低價搶市!胖子鈉電池對鋰電池的逆襲

綠色帶路人的心底話


(photo by iStock)
 

       2019年我寫了一系列電動車及電池技術專欄文章,其中一篇登上綠學院當年度專欄文章排行榜第二名,來自綠學院引薦的演講邀約不斷,但我一個也沒有參加,因為我趕上電池產業的爆發期,人忙到啤酒肚都跑出來了。

       這段期間,我仍持續閱讀綠學院其他綠色帶路人的電池技術文章,前一陣子聽說固態電池系列文章竟然超過40萬人瀏覽,超越我當年創的紀錄,原來關心電池技術的同好這麼多,看來介紹更多外卡選手的時候到了。

       我在《如何判斷電池技術大突破是世紀大騙局還是真革命?》一文提到,電池的球賽現在才四局下半,誰會取得最後的勝利還很難說。如能量密度是石墨(372 Ah/Kg)十倍的矽材料(3,579 Ah/Kg)、充電速度是石墨數倍的石墨烯、壽命是石墨十倍(1,000次)的鈦酸鋰(10,000-20,000次),還有整個體系大改的鋰硫電池、鋰空氣電池、固態電池,甚至還有許多非鋰系的外卡選手在場外虎視眈眈,如成本較低廉的鈉、鎂電池,壽命較長的鋁電池等,都以不可思議的速度發展中。

       今天我就來介紹去年(2021)一出場就轟動武林驚動萬教的一位外卡選手,也就是鈉電池。

  2021年,寧德時代推出第一代鈉電池,能量密度達160Wh/kg,常溫下充電15分鐘可以充到80%,堪比磷酸鐵鋰電池。如果你不是行內人,看完這段文字你一定在想,鈉電池是誰啊?有這麼厲害?是世紀大騙局還是真革命? 

電池球賽的第一局,「胖子」鈉電池輸給了鋰電池,這一輸就是40年

       1970年代,當科學家在選擇電池材料時,是看著化學元素週期表在選擇的。還記得高中時代苦背的「鋰鈉鉀銣銫鍅」嗎?鋰(Li)與鈉(Na)在化學元素週期表上屬同一主族,性能相近,在電池原理上兩者也相近,都是透過不斷在正、負極間來回游動充放電。於是一幫科學家選擇了鋰電池,另一幫科學家選擇了鈉電池。

       鋰是個游泳健將,而鈉在尺寸和重量上都比鋰肥了一大圈,也就是個胖子,想也知道,這個胖子自然游不過鋰。而且,這個胖子身上太多脂肪,儲存的肌肉密度不高,也就是能量密度不夠高,所以在電池球賽的第一局,鈉電池就輸給了鋰電池,這一輸就是40年。

因為鋰庫存有限,電池球賽五局上半,胖子鈉電池捲土重來,敗部復活

       但是老天爺是公平的,十年河東、十年河西,根據2020年世界銀行的估計,電池材料中最重要的鋰金屬,若要滿足全球現在的需求,需要其地球庫存量的五倍,但地球沒有那麼多。而且開採鋰礦時,平均每噸鋰需消耗約200萬公升的水,鋰電池又需要用到稀土,這些問題都讓環保人士詬病。為了尋找替代材料,回頭發現,鈉在地殼中化學元素平均含量是鋰的423倍,在地球上分布廣泛,多到你家裡買的食鹽裡面都有,價格遠遠低於鋰,於是在40年之後,胖子鈉電池捲土重來,敗部復活!

一張表看懂鈉電池與鋰電池的戰力

       我們之前談過六個判斷電池技術潛能的基本邏輯:能量密度高、壽命長、充放電速度快、耐熱耐寒、安全性高、達到可商業化的成本。讓我們用下表來比較鈉電池與鋰電池在這六個面向的戰力:

電池技術面向 鈉電池 鋰電池
能量密度 第一代約150Wh/kg 磷酸鐵鋰約150-200Wh/kg
鋰三元約200-300Wh/kg
固態電池有機會突破500Wh/kg
壽命 普通
充放電速度 普通
耐熱耐寒 普通
安全性 普通
達到可商業化的成本 便宜、便宜、超級便宜,比鋰電池便宜40% 普通

(表一)鈉電池與鋰電池比較表
資料來源:顏文群整理
 

胖子鈉電池最大的競爭力可能來自碳中和時代給予它的機遇,不用稀土、省水,比鋰電池更環保

       鈉電池和鋰電池供應鏈非常類似,很多地方可以通用,比同樣是鋰電池家族的固態電池更容易產能切換,接下來幾年隨著鈉電池量產,成本優勢很快就會展現。

       鈉電池最大的競爭力可能來自碳中和時代給予它的機遇。極端氣候事件頻傳、能源短缺,都正在迫使製造商找尋產品低碳、甚至零碳的轉型機會。鈉電池因為不需開採鋰礦,從而避免在鋰礦開採時使用化學品對土地的傷害及大量的水資源消耗;在鈉電池製造過程中,也不使用石墨作為負極材料,再次減少製備石墨時需要的3,000度超高溫製程,大幅減少能耗,自然降低碳排放,相比起鋰電池更環保。

       從胖子鈉電池的故事中我們學到,人生是一場馬拉松,不是短跑,千萬不要因為失志而放棄在綠色產業奮鬥,十年河東、十年河西,健健康康地活著,在時代轉換時,抓住屬於自己的機遇。

與我們同步