鈉和鋰同為IV族堿金屬元素,兩者的物理與化學(xué)性質(zhì)非常相似,因此,鈉離子電池的工作原理也與鋰離子電池一樣,作為嵌脫式二次電池,依靠鈉離子在電池正負(fù)極之間的移動來充放電。充電時,Na+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極,同時電子經(jīng)外電路由正極到達(dá)負(fù)極完成充電過程;放電時Na+和電子的移動路徑則與充電時相反。鈉離子電池工作原理與鋰離子基本類似,這也給鈉電池的產(chǎn)業(yè)化打下良好基礎(chǔ)。
與鋰離子電池相比,鈉電池的優(yōu)勢主要有三點(diǎn):1、有更好的倍率性能,且能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲能和規(guī)模供電。寧德時代研發(fā)的第一代鈉離子電池在常溫下充電15分鐘,電量即可達(dá)到80%以上。2、鈉電池適應(yīng)溫域更為寬廣,寧德時代的一代鈉電池在-20°C的低溫環(huán)境中也可以擁有90%以上的放電保持率,而鋰離子電池在相同環(huán)境下放電保持率只有70%左右。3、鈉離子電池更為安全,主要原因有三:
第一,鈉作為鋰的下一周期元素,化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定;第二,鈉離子電池的負(fù)極集流體使用的是穩(wěn)定性更好的鋁箔,鈉離子電池可以完全放電至0V再進(jìn)行運(yùn)輸,提高了運(yùn)輸安全性;第三,鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰離子電池高,在短路時發(fā)熱量更少;不足則主要是受限于鈉離子本身的離子性質(zhì),能量密度較低,目前市場上的鈉離子電池能量密度只有80~160Wh/kg,略好于鉛酸電池,而差于鋰離子電池。
預(yù)計(jì)2023年各大鈉電池龍頭中試線、規(guī)模產(chǎn)線將陸續(xù)落地,行業(yè)規(guī)模開始增長。近年來,鈉電池實(shí)際產(chǎn)業(yè)化加速,鈉離子電池相關(guān)產(chǎn)品逐漸問世,相關(guān)技術(shù)水平不斷提升。2021年6月,中科海納聯(lián)合中科院物理所聯(lián)合打造全球首套1MWh鈉離子儲能系統(tǒng);2022年1月,太陽能設(shè)備制造商BlueettiPowerInc發(fā)布了全球首臺鈉離子太陽能發(fā)電機(jī)BluettiNA300&B480;此外,日本電氣玻璃公司與美國NatronEnergy公司近期均研發(fā)出性能更好的鈉離子電池,研究成果還在繼續(xù)優(yōu)化中。寧德時代發(fā)布公告,預(yù)計(jì)在2023年將完成鈉離子電池的重大產(chǎn)業(yè)鏈突破。
與鋰電池相比,鈉電池的單位成本更低,安全性更強(qiáng),但受限于鈉元素本身的直徑影響,其能量密度要低于鋰離子電池。因此鈉離子電池在對能量密度需求不高,但對成本相對敏感的領(lǐng)域應(yīng)用潛力更大,如分布式電網(wǎng)儲能、兩輪車、低速交通工具等。目前,儲能電站主要存在于可再生能源接入、家庭和工業(yè)儲能、5G通信基站和數(shù)據(jù)中心等,低速交通工具主要包括低速電動車、電動自行車、電動船舶和公共汽車與大巴。
儲能:行業(yè)高速發(fā)展,電化學(xué)儲能是應(yīng)用范圍最為廣泛、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬δ芗夹g(shù)。全球新能源發(fā)電規(guī)模大幅增長,電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模一直保持高速增長的趨勢,未來隨著分布式光伏、分散式風(fēng)電等分布式能源的大規(guī)模推廣,電化學(xué)儲能行業(yè)將面臨更廣闊的市場機(jī)遇。
動力電池領(lǐng)域:電動摩托市場將迎來換車高峰期,低速車應(yīng)用開啟鈉電池增長空間。目前中國電動兩輪車的保有量為2.5-3億臺。2019年開始實(shí)施的新國標(biāo)對電動兩輪車進(jìn)行了更加明確的規(guī)定,考慮到各城市3-5年的響應(yīng)時間,2021-2023年預(yù)計(jì)將為換車高峰期,電動兩輪車的需求可能在2023年達(dá)到頂峰。
同時中國電動兩輪車出口量不斷增加,2020年增速達(dá)到34.8%,進(jìn)一步助推行業(yè)發(fā)展;而在低速電動車領(lǐng)域,2016年全國四輪電動車產(chǎn)量突破百萬,達(dá)到116.9萬輛,2017年受國標(biāo)草案不明朗影響增速放緩,產(chǎn)量133.5萬輛,之后受行業(yè)整頓影響,產(chǎn)量開始縮減,至2021年產(chǎn)量僅為32萬輛。2021年《純電動乘用車技術(shù)條件》(征求意見稿)出臺,預(yù)計(jì)后續(xù)低速電動車產(chǎn)量將迎來上升趨勢,為鈉電池帶來增長空間。