吐故钠新 钠离子电池到底是何来头？
钠离子电池未来可能成为新能源“新势力” 图据视觉中国
全球领先的中国“锂电”是新能源汽车迅速发展的动力
未来的钠离子电池或将成为新能源汽车的动力源
钠离子电池与锂离子电池在生产设备上具有一定的通用性□未一末/文
动力电池是新能源汽车的核心部件，也是未来能源发展的重要方向。目前，主流应用在新能源汽车上的动力电池主要包括“三元锂”“磷酸铁锂”电池等。从名字上我们可以清晰地看到一个共同点，那就是目前的动力电池，都是围绕“锂”这种金属元素来发展的，这也是由于“锂离子”电池本身具备高能量密度、高效率和长寿命等特点所决定的。
在锂离子电池相关产业发展上，中国企业可谓是风光无限。不久前，全球资讯机构SNE research公布了2023年1—6月全球动力电池装车数据，宁德时代全球份额占比达到36.8%、比亚迪全球份额占比15.7%，此外入围前十的还有中创新航、亿纬锂能、国轩高科和欣旺达四家企业，六家中国企业的整体市占率达到了六成以上。可以说，在“锂电”上，中国在产业规模、制造技术上，已经在全球处于领先地位。
令人关注的是，虽然中国“锂电”产业已经领跑世界，但从2021年起，中国储能系统企业如宁德时代、比亚迪等纷纷选择跳出“舒适圈”，先后进军“钠离子”电池技术新赛道，并将于今年推出量产产品。工信部最新发布的《道路机动车辆生产企业及产品公告》（第372批）显示，两款搭载钠离子电池的新能源车出现在产品公告目录中，有望今年下半年正式上市。
“钠离子”电池到底是何来头？国内众多龙头储能科技企业为何会将其作为未来发展的重点方向？在“钠离子”电池“先手局”的背后，又是怎样一盘大棋？
锂电池
先“行”一步是“风光”
电能，是人类在漫长的求知与探索中，寻找到的一种极为重要的能源，对于电能的利用则是第二次工业革命的主要标志，在人类文明进程上有着举足轻重的地位。电能具备应用范围广泛、输运方便、安全经济、清洁干净等特点，但如何把电能储存起来，做到随用随有，却成为一个世界级的难题，引来了无数科学家前赴后继的研究。
荷兰莱顿大学（Leiden University）的马森布洛克（Musschenbrock）成为了“蓄电”的第一人。1746年，马森布洛克和助手进行了一次实验，他在一个玻璃瓶内装上水，把起电机产生的电经一根黄铜导线枪管导入玻璃瓶内。马森布洛克右手拿着玻璃瓶，左手试图接近枪管，想引出火花。他的右手突然感到被什么东西击打了一下似的，而且使他全身震颤，他确信自己受到了电击。这说明带水的玻璃瓶能够保存电。于是，人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”，这也是电池的雏形。
1859年，法国科学家格拉维耶（Gaston Planté）发明了铅酸蓄电池，这被认为是第一块可充电电池。1881年，法国人卡米尔·福雷（Camille Fauré）改进了铅酸蓄电池，并将其进行量产使用在电动车之上。
事实上，早期的汽车并非人们想象中全靠“烧油”和“烧煤”来提供动力。电车一直是极具竞争力的路线之一，利用铅酸电池提供动力的汽车不仅一度在销量上领先油车，还打破了陆地最高速度，最长续航里程也超过了300公里。但最终因为充电难、充电慢的劣势，被逐渐完善的内燃机汽车所取代。
电车在第一次“油电之争”中落败，说到底，最重要的原因还是因为电池技术的不够成熟。我们今天常见的“锂电池”，它的历史可以追溯到20世纪60年代。当时英国的约翰·古德诺夫（John Goodenough）教授在研究磁性材料时，偶然发现了一种新的正极材料——钴酸锂（LiCoO_2）。钴酸锂正极具有高能量密度和较长的寿命，成为锂电池中最常用的正极材料。随后，拉谢德（Rachid Yazami）和斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittingham）分别提出了锂离子电池的负极材料——石墨和钛酸锂（LiTi_2O_4），锂电池的三元组合正负极材料体系逐渐形成。
1991年，索尼公司正式推出了第一款商用锂离子电池，被广泛应用于笔记本电脑、移动电话等便携式电子产品中。2002年，日本科学家吉野彰提出了采用石墨材料的碳负极，取代原先金属锂负极的研究成果，这一技术被称为“锂离子电池的革命性突破”。新的碳负极材料，能够有效降低电池的重量和成本，同时还有效地解决了曾经的锂电池容易起火爆炸的缺陷，使得锂电池迎来了跨越式的发展，更多对安全性要求较高的应用领域，如电动汽车、航空航天等也开始频频出现锂电池的身影。
钠电池
落后一步是失意
锂电池风光无限的背后，是钠离子电池几十年的低谷和落寞。从研发时间来看，钠离子电池和锂离子电池几乎是同时间进行的。之所以会出现这种情况，是因为钠与锂在化学周期表上是距离很近的同族金属元素，在同族元素中“最外层电子数完全一致”，这也意味着它们的化学性质极为相似。
正是源于化学性质的相似，钠离子电池与锂离子电池在电池技术上的基础原理其实是一样的，都是通过电解液与金属产生氧化还原化学反应，将金属变成离子态，此时电子作为电荷载体在电池正负极之间的移动，就实现了电池的充放电过程，因此这种电池也被称为“摇椅式电池”。
摇椅，是一个非常形象的比喻，在充电过程中，钠离子或锂离子会携带着正电荷从正极流向负极，而负电荷电子则通过外部电路一同运动，最终实现电流的传输；而放电过程则相反，金属离子和电荷会从负极迁移至正极，从而实现电流的反方向传输。这种电子的规律性来回迁移，非常像摇椅的来回摇动。
那为何锂电池能够脱颖而出，钠电池却迟迟未能大规模商用呢？主要原因之一就是钠离子电池的能量密度不如锂电池。在化学元素周期表里，锂排名第3，而钠排名第11，这就意味着钠离子的质量比锂离子更大，带来的结果就是相同质量下，锂电池的能量密度比钠离子电池更高。国内某企业2021年发布的钠离子电池，其公开的数据显示，其能量密度为160Wh/kg，而同品牌的三元锂电池能量密度为200Wh/kg。同样1kg的电池，钠离子电池只能存锂离子电池80%左右的电量。
除了能量密度外，钠离子电池在“循环寿命”上也逊于锂离子电池，目前钠离子电池的循环寿命大约在2000次，三元锂电池却可以达3000次以上，磷酸铁锂电池则更高，达6000次左右。
这对于普通消费者而言就很难受了，本来开新能源电动车就有“里程焦虑”，如果选了搭载钠离子电池的电动车，原本（锂电池）500km的续航一下变成400km，这不是加剧了“里程焦虑”？不仅如此，钠离子电池寿命还更短，这下车开不了几年，电池又不行了。
电量、寿命，这两个痛点一叠加，让人开始疑惑，钠离子电池这个曾经的“落伍者”，到底是凭什么，能够重新受到关注呢？
低成本
“翻身”契机来了
锂离子电池虽然有着自己的优势，但是它也有自身最大的劣势——少！锂元素其实是一种非常稀缺的金属，中国地质调查局全球矿产资源战略研究中心发布的《全球锂、钴、镍、锡、钾盐矿产资源储量评估报告（2021）》显示，截至2020年底，全球锂矿资源量约为34943万吨，其中中国的锂矿资源仅占全球锂矿资源的6.31%。
锂矿存量少，使得我国锂资源大多依赖进口，又因为近年来新能源汽车行业带动产业链的全面发展，进一步加大了对锂矿资源的需求，造成了锂价的不断上涨。从2020年下半年开始，锂价就快速上涨，从4万元/吨价格最高涨至69万元/吨。原料进口的“卡脖子”，是国内一众科技储能企业决心转向钠离子赛道的重要原因。
相比锂的稀缺，钠最大的优势就是——多。钠资源在地壳中的储量排第六位，最重要的是，占地球总面积70%的海水，就是钠盐最主要的原材料“宝藏”，与其配套的钠提取技术在工业上也非常成熟。这就给钠离子电池带来了巨大的成本优势，据行业估算，在核心原材料上，钠的单位成本只有锂的百分之一。
钠离子电池能够成为众多科技企业转向“新赛道”的另一个重要原因，那就是锂离子电池的生产设备大部分可以在钠离子电池上复用、生产能力可以部分兼容。此外，在钠离子电池上，还可以降低电解液的浓度来节约成本；可以使用价格低廉的铝来制造负极……
巨大的成本优势，让众多科技企业对钠离子电池的未来纷纷看好，再加上钠离子电池本身还具备充电时间快、放电保持率好（低温下电池蓄电量更高）、安全不易起火等优点，这都为钠离子电池拓开了广阔的发展空间。
对于钠离子电池未来的发展，相关研究人员认为，当下相关产业尚处于产业化初期，中短期内可以担任锂电池的补充角色。国内就有企业在产品研发中，实现了钠离子电池与锂离子电池的“混搭”，在降低成本的同时，巧妙解决了纯钠离子电池能量密度较低的问题。
钠离子电池从重获关注到走上舞台，需要时间一点一滴地积累，其应用范围也会随着技术的成熟而徐徐铺开。据了解，今年搭载钠离子电池上市的新能源汽车，大多以微型车和小型车为主，这类新能源汽车对里程续航要求并不高，但对成本控制却更为侧重。未来，随着钠离子电池越来越多地进入市场，它有望对锂电池的应用领域形成部分替代。