低价抢市!胖子钠电池对锂电池的逆袭

绿色带路人的心底话


(photo by iStock)
 

       2019年我写了一系列电动车及电池技术专栏文章,其中一篇登上绿学院当年度专栏文章排行榜第二名,来自绿学院引荐的演讲邀约不断,但我一个也没有参加,因为我赶上电池产业的爆发期,人忙到啤酒肚都跑出来了。

       这段期间,我仍持续阅读绿学院其他绿色带路人的电池技术文章,前一阵子听说固态电池系列文章竟然超过40万人浏览,超越我当年创的纪录,原来关心电池技术的同好这么多,看来介绍更多外卡选手的时候到了。

       我在《如何判断电池技术大突破是世纪大骗局还是真革命?》一文提到,电池的球赛现在才四局下半,谁会取得最后的胜利还很难说。如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充电速度是石墨数倍的石墨烯、寿命是石墨十倍(1,000次)的钛酸锂(10,000-20,000次),还有整个体系大改的锂硫电池、锂空气电池、固态电池,甚至还有许多非锂系的外卡选手在场外虎视眈眈,如成本较低廉的钠、镁电池,寿命较长的铝电池等,都以不可思议的速度发展中。

       今天我就来介绍去年(2021)一出场就轰动武林惊动万教的一位外卡选手,也就是钠电池。

  2021年,宁德时代推出第一代钠电池,能量密度达160Wh/kg,常温下充电15分钟可以充到80%,堪比磷酸铁锂电池。如果你不是行内人,看完这段文字你一定在想,钠电池是谁啊?有这么厉害?是世纪大骗局还是真革命? 

电池球赛的第一局,「胖子」钠电池输给了锂电池,这一输就是40年

       1970年代,当科学家在选择电池材料时,是看著化学元素周期表在选择的。还记得高中时代苦背的「锂钠钾铷铯鍅」吗?锂(Li)与钠(Na)在化学元素周期表上属同一主族,性能相近,在电池原理上两者也相近,都是透过不断在正、负极间来回游动充放电。于是一帮科学家选择了锂电池,另一帮科学家选择了钠电池。

       锂是个游泳健将,而钠在尺寸和重量上都比锂肥了一大圈,也就是个胖子,想也知道,这个胖子自然游不过锂。而且,这个胖子身上太多脂肪,储存的肌肉密度不高,也就是能量密度不够高,所以在电池球赛的第一局,钠电池就输给了锂电池,这一输就是40年。

因为锂库存有限,电池球赛五局上半,胖子钠电池卷土重来,败部复活

       但是老天爷是公平的,十年河东、十年河西,根据2020年世界银行的估计,电池材料中最重要的锂金属,若要满足全球现在的需求,需要其地球库存量的五倍,但地球没有那么多。而且开采锂矿时,平均每吨锂需消耗约200万公升的水,锂电池又需要用到稀土,这些问题都让环保人士诟病。为了寻找替代材料,回头发现,钠在地壳中化学元素平均含量是锂的423倍,在地球上分布广泛,多到你家里买的食盐里面都有,价格远远低于锂,于是在40年之后,胖子钠电池卷土重来,败部复活!

一张表看懂钠电池与锂电池的战力

       我们之前谈过六个判断电池技术潜能的基本逻辑:能量密度高、寿命长、充放电速度快、耐热耐寒、安全性高、达到可商业化的成本。让我们用下表来比较钠电池与锂电池在这六个面向的战力:

电池技术面向 钠电池 锂电池
能量密度 第一代约150Wh/kg 磷酸铁锂约150-200Wh/kg
锂三元约200-300Wh/kg
固态电池有机会突破500Wh/kg
寿命 普通
充放电速度 普通
耐热耐寒 普通
安全性 普通
达到可商业化的成本 便宜、便宜、超级便宜,比锂电池便宜40% 普通

(表一)钠电池与锂电池比较表
资料来源:颜文群整理
 

胖子钠电池最大的竞争力可能来自碳中和时代给予它的机遇,不用稀土、省水,比锂电池更环保

       钠电池和锂电池供应链非常类似,很多地方可以通用,比同样是锂电池家族的固态电池更容易产能切换,接下来几年随著钠电池量产,成本优势很快就会展现。

       钠电池最大的竞争力可能来自碳中和时代给予它的机遇。极端气候事件频传、能源短缺,都正在迫使制造商找寻产品低碳、甚至零碳的转型机会。钠电池因为不需开采锂矿,从而避免在锂矿开采时使用化学品对土地的伤害及大量的水资源消耗;在钠电池制造过程中,也不使用石墨作为负极材料,再次减少制备石墨时需要的3,000度超高温制程,大幅减少能耗,自然降低碳排放,相比起锂电池更环保。

       从胖子钠电池的故事中我们学到,人生是一场马拉松,不是短跑,千万不要因为失志而放弃在绿色产业奋斗,十年河东、十年河西,健健康康地活著,在时代转换时,抓住属于自己的机遇。

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