放眼全國(guó)，鈉離子電池的熱度正在快速攀升。作為鋰電之“王”，寧德時(shí)代早在去年就發(fā)布了第一代鈉離子電池，宣稱其電芯單體能量密度可達(dá)160Wh/kg，將于2023年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；最近，同為鋰電龍頭的蔚藍(lán)鋰芯也宣布，擬與中科海鈉聯(lián)合開發(fā)圓柱形鈉離子電池，而后者是國(guó)內(nèi)第一家專注鈉離子電池研制的企業(yè)，在最近一輪的融資中估值暴漲數(shù)倍。
龍頭下場(chǎng)、資本追捧，令“鈉鋰”之爭(zhēng)重現(xiàn)江湖。為此，記者走訪了多位學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家，請(qǐng)他們解析背后的理論、實(shí)踐與爭(zhēng)議。
一問 為什么是“鋰”？
高劍的實(shí)驗(yàn)室位于成都高新西區(qū)，40多名科研人員分布在多臺(tái)實(shí)驗(yàn)儀器前。他們正在嘗試一種新材料，將其制成新的電芯檢驗(yàn)性能，圓柱形、紐扣形、刀片形和袋裝軟包的樣品隨處可見。
“這是鈉離子電池嗎？”記者邊看邊問。
“不，是鋰離子電池。”高劍回答，“鋰是行業(yè)的主流，也是我們的主業(yè)。”
高劍說，小至手表、手機(jī)、充電寶，大至新能源汽車、光伏儲(chǔ)能設(shè)備，鋰離子電池?zé)o處不在。在消費(fèi)電子、動(dòng)力電池等領(lǐng)域，鋰離子電池幾乎是“一統(tǒng)天下”；在電動(dòng)工具、儲(chǔ)能設(shè)備等領(lǐng)域，鋰離子電池也在“攻城略地”。
據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，2021年我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量324GWh，同比增長(zhǎng)106%，其中消費(fèi)、動(dòng)力、儲(chǔ)能型鋰電產(chǎn)量分別為72GWh、220GWh、32GWh，分別同比增長(zhǎng)18%、165%、146%。
為什么是“鋰”？“天分高。”高劍打開元素周期表，3號(hào)元素鋰位于左上角，是排在最前面的金屬元素，“鋰本身原子量小、活性高，且電極電位最‘負(fù)’，因此理論上可以做出能量密度更高的電池。”
高劍介紹，電池誕生200多年來，追求更高的能量密度是發(fā)展的主線，也就是用更小的體積、更輕的質(zhì)量，儲(chǔ)存更多的電量。電池的基本原理相通，不同的材料體系決定了能量密度的大小。鋰元素被發(fā)現(xiàn)后，很快成了科學(xué)家追捧的理想材料。
“還有我們的努力。”中國(guó)工程院院士、有機(jī)高分子材料專家蹇錫高告訴記者，上個(gè)世紀(jì)90年代，索尼首先將鋰離子電池推向商用，獲得市場(chǎng)認(rèn)可。此后，中國(guó)的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)逐漸起步，經(jīng)歷了從鈷酸鋰電池到磷酸鐵鋰電池、三元電池的迭代，特別是通過持續(xù)深化創(chuàng)新，近些年已憑借技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢(shì)獨(dú)占鰲頭。
據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年以來，中國(guó)一直是全球最大的鋰離子電池生產(chǎn)和制造國(guó)家。2014年，中國(guó)鋰離子電池總體出貨量在全球的占比為42.1%，這一數(shù)據(jù)在2021年達(dá)到59.4%。在這背后，三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達(dá)到280Wh/kg、170Wh/kg，骨干企業(yè)電池系統(tǒng)循環(huán)壽命超過5000次，優(yōu)勢(shì)明顯。
“基本上解決了‘續(xù)航焦慮’。”蹇錫高說，如今鋰離子電池產(chǎn)業(yè)愈發(fā)成熟，可以說是“方興未艾”，而由于新能源汽車等下游行業(yè)需求旺盛，鋰離子電池的產(chǎn)能還在快速提升，技術(shù)也在不斷進(jìn)步，其主流地位難以撼動(dòng)。
二問 為何還要“鈉”？
走到最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，高劍終于展示了他的鈉離子電池。這是一塊袋裝軟包的電芯，外邊由銀白色的鋁塑膜包裹。“這不是實(shí)驗(yàn)品，已經(jīng)是工程化的樣品，拿來就可以用。”高劍說，幾年前，學(xué)術(shù)界對(duì)鈉離子電池的研究大多還停留在實(shí)驗(yàn)室，發(fā)表論文就算大功告成，而如今的研究已經(jīng)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，“盡管市場(chǎng)前景還有爭(zhēng)議，但發(fā)展鈉離子電池已經(jīng)不是紙上談兵了。”
鋰離子電池方興未艾，為何還要發(fā)展鈉離子電池？專家從兩個(gè)角度進(jìn)行了解析。
首先看鋰。鋰是做電池的理想材料，但在專家看來，還稱不上“完美”。“在地殼中，鋰元素并不算豐富，鋰資源越來越緊俏。”四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院副院長(zhǎng)、教授郭孝東說，如今的鋰被稱作“白色石油”，正是由此得名，“75%以上的鋰資源都用作了鋰離子電池，隨著新能源汽車等行業(yè)快速發(fā)展，以后的需求還會(huì)不斷放大。”
郭孝東表示，鋰資源供應(yīng)的緊張狀態(tài)，讓碳酸鋰的價(jià)格在最近兩年節(jié)節(jié)攀升，從每噸幾萬元躍升至每噸數(shù)十萬元，帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的價(jià)格上揚(yáng)，對(duì)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有明顯的副作用。
“還要關(guān)注鋰資源的分布。”近日，在第二十屆海科會(huì)上，中國(guó)工程院院士、輕金屬專家潘復(fù)生也專門提醒，由于我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量不足，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)鋰離子電池材料的碳酸鋰，絕大多數(shù)都來自國(guó)外進(jìn)口，存在被“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，因此要努力尋找新的替代資源、確保安全。
再看鈉。蹇錫高表示，鈉是地球上含量最豐富的元素之一，例如海水中就有大量的鈉鹽，其開采、制備過程也更為簡(jiǎn)單，因此能夠有效解決資源不足和分布不均的問題，在成本方面擁有明顯優(yōu)勢(shì)，“現(xiàn)在鋰的價(jià)格越來越高，鈉的成本優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯。”
此外，鈉的理化性質(zhì)與鋰相似，也是吸引研究者的重要原因。“在元素周期表中，鈉與鋰是‘鄰居’，都是Ⅰ族的金屬元素。”高劍說，由于都是“搖椅式電池”，兩者背后的原理相同，鋰離子電池的成功，也為鈉離子電池的開發(fā)提供了許多成熟的思路，例如在材料體系的設(shè)計(jì)上，如今的鈉離子電池大多都參照了鋰離子電池。
三問 研究進(jìn)展如何？
盡管理化性質(zhì)相似，但鈉在鋰面前，短板明顯。高劍介紹，由于原子量更大，鈉離子的半徑比鋰離子大。“儲(chǔ)存相同的電量，需要遷移的離子個(gè)數(shù)一樣，但鈉離子電池所需重量要更大。”高劍說，因此在相同條件下，鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，“要趕上這個(gè)差距，很不容易，但我們可以努力靠近。”
如何追趕？關(guān)鍵依然是材料。
高劍介紹，在這其中，正極材料對(duì)能量密度的影響最大。根據(jù)成分，主流鈉離子電池正極材料可分為過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物體系，可大概對(duì)應(yīng)鋰離子電池的三元正極材料、磷酸鐵鋰材料和有機(jī)材料。“鋰離子電池提供了思路，鈉離子電池還需要根據(jù)自身特點(diǎn)來調(diào)整。”高劍說，目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對(duì)三種正極材料都有所涉及，有的已經(jīng)走出了實(shí)驗(yàn)室。
根據(jù)鋰離子電池的思路，郭孝東和同事曾嘗試用磷酸鐵鈉代替磷酸鐵鋰，但由于磷酸鐵鈉的活性降低明顯，于是沿著這個(gè)思路繼續(xù)嘗試，最終發(fā)現(xiàn)用磷酸釩鈉的效果很不錯(cuò)。“四川釩鈦資源豐富，這樣的嘗試很有意義。”郭孝東介紹，除此以外，團(tuán)隊(duì)也在嘗試其他的材料體系設(shè)計(jì)，目前取得了不錯(cuò)的效果，將在合適的時(shí)候報(bào)告。
除了追求能量密度，循環(huán)壽命也是重要目標(biāo)。高劍介紹，鈉離子電池的充電工程，是將鈉離子嵌入負(fù)極的過程，由于鈉離子的個(gè)頭更大，嵌入負(fù)極更困難，循環(huán)壽命自然也比鋰離子電池更短。
“負(fù)極也要嘗試新材料。”高劍說，這種新的負(fù)極材料已經(jīng)完成制備，正在進(jìn)行測(cè)試，有望大幅縮小與鋰離子電池循環(huán)壽命的差距。
蹇錫高和同事準(zhǔn)備換一種思路。“能夠充放電的不只有電池，還有電容器。”蹇錫高說，他的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種鈉離子超級(jí)電容器，其能量密度可以與電池相當(dāng)，且充放電效率有質(zhì)的提升，“普通的電池快充，在電容器面前都是‘小巫見大巫’。”蹇錫高透露，開發(fā)鈉離子超級(jí)電容器的關(guān)鍵是找到一種高性能的儲(chǔ)鈉材料，而最近團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有所突破，去年已經(jīng)向?qū)W術(shù)界報(bào)告。
四問 四川如何應(yīng)對(duì)？
近些年，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在四川發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四川省現(xiàn)已具備鋰礦年開采能力150萬噸，基礎(chǔ)鋰鹽產(chǎn)能24萬噸，正負(fù)極材料產(chǎn)能125萬噸，動(dòng)力電池產(chǎn)能100GWh。預(yù)計(jì)到2025年，四川動(dòng)力電池產(chǎn)能將達(dá)到350GWh。
在此基礎(chǔ)上發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，具有哪些優(yōu)勢(shì)？
“四川硬巖石鋰礦占全國(guó)鋰礦石資源量半壁江山。”高劍說，這是四川鋰電產(chǎn)業(yè)的基石，發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)沒有這樣的先天優(yōu)勢(shì)，但四川釩鈦資源豐富，可能在以后的鈉電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中帶來較為明顯的資源優(yōu)勢(shì)。
再看產(chǎn)業(yè)鏈。從鋰礦開采到基礎(chǔ)鋰鹽、正負(fù)極材料、動(dòng)力電池，四川鋰電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游完備，已經(jīng)在一定范圍內(nèi)形成了成熟的分工協(xié)作。“鋰電和鈉電原理相同，生產(chǎn)工藝相似。”高劍說，在鋰電生產(chǎn)線上稍作調(diào)整，就能實(shí)現(xiàn)鋰電和鈉電通用，有利于鈉電產(chǎn)能快速提升。
“人才也是優(yōu)勢(shì)。”蹇錫高表示，隨著鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，四川已經(jīng)聚集了一大批專業(yè)人才，在四川大學(xué)、電子科技大學(xué)等高校中也有不少創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，鋰電和鈉電的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
不過，在鋰電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)明顯的大背景下，是否發(fā)展、如何發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，大家還存在許多爭(zhēng)議。
“首先是對(duì)鈉電的定位，是對(duì)鋰電的取代，還是對(duì)鋰電的補(bǔ)充？”高劍說，在他看來，由于在能量密度和循環(huán)壽命上仍然存在明顯差距，未來鋰電仍將是電池的主流，而鈉電需要在一些細(xì)分市場(chǎng)找到自己的立足之地，“例如對(duì)能量密度不太敏感的光伏儲(chǔ)能，以及對(duì)循環(huán)壽命不太敏感的電動(dòng)工具，都可以是鈉電的用武之地。”
在鈉電中，鈉的成本只是電池成本的很小一部分，由于尚未規(guī)模化應(yīng)用，鈉電的成本優(yōu)勢(shì)目前還不明顯。蹇錫高建言，當(dāng)前應(yīng)該積極研究、謹(jǐn)慎布局，重點(diǎn)鼓勵(lì)前沿創(chuàng)新研究，夯實(shí)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
爭(zhēng)議之下，這樣的共識(shí)明確：鋰電這個(gè)主業(yè)不能丟。專家建言，發(fā)展鋰電和鈉電產(chǎn)業(yè)，要在“主業(yè)+副業(yè)”的格局下開展。“就像我們實(shí)驗(yàn)室，主業(yè)還是鋰電的創(chuàng)新研究，要繼續(xù)向理論極限逼近。”高劍說，在此基礎(chǔ)上開展的鈉電研究，重點(diǎn)面向細(xì)分市場(chǎng)，著眼于未來，“當(dāng)鋰資源真正進(jìn)入枯竭階段，這樣的技術(shù)儲(chǔ)備就能發(fā)揮大作用了。”
