就被作为二次电池材料进行研究。钠离子电池的结构和工作原理也与锂离子电池相近，可直接利用现有的生产工艺，这是其一大优势。

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钠离子电池最大的优势在于价格。预计其价格将比锂离子电池低约20%至40%，也有分析认为最多可按三分之一的价格进行生产。

能源领域市场调研机构伍德麦肯兹（Wood Mackenzie）预测，若正极采用层状氧化物，钠离子电池的价格有望降至每千瓦时（kWh）123美元；若采用普鲁士白（Prussian white），则有望降至每千瓦时90美元。

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英国市场调研机构IDTechEx评估称，钠离子电池的平均价格将形成在每千瓦时（kWh）87美元左右。若采用铁和锰作为材料，预计到2030年价格将进一步降至每千瓦时40美元。这一水平比2023年锂离子电池每千瓦时139美元的平均价格低28%。

钠离子电池之所以能够大幅压低成本，原因在于其原料易于获取。钠比锂更加丰富且更便宜，是地球上第六丰富的元素，占地壳含量的约2.6%。可以从海水或岩盐中轻松提取。钠与铝的反应性较低，因此在负极集流体方面，可以用价格低廉的铝替代昂贵的铜。

图片由Wood Mackenzie提供

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钠离子电池的正极活性材料包括普鲁士白（Prussian white）、层状氧化物（layered oxide）、多阴离子化合物（polyanion）等。由于不需要使用锂离子电池中常用的钴和镍，因此也能在这部分进一步降低成本。

与锂离子电池相比，钠离子电池的低温特性更为优异。研究结果显示，钠离子电池在零下20摄氏度的温度下仍能保持90%的容量，而锂离子电池在同样条件下容量会降至约60%至70%。

钠离子电池特性对比。IDTechEx供图

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当然，它并非只有优点。受多种限制因素影响，钠离子电池一直以来难以实现商业化。

首先，钠原子比锂原子更重、体积更大，在能量密度方面处于劣势。钠的原子量为每摩尔23克，是锂（6.9克/摩尔）的约3.3倍。此外，钠的标准还原电位为-2.7伏（V），比锂的-3伏高0.3伏，因此其能量密度（=电压×容量/重量）不可避免地偏低。

目前已开发出的钠离子电池的质量能量密度约为140~160瓦时/千克（Wh/kg），尚不及磷酸铁锂（LFP）电池或三元电池。近年来，围绕改变正极材料组成等方向，提升钠离子电池能量密度的研究正在如火如荼地开展。中国宁德时代（CATL）提出的目标是将能量密度提升至200Wh/kg水平。

钠离子电池在负极方面难以使用石墨。锂离子的尺寸为0.076纳米（nm），在层间距为0.34nm的石墨中进出较为容易；而钠离子尺寸为0.102nm，在石墨层间结构中难以发生有效嵌入反应。

图片来源=《高分子科学与技术》第30卷第5期（2019.5）

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因此，钠离子电池多采用层间结构更宽的硬碳（0.37nm）作为负极材料。不过，硬碳比石墨更昂贵且能量容量更低，这是其不足之处。

关于钠离子电池的安全性，目前仍存在争议。部分观点认为，钠离子电池比锂离子电池更安全，但这一说法尚未得到充分验证。

根据荷兰公共安全研究所（The Netherlands Institute for Public Safety）在2023年发布的报告《Exploration of future battery types and safety》，钠离子电池同样会出现类似锂离子电池的热失控现象，只是热失控的进程比锂离子电池更为缓慢。

此外，钠是一种反应性极强且不稳定的物质，操作难度较大。钠与水接触时会放出大量热量并产生氢气（2Na + 2H2O → 2NaOH + H2），从而引发爆炸。金属钠通常浸没在煤油中保存，以隔绝空气接触。

在钠离子电池研究与商业化方面走在最前列的是中国。

中国最大电池企业宁德时代（CATL）在2021年宣布，将把钠离子电池作为下一代电池进行开发和生产。在此之前，业界普遍认为钠离子电池过重且能量密度偏低，不适合用于电动汽车。但随着当时锂价暴涨，价格低廉的钠离子电池开始受到关注。宁德时代率先推出了能量密度为160Wh/kg的第一代钠离子电池，并表示将开发性能达到200Wh/kg的第二代产品。

宁德时代的钠离子电池

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全球最大电动汽车企业比亚迪（BYD）也加入了钠离子电池的研发。比亚迪于今年1月4日在宿州举行了钠离子电池工厂开工仪式，计划投入约100亿元人民币（约1.8627万亿韩元），建设年产30吉瓦时（GWh）产能的生产基地。此前，比亚迪子公司FinDream电池已与三轮车企业淮海（Huaihai）签署了建设钠离子电池工厂的协议。预计比亚迪的钠离子电池将主要搭载于两轮及三轮车、小型电动汽车。

比亚迪在苏州举行钠离子电池工厂开工仪式。苏州政府提供

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已有企业开始真正迈入商业化阶段。中国江淮汽车（JAC）于去年12月27日宣布，在中国首次开始生产搭载钠离子电池的汽车，这款汽车计划从今年1月底开始交付。其搭载容量为25kWh的电池，单次充电续航里程为252公里，电芯层面的能量密度为140Wh/kg。

该车型所使用的是总部位于北京的海纳电池生产的32140圆柱电池。海纳电池由中国科学院物理研究所于2017年创立，长期从事钠离子电池研究。JAC的母公司JAG是由中国政府与大众汽车各出资50%成立的合资公司。

JAC推出的钠离子电池电动汽车“Yiwei-3”。图片由JAC提供

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不仅中国，印度也对钠离子电池展现出十足诚意。

印度最大企业集团信实工业（Reliance）于2021年12月以约1亿英镑收购了英国法拉迪恩（Faradion）公司100%股权。成立于2011年的法拉迪恩被认为是该领域技术实力最为领先的企业之一。法拉迪恩表示，已于2022年12月在澳大利亚新南威尔士州首次安装了自家生产的钠离子电池。

不仅亚洲，西方国家也正纷纷关注钠离子电池的潜力并加速布局。

今年1月8日，美国能源部（DOE）下属的阿贡国家实验室宣布，已开发出可替代锂离子电池的钠离子电池新型正极材料并完成专利申请。本项研究由首席研究员Christopher Johnson领衔，他曾与Michael Thackeray、Khalil Amine等人共同开发了镍锰钴（NCM）正极材料。

美国阿贡国家实验室研究员Christopher Johnson在实验室研发下一代电池。阿贡国家实验室提供

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研究团队表示，已在NCM正极材料基础上开发出镍锰铁（NMF）钠离子电池正极材料。阿贡实验室介绍称，经过十余年的钠离子电池研究，终于开发出具有层状结构的正极材料，并强调由于不使用钴，成本更为低廉。这种电池在单次充电后可实现180~200英里（289~321公里）的续航性能。

瑞典电池企业Northvolt也在2023年11月宣布，已开发出能量密度达160Wh/kg的钠离子电池。这款电池为软包结构，正极采用普鲁士白，负极采用硬碳。

瑞典Northvolt开发的钠离子电池。图片由Northvolt提供

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Northvolt方面表示，“将率先生产基于普鲁士白的电池并在市场上实现商业化”。该公司强调，其产品利用钠、铁等丰富矿物进行生产，不使用锂、镍、钴和石墨，从供应链角度看，可在一定程度上降低对中国的依赖，相比锂离子电池更具优势。

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法国企业Tiamat计划在2029年前建成一座年产5GWh产能的钠离子电池工厂，第一阶段将于2025年前建成一座产能为700兆瓦时（MWh）的工厂。Tiamat是从法国国家科学研究中心（CNRS）分拆出来的钠离子电池专业公司，今年1月还获得了跨国汽车集团Stellantis的投资。

在韩国国内，关于钠离子电池的研发并不活跃。民营企业中，Energy11正在开发钠离子电池电芯，爱敬化学则生产用于钠离子电池负极材料的硬碳。

围绕钠离子电池的前景，目前看法不一。韩国业内普遍认为，由于钠离子电池较重且能量密度较低，其市场将主要局限于两轮车、小型汽车以及储能系统（ESS）。从地域来看，市场则主要集中在中国、印度和东南亚等地。

韩国电池企业过去对钠离子电池兴趣不大，原因也在于此。在人力和资源有限的情况下，无力再投入精力开发钠离子电池。相反，中国企业仅从本国市场来看，就有足够动力推进钠离子电池的开发和生产，同时也在伺机开拓周边东南亚市场。

近期锂价暴跌的事实，也在一定程度上令钠离子电池的前景蒙上阴影。如果锂离子电池的价格进一步下降，钠离子电池最大的优势——价格优势——将被削弱。

截至2024年1月，国际大宗商品市场上的锂价较2022年已下跌约80%。彭博新能源财经（Bloomberg NEF）预计，到2027年锂离子电池的价格将降至每千瓦时100美元以下。一旦电池价格跌破每千瓦时100美元，电动汽车的生产成本将与传统内燃机汽车接近。

不过，随着近来美国、欧洲企业也开始关注钠离子电池，认为其有望顺利站稳脚跟的观点正在增加。尤其是在当前锂、镍、钴、石墨等锂离子电池主要原料高度依赖中国的背景下，采用价格低廉且储量丰富原料的钠离子电池，被认为完全有可能成为替代方案。韩国政府也从今年开始对钠离子电池研究提供支持。

各大市场调研机构也陆续发布了对钠离子电池的乐观预测。IDTechEx预计，到2025年钠离子电池的使用规模将达到约10吉瓦时（GWh），此后将以年均27%的增速增长，到2033年用量将增至70GWh。

SNE Research预测，到2035年，钠离子电池的生产成本将比磷酸铁锂电池至少低11%、最高可低24%，届时市场需求最高将达到254GWh，按金额计算，年市场规模约为142亿美元（约19万亿韩元）。