在储能领域,业界已经对钠电池“很上心”。
2月1日,海基新能源推出第一代钠离子电池。抓紧研发钠电池,俨然成为当前众多电池企业的“集体性行为”。
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“钠电池”让锂电池企业安心。宁德时代董事长曾毓群曾表示“以前钴的价格炒得很凶,我们就拼命搞无钴,镍炒起来后我们做无镍。现在锂的价格在炒,我就搞一个钠,我觉得氯化钠炒不起来,因为盐很多。”
钠电第一次公开亮相,来自于就是来自于锂电池巨头宁德时代。2021年5月28日,宁德时代发布了第一代钠离子电池,电芯单体能量密度达到160Wh/kg,直逼磷酸铁锂。
宁德时代擘画的钠电池蓝图,吸引更多电池企业跟随进来,尤其是2023年开局,产业化提速明显。
亿纬锂能于2022年12月15日发布第一代大圆柱钠离子电池产品,能量密度为135Wh/kg,循环次数达到2500次。公司计划到2026年将钠离子电池能量密度提升至140-160Wh/kg,并实现万次循环,成本能够降到0.2元/Wh的水平。
蜂巢能源于2022年12月22日公布第一代钠离子电池原型样件已经完成开发,能量密度110Wh/kg。公司第二代钠离子电池产品正在开发,预计2023年一季度完成设计定型,能量密度为135Wh/kg;2023四季度计划完成160Wh/kg的钠离子电池开发,预计循环寿命超过2000次。
星恒电源于2023年1月12日发布具有超长寿命、超快充电、超远续航、超准显示、超级安全、超高性价比等优势的星恒第一代钠离子电池—“超钠F1”, 可常温循环2000次。星恒电源已掌握钠离子电池关键技术专利,已获得5篇授权、16篇实审专利技术,拥有钠电自主知识产权。
2023年1月,总投资10亿元在镇江市大港保税区投建5万吨NFS钠离子正极材料制造基地签约落地,这是众钠能源打造的全球首个硫酸铁钠正极材料万吨级量产基地,预计2023年下半年建成投产。此外,众钠能源旗下泰州海陵基地5GWh电池系统量产项目在建,以及5GWh钠离子电池示范量产基地正在启动中,总计规划产能10GWh,将于2023年下半年相继建成投产。
短短1个多月内,亿纬锂能、蜂巢能源、众钠能源、海基新能源、星恒电源等企业在钠电池领域动态不断。此外,孚能科技也计划于 2023 年推出其第一代钠离子电池产品。
“2021年,钠离子相关材料还很难供应到公斤级;2022年,钠离子材料已可供应达数十公斤。”中南大学唐有根教授曾在2022高工储能峰会上预判,钠离子电池量产过程会在锂电的“肩膀”上缩短很多,或许3-5年将迎来产业化。
2022年以来,业界也不断释放钠离子电池量产信息。中科海钠·阜阳全球首条GWh级钠离子电池生产线于2022年11月29日产品下线;宁德时代表示要在2023年实现钠电池产业化;传艺科技在2022年9月中试产线投产,在2022年底至2023年初正式投产2GW;华阳股份通过与中科海钠合作,在2022年9月底电芯厂投产,预计2023年初开始量产;维科技术通过与浙江钠创合作,计划在2022年底完成中试,2023年6月投产2GW……
2023年,钠离子电池量产呼之欲出。
钠离子正极:三种路线各有所长
备受产业关注的钠离子电池正极材料,目前基本上包括三种类型:层状过渡金属氧化物(简称“层状氧化物”)、普鲁士蓝类、聚阴离子型化合物。
目前钠离子能够最先实现产业化应用是层状氧化物正极材料。目前该种路线材料的制备与锂电池体系部分相通,相较其他路线,更容易实现量产应用。而业界认为,聚阴离子型化合物正极材料相对能量密度最有希望突破。
中南大学唐有根教授认为,目前这三种体系各有所长,层状氧化物技术成熟,普鲁士蓝类化合物成本低,聚阴离子型化合物功率密度高,适用于高功率输出设备需求。
从目前市场上几个受关注公司的角度来看,鹏辉能源、众钠能源、山东章鼓、钠创新能源等在聚阴离子材料上布局明显。普鲁士蓝材料布局公司则包括宁德时代、湖南立方、浙江星空钠电和超钠新能源。中科海钠和钠创新能源采用了层状氧化物的技术路径。
宁德时代第一代钠电池便采用了普鲁士蓝类材料,这种材料能量密度上限高,但循环性能稍差。普鲁士蓝类材料最致命的问题是生产加工过程中处理不当极易形成结晶水,该问题目前仍是行业难点。宁德时代同时布局层状氧化物,以巩固龙头地位。
布局钠离子电池的鹏辉能源,目前有3个团队在做钠离子电池的研发工作,包括层状氧化物、聚阴离子体系等正极路线,还延伸至负极硬碳。当前鹏辉能源重点攻坚的聚阴离子产品具备较高的能量密度、稳定性及循环寿命。负极方面,鹏辉能源持有成都佰思格8.33%股权,后者负极硬碳已实现小批量出货,纵向延伸有助于保障关键材料供应、提升盈利水平。
众钠能源以硫酸铁钠电池研发制造为主。在钠电池性能上,众钠能源已实现实验室电池能量密度160wh/kg,工程电芯120wh/kg,兼具极佳的高低温及倍率性能。当前众钠能源已实现首批钠电储能模组和低速两轮车PACK下线。
欣旺达与南开大学合作设立院士工作站共同研究新型钠离子电池等关键材料及技术。公司拥有钠离子电池补钠、钠离子电池及制备的多项专利,公司钠离子电池专利工艺多为将金属钠或者钠盐以液态形式添加至负极极片,补钠后的钠电池在循环稳定性、倍率性能、和能量密度等方面有部分改善。
有观点认为,聚阴离子材料则是公认结构稳定、循环寿命高。钒基聚阴离子材料潜力更大,但由于钒也是制备液流电池的主要原材料,近几年价格也有所上涨,且具备毒性,产量并不稳定,相对而言,铁基目前更具性价比。
唐有根则表示,磷酸钒锰钠正极材料技术可引入电负性大的F元素取代,提升工作电压和能量密度;增大Mn含量或引入Cu,Fe等进一步降低钒含量,降低成本。
中科海钠对外表示,目前钠离子电池技术路线百花齐放,有聚阴离子、普鲁士蓝还有层状氧化物,最终会通过市场验证,就像磷酸铁锂和三元材料的争论。
钠离子负极:国内硬碳性能紧追海外
与锂离子电池一样,钠离子电池的负极材料同样是碳材料。主要分为硬碳和软碳,软碳成本比较低但是它的性能不足,现在软碳技术尚在进一步改进提升,硬碳技术探索已经初见成效。可以说,生物质基硬碳最具优势。但行业尚处于发展初期,个别企业具备技术优势。
高工产业研究院(GGII)调研发现,硬碳前驱体路线多样,又可以分为生物质类、树脂类、化工原料类等,其中生物质前驱体因为来源广泛、性价比高成为主流前驱体路线。生物质前驱体生产工艺难度小,但筛选合适前驱体和稳定批量供应难度大。此外,目前已有树脂和无烟煤混合硬碳研发技术,该技术产品性能好、成本低,供应稳定,未来有望成为市场主流应用技术路线之一。
GGII分析认为,当前钠离子硬碳负极材料仍具有一定产业化难度,主要体现在以下几点:
1)生产工艺适配性差:不同的原材料需要不同的工艺适配,工艺适配难度大;
2)原材料批次一致性差:不同原材料年份、产地、甚至部位不同,都会影响硬碳质量,例如:椰壳的年份和产地不同,采用椰壳的内层和外层,得到的硬碳也不同,批次一致性难保证;
3)成本高企,国内硬碳材料依赖日本进口,而进口硬碳材料价格约15-20万/吨,若选择国外硬碳产品为钠离子电池负极材料,则相对成熟的磷酸铁锂电池没有成本优势,进而影响钠离子电池产业化进程。
值得注意的是,从参数上看,目前国内硬碳材料参数与国外硬碳材料参数相当。但是根据国内电池企业测试结果反馈看,国外硬碳材料的循环稳定性、倍率性能更好。但是国内产品成本优势明显,再加上国内企业更贴近客户,国内企业有望加速硬碳产品技术研发,国内硬碳产品性能有望追上国外产品性能。
随着硬碳负极材料成本逐步下降,技术不断发展,有望促进钠离子电池产业化,钠离子电池2023年有望实现产业腾飞。
钠电储能胜算几何?
2022 年 10 月,中国能建中标三峡能源安 徽阜阳市 300MW/600MWh 储能项目,其中包括 30MW/60MWh 钠离子电池储能单元,是当前国内最大规模的钠离子电池储能项目,相较此前投运的中科海钠 1MWh 钠离子电池 储能示范项目,在规模大幅提升,将加速钠离子电池从示范走向运用。
全球锂价从2021年7月一路飙升,直到2022年末,才稍稍下跌,止住暴涨趋势。锂价高企,钠离子电池得到国家政策支持,优势开始显现。
2022 年 7 月,国家能源局下发征求意见稿中强调,中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池,不宜选用梯次利用动力电池;选用梯次利用动力电池时,应进行一致性筛选并结合溯源数据进行安全评估。
发展钠离子电池不仅有望缓解因锂资源短缺及分布不均引发的储能发展受限的问题,还有众多业界人士认为,钠离子电池与锂离子电池相比,除了能量密度外, 在成本、低温性能、安全性方面或更具优势。
相较锂电储能,钠离子电池正负极材料、集流体均更具成本优势。其中钠离子电池将集流体从铜箔换成铝箔,正极可以放电至 0V 而不会影响后续使用,使其在运输和保存过程中更安全,降低了电池的储运成本。
据相关测算,当前钠离子电池的初始容量投资在 500-700 元/kWh, 若循环次数在 6000 周时,钠离子电池储能系统度电成本可实现 0.217-0.285 元/kWh;当循环 次数在 8000 周时,钠离子电池储能系统度电成本可下探至 0.2 元/kWh 以内。据中科海纳估计,Cu-Fn-Mn 基钠离子电池原材料最终成本相对磷酸铁锂 / 石墨体系将降低 30%-40%。
目前,宁德时代钠离子电池能量密度最高已达160Wh/kg,直逼磷酸铁锂电池,为钠离子电池产业化应用奠定基础。
高工储能分析,未来若能进一步改进钠电池生产结构和工艺,提高正负极材料利用率,降低材料成本和生产制造成本,则可提高储能系统的循环寿命,并进一步降低储能电站度电成本,在大规模储能商业化应用有较大前景。