放眼全國，鈉離子電池的熱度正在快速攀升。作為鋰電之“王”，寧德時代早在去年就發(fā)布了第一代鈉離子電池，宣稱其電芯單體能量密度可達160Wh/kg，將于2023年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；最近，同為鋰電龍頭的蔚藍鋰芯也宣布，擬與中科海鈉聯(lián)合開發(fā)圓柱形鈉離子電池，而后者是國內第一家專注鈉離子電池研制的企業(yè)，在最近一輪的融資中估值暴漲數(shù)倍。
龍頭下場、資本追捧，令“鈉鋰”之爭重現(xiàn)江湖。為此，記者走訪了多位學術界和產(chǎn)業(yè)界的專家，請他們解析背后的理論、實踐與爭議。
一問 為什么是“鋰”？
高劍的實驗室位于成都高新西區(qū)，40多名科研人員分布在多臺實驗儀器前。他們正在嘗試一種新材料，將其制成新的電芯檢驗性能，圓柱形、紐扣形、刀片形和袋裝軟包的樣品隨處可見。
“這是鈉離子電池嗎？”記者邊看邊問。
“不，是鋰離子電池。”高劍回答，“鋰是行業(yè)的主流，也是我們的主業(yè)。”
高劍說，小至手表、手機、充電寶，大至新能源汽車、光伏儲能設備，鋰離子電池無處不在。在消費電子、動力電池等領域，鋰離子電池幾乎是“一統(tǒng)天下”；在電動工具、儲能設備等領域，鋰離子電池也在“攻城略地”。
據(jù)工信部統(tǒng)計，2021年我國鋰離子電池產(chǎn)量324GWh，同比增長106%，其中消費、動力、儲能型鋰電產(chǎn)量分別為72GWh、220GWh、32GWh，分別同比增長18%、165%、146%。
為什么是“鋰”？“天分高。”高劍打開元素周期表，3號元素鋰位于左上角，是排在最前面的金屬元素，“鋰本身原子量小、活性高，且電極電位最‘負’，因此理論上可以做出能量密度更高的電池。”
高劍介紹，電池誕生200多年來，追求更高的能量密度是發(fā)展的主線，也就是用更小的體積、更輕的質量，儲存更多的電量。電池的基本原理相通，不同的材料體系決定了能量密度的大小。鋰元素被發(fā)現(xiàn)后，很快成了科學家追捧的理想材料。
“還有我們的努力。”中國工程院院士、有機高分子材料專家蹇錫高告訴記者，上個世紀90年代，索尼首先將鋰離子電池推向商用，獲得市場認可。此后，中國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)逐漸起步，經(jīng)歷了從鈷酸鋰電池到磷酸鐵鋰電池、三元電池的迭代，特別是通過持續(xù)深化創(chuàng)新，近些年已憑借技術和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢獨占鰲頭。
據(jù)統(tǒng)計，2014年以來，中國一直是全球最大的鋰離子電池生產(chǎn)和制造國家。2014年，中國鋰離子電池總體出貨量在全球的占比為42.1%，這一數(shù)據(jù)在2021年達到59.4%。在這背后，三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達到280Wh/kg、170Wh/kg，骨干企業(yè)電池系統(tǒng)循環(huán)壽命超過5000次，優(yōu)勢明顯。
“基本上解決了‘續(xù)航焦慮’。”蹇錫高說，如今鋰離子電池產(chǎn)業(yè)愈發(fā)成熟，可以說是“方興未艾”，而由于新能源汽車等下游行業(yè)需求旺盛，鋰離子電池的產(chǎn)能還在快速提升，技術也在不斷進步，其主流地位難以撼動。
二問 為何還要“鈉”？
走到最后一個實驗室，高劍終于展示了他的鈉離子電池。這是一塊袋裝軟包的電芯，外邊由銀白色的鋁塑膜包裹。“這不是實驗品，已經(jīng)是工程化的樣品，拿來就可以用。”高劍說，幾年前，學術界對鈉離子電池的研究大多還停留在實驗室，發(fā)表論文就算大功告成，而如今的研究已經(jīng)瞄準產(chǎn)業(yè)化，“盡管市場前景還有爭議，但發(fā)展鈉離子電池已經(jīng)不是紙上談兵了。”
鋰離子電池方興未艾，為何還要發(fā)展鈉離子電池？專家從兩個角度進行了解析。
首先看鋰。鋰是做電池的理想材料，但在專家看來，還稱不上“完美”。“在地殼中，鋰元素并不算豐富，鋰資源越來越緊俏。”四川大學化學工程學院副院長、教授郭孝東說，如今的鋰被稱作“白色石油”，正是由此得名，“75%以上的鋰資源都用作了鋰離子電池，隨著新能源汽車等行業(yè)快速發(fā)展，以后的需求還會不斷放大。”
郭孝東表示，鋰資源供應的緊張狀態(tài)，讓碳酸鋰的價格在最近兩年節(jié)節(jié)攀升，從每噸幾萬元躍升至每噸數(shù)十萬元，帶動了整個產(chǎn)業(yè)鏈的價格上揚，對產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有明顯的副作用。
“還要關注鋰資源的分布。”近日，在第二十屆海科會上，中國工程院院士、輕金屬專家潘復生也專門提醒，由于我國鋰資源儲量不足，目前國內生產(chǎn)鋰離子電池材料的碳酸鋰，絕大多數(shù)都來自國外進口，存在被“卡脖子”的風險，因此要努力尋找新的替代資源、確保安全。
再看鈉。蹇錫高表示，鈉是地球上含量最豐富的元素之一，例如海水中就有大量的鈉鹽，其開采、制備過程也更為簡單，因此能夠有效解決資源不足和分布不均的問題，在成本方面擁有明顯優(yōu)勢，“現(xiàn)在鋰的價格越來越高，鈉的成本優(yōu)勢會更加明顯。”
此外，鈉的理化性質與鋰相似，也是吸引研究者的重要原因。“在元素周期表中，鈉與鋰是‘鄰居’，都是Ⅰ族的金屬元素。”高劍說，由于都是“搖椅式電池”，兩者背后的原理相同，鋰離子電池的成功，也為鈉離子電池的開發(fā)提供了許多成熟的思路，例如在材料體系的設計上，如今的鈉離子電池大多都參照了鋰離子電池。
三問 研究進展如何？
盡管理化性質相似，但鈉在鋰面前，短板明顯。高劍介紹，由于原子量更大，鈉離子的半徑比鋰離子大。“儲存相同的電量，需要遷移的離子個數(shù)一樣，但鈉離子電池所需重量要更大。”高劍說，因此在相同條件下，鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，“要趕上這個差距，很不容易，但我們可以努力靠近。”
如何追趕？關鍵依然是材料。
高劍介紹，在這其中，正極材料對能量密度的影響最大。根據(jù)成分，主流鈉離子電池正極材料可分為過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類化合物體系，可大概對應鋰離子電池的三元正極材料、磷酸鐵鋰材料和有機材料。“鋰離子電池提供了思路，鈉離子電池還需要根據(jù)自身特點來調整。”高劍說，目前國內學術界和產(chǎn)業(yè)界對三種正極材料都有所涉及，有的已經(jīng)走出了實驗室。
根據(jù)鋰離子電池的思路，郭孝東和同事曾嘗試用磷酸鐵鈉代替磷酸鐵鋰，但由于磷酸鐵鈉的活性降低明顯，于是沿著這個思路繼續(xù)嘗試，最終發(fā)現(xiàn)用磷酸釩鈉的效果很不錯。“四川釩鈦資源豐富，這樣的嘗試很有意義。”郭孝東介紹，除此以外，團隊也在嘗試其他的材料體系設計，目前取得了不錯的效果，將在合適的時候報告。
除了追求能量密度，循環(huán)壽命也是重要目標。高劍介紹，鈉離子電池的充電工程，是將鈉離子嵌入負極的過程，由于鈉離子的個頭更大，嵌入負極更困難，循環(huán)壽命自然也比鋰離子電池更短。
“負極也要嘗試新材料。”高劍說，這種新的負極材料已經(jīng)完成制備，正在進行測試，有望大幅縮小與鋰離子電池循環(huán)壽命的差距。
蹇錫高和同事準備換一種思路。“能夠充放電的不只有電池，還有電容器。”蹇錫高說，他的團隊正在開發(fā)一種鈉離子超級電容器，其能量密度可以與電池相當，且充放電效率有質的提升，“普通的電池快充，在電容器面前都是‘小巫見大巫’。”蹇錫高透露，開發(fā)鈉離子超級電容器的關鍵是找到一種高性能的儲鈉材料，而最近團隊已經(jīng)有所突破，去年已經(jīng)向學術界報告。
四問 四川如何應對？
近些年，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在四川發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計，四川省現(xiàn)已具備鋰礦年開采能力150萬噸，基礎鋰鹽產(chǎn)能24萬噸，正負極材料產(chǎn)能125萬噸，動力電池產(chǎn)能100GWh。預計到2025年，四川動力電池產(chǎn)能將達到350GWh。
在此基礎上發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，具有哪些優(yōu)勢？
“四川硬巖石鋰礦占全國鋰礦石資源量半壁江山。”高劍說，這是四川鋰電產(chǎn)業(yè)的基石，發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)沒有這樣的先天優(yōu)勢，但四川釩鈦資源豐富，可能在以后的鈉電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中帶來較為明顯的資源優(yōu)勢。
再看產(chǎn)業(yè)鏈。從鋰礦開采到基礎鋰鹽、正負極材料、動力電池，四川鋰電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游完備，已經(jīng)在一定范圍內形成了成熟的分工協(xié)作。“鋰電和鈉電原理相同，生產(chǎn)工藝相似。”高劍說，在鋰電生產(chǎn)線上稍作調整，就能實現(xiàn)鋰電和鈉電通用，有利于鈉電產(chǎn)能快速提升。
“人才也是優(yōu)勢。”蹇錫高表示，隨著鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，四川已經(jīng)聚集了一大批專業(yè)人才，在四川大學、電子科技大學等高校中也有不少創(chuàng)新團隊，鋰電和鈉電的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎。
不過，在鋰電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯的大背景下，是否發(fā)展、如何發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，大家還存在許多爭議。
“首先是對鈉電的定位，是對鋰電的取代，還是對鋰電的補充？”高劍說，在他看來，由于在能量密度和循環(huán)壽命上仍然存在明顯差距，未來鋰電仍將是電池的主流，而鈉電需要在一些細分市場找到自己的立足之地，“例如對能量密度不太敏感的光伏儲能，以及對循環(huán)壽命不太敏感的電動工具，都可以是鈉電的用武之地。”
在鈉電中，鈉的成本只是電池成本的很小一部分，由于尚未規(guī)模化應用，鈉電的成本優(yōu)勢目前還不明顯。蹇錫高建言，當前應該積極研究、謹慎布局，重點鼓勵前沿創(chuàng)新研究，夯實產(chǎn)業(yè)基礎。
爭議之下，這樣的共識明確：鋰電這個主業(yè)不能丟。專家建言，發(fā)展鋰電和鈉電產(chǎn)業(yè)，要在“主業(yè)+副業(yè)”的格局下開展。“就像我們實驗室，主業(yè)還是鋰電的創(chuàng)新研究，要繼續(xù)向理論極限逼近。”高劍說，在此基礎上開展的鈉電研究，重點面向細分市場，著眼于未來，“當鋰資源真正進入枯竭階段，這樣的技術儲備就能發(fā)揮大作用了。”
