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作者:陈俊一
编辑:顾彦 2021-08-04 14:17
[亿欧导读]

未来对电池的海量需求,仅靠锂电池肯定是不够的。

钠电池

题图来自“外部授权”

今年5月,在宁德时代股东大会上,宁德时代董事长曾毓群公布了一个重大消息:宁德时代将在7月发布钠离子电池。

一石激起千层浪,钠电池概念股随之抬升,质疑之声也不绝于耳,而更多理性分析则认为,这是宁德时代将要大肆进军储能行业的号角。

翻看5月份以来关于宁德时代钠电池的众多分析,大家基本都认定钠电池主要用于储能和低速电动车。但直到7月29日下午宁德时代召开钠电池发布会,人们才发现,之前的猜测方向都错了。

龙头企业从来不是只看规模,更要看对未来技术的探索——储能自然要偏师进击,但宁德时代钠电池的中军主力,更是对动力电池发起了一场搅动现有技术格局的冲锋。

化学体系颠覆式创新:钠电池时代正在到来

曾毓群曾在一场活动中表示,“到2025年,电动车首购成本应和传统车基本持平”。从锂电池技术进展的角度,这一目标基本是可以实现的。

那为什么还要在锂电池体系之外推出钠电池?

 一方面,在可以预计的未来,锂资源必然是不够用的,而且全球三分之二的锂资源分布在南美,对外依存度过高,也会存在供应风险;另一方面也是成本优势,据国信证券,金属钠价格在2万元/吨,远低于金属锂的62.5万元/吨,钠资源价格低廉、分布广泛,几乎不会存在供应短缺。

 因为钠的原子质量是锂的3.3倍,钠离子半径是锂离子的1.3倍,钠电池能量密度远低于锂电池,发布会之前,业内主流观点多预测宁德时代钠电池能量密度在120Wh/kg左右,很难适用于主流乘用车市场。

对于钠电池产业化之后成本更低,业内则基本已达成共识,多认为其更适用于储能项目。除此之外,业内对于钠电池其实没有更多的想象。

 而发布会公布的信息显示,宁德时代第一代钠离子电池已经具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率五大优势。

仅电芯单体能量密度高达160Wh/kg这一目前全球最高的能量密度优势,大大超越了此前120Wh/kg的预测,就足以开启一个全新的钠电池时代。

提升化学性能甚至变革化学体系非常难,但宁德时代在迎难而上。

曾毓群在发布会上说,“有人在议论电池的化学体系已经很难创新了,只能在物理结构上做些改进。我们认为电化学的世界就像能量魔方未知远远大于已知,我们乐此不疲地探索其中的奥秘。”

 实际上,三四年之前,主流新能源车的电池PACK能量密度也只有100Wh/kg左右,2017年补贴门槛值只要求PACK的能量密度达到90Wh/kg(补贴系数为1);同样补贴系数为1的门槛值,2018年为120Wh/kg,2019年为160Wh/kg。

 直到2019年3月,财政部、工业和信息化部、科技部和发展改革委四部委联合发布了《关于进一步完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,高能量密度才不再成为第一追求,技术指标上限(160Wh/kg)不做调整,而是将安全放在了第一位。

 也就是说,宁德时代第一代钠电池160Wh/kg的单体能量密度,转化为PACK的能量密度估计在120Wh/kg以上,就已经达到2018年的主流水平,只是距离目前主流PACK能量密度140-200Wh/kg的锂电池尚有一定距离。

 目前主流锂电池电池组的体积成组率约在50%,质量成组率约在70%到75%,也就是说,有一半的体积和三分之一的质量用在了电芯之外的各种零件及安装空间上,如内部热管理系统、高低压回路、外壳等。

以至于尽管锂电池比钠电池单体能量密度稍高,但PACK后的能量密度差异其实会进一步缩小。

 而能量密度,只是宁德时代钠电池的第一个惊喜。

 另外四个方面的特点也令人惊喜: 

  • 常温下充电15分钟,电量可达80%以上;

  • 在-20°C低温环境中,也拥有90%以上的放电保持率;

  • 系统集成效率可达80%以上;

  • 热稳定性优异,远超国家强标的安全要求。


这就意味着钠电池距离量产为动力电池,技术指标上几乎已经没有多少阻碍,甚至相比于磷酸铁锂电池和三元锂电池两者,钠电池还具有自己的独特优点。

低温性能良好使得钠电池超越了磷酸铁锂电池;热稳定性远超国家强标也意味着其超过了三元锂电池;160Wh/kg的能量密度也与磷酸铁锂保持在同一水平;15分钟电量可充80%以上更意味着其具备快充条件,那么未来补能设施完善之后,快充的优点即可弥补难以实现长续航的不足。

其实钠电池化学性能上每一个优点对行业来说都是革命性的。

就以锂电池一直困扰行业的低温痛点为例,磷酸铁锂电池在0℃时容量保持率约60-70%,-10℃时将降为40-60%,-20℃时只有35-55%,所以搭载磷酸铁锂电池的电动车冬季实际续航水平往往缩水一半;哪怕低温性能相对磷酸铁锂较好的三元锂电池,-20℃时容量保持率也只有70%左右。

而低温性能良好的钠电池,恰好是解决锂电池低温性能不足最合适的新一代技术路线。

可以说万事俱备,只欠大规模产业化来降低初期成本。

 AB体系的物理结构创新

在动力电池的创新中,不管是化学革命一般的材料创新,还是电池组结构优化的物理创新,都不容易。

 在物理创新上,宁德时代的CTP技术跨过模组环节,将电芯直接集成到电池包,能够节省40%-60%的结构件,提高20%的电池包体积能量密度。而CTP之外,宁德时代下一步还要做CTC(Cell to Chassis)技术,将电芯和底盘、电机和电控等系统通过创新的架构集成在一起,优化动力分配和降低能耗,使得乘坐空间更大,底盘通过性变好。

 正如曾毓群所说,CTC技术属于宁德时代四大创新体系中的系统结构创新,其他三项分别为材料体系创新、智能制造创新和商业模式创新。

 

宁德时代董事长曾毓群

此次发布会,除了钠电池本身带来的材料体系创新之外,人们又一次见识了宁德时代在结构体系上的创新——开发AB电池系统解决方案,将钠离子电池与锂离子电池两种电池按一定比例进行混搭,集成到同一个电池系统里,通过BMS精准算法进行不同电池体系的均衡控制。

如此,AB电池系统既弥补了钠离子电池在现阶段的能量密度短板,也发挥出了它高功率、低温性能好的优势。

而根据不同场景,AB电池系统中的钠电池和锂电池还可以按照不同比例搭配,如相对高续航场景则钠锂比例可以为1:2,追求性价比方案钠锂比例可以为2:1。

创新从来不是无中生有,借助已有成熟技术,将成熟技术与新技术结合,反而能让产品更快、更多地应用。AB电池系统的设计灵感,堪称天才。

混动车就是一种将旧技术与新技术巧妙融合的方案,虽然长远看属于过渡技术路线,但却将燃油能量密度更高、补能更加方便的优点在新能源时代延续,从而在中长期解决新技术棘手的问题。 

AB电池系统看起来似乎也是一种过渡方案,因为钠电池和锂电池化学性质差异很大,对BMS要求极高。必须通过核心材料技术和先进的BMS算法,根据不同材料的衰减曲线调整整个电池系统的SOH状态。

BMS技术足够成熟和稳定之后,随着产业链发展和技术进步,这一方案就可能成为长期方案,BMS技术也会成为钠电池时代的核心竞争力之一。

其实钠锂电池组物理体系上混合两种元素的特点,也恰如镍氢电池在化学体系上的混合,成为一种长期技术解决方案是非常有可能的。

宁德时代长期布局多元化路线,对于钠电池的研发,绝非一些人想象的匆匆推出,而是长期技术跋涉的结果。毕竟,电池化学体系的变革,远比物理结构的变革困难,又怎么可能匆匆推出?

而AB电池系统通过物理结构创新带来复合加成效果,融合钠电池与锂电池两种体系各自的优点,并通过BMS最大化规避各自的缺点,为行业提供更具适切性的解决方案。

率先创新的宁德时代,也将在这一结构创新中进一步引领行业创新,给动力电池领域带来又一个堪比锂电池的万亿级赛道。

 钠电池如何成就一个堪比锂电的全新产业链

从普通民众使用的电动自行车、电动摩托车、电动车,到电力驱动的地铁、高铁,再到更多工矿、物流领域商用车,在碳达峰、碳中和目标下,中国正在进入一个全电驱动的社会,逐渐摆脱对化石能源的依赖。

7月29日,国家发展改革委印发《关于进一步完善分时电价机制的通知》,要求各地要统筹考虑当地电力系统峰谷差率、新能源装机占比、系统调节能力等因素,合理确定峰谷电价价差,上年或当年预计最大系统峰谷差率超过40%的地方,峰谷电价价差原则上不低于4:1;其他地方原则上不低于3:1。

储能主要依靠峰谷电价差来发展,电价差拉大后,储能利润空间提高,这一政策将进一步利好储能与新能源产业。宁德时代也在从前端清洁能源生产存储供给,到终端交通和基础设施等领域电动化应用一揽子解决方案,成为全电驱动社会背后的基石企业。

创新离不开研发。财报数据显示,2020年宁德时代研发费用为35.69亿元,五年复合增长率超过30%,研发团队达5592人。在材料体系、系统结构、智能制造、商业模式四大创新体系下,宁德时代三大战略发展方向也在步步推进。

在宁德市本地,宁德时代助力地方在公交车等领域实现100%电动化;在福建福鼎,去年已经推动68家茶企改用电制茶技术;在河南,宁德时代也在助力打造电动化、智能化、无人化、网联化矿山。

早在2019年,长江流域第一艘纯电动公务船 “海巡12909”号就搭载了宁德时代磷酸铁锂电池;2020年5月,中国首艘海上危险品应急指挥船“深海01”轮在广州下水,该船采用3台柴油发电机组加2组宁德时代磷酸铁锂动力电池的“油电”混合动力推进,续航里程可达1000海里;2021年5月,亚光科技与宁德时代签订合作协议,在游艇、游览船、公务船等新能源电动船领域开展深度合作。

内河渡船、观光船、货船港口拖船、豪华游轮、远洋科考船的电动化替代正在展开,而船舶对电池的安全性、可靠性有着更加严苛的要求。

安全性更高的钠电池,一旦产业化成功,将比锂电池更有优势,而船舶、工矿等新的电动化领域,因为设备空间足够,能量密度并非第一考虑,即使宁德时代第一代钠电池160Wh/kg的能量密度,也已足够。

更何况,宁德时代规划的下一代钠离子电池,能量密度将突破200Wh/kg。

以第一代钠电池接近当前磷酸铁锂电池的能量密度,参考磷酸铁锂电动车300-400公里的主流续航水平,钠电池基本也可以达到这一续航水平。再加上钠电池低温性能良好,对比低温续航甚至会缩水近一半的磷酸铁锂电池,纸面数据相当的钠电池,实际表现更会超越磷酸铁锂电池。

考虑到宁德时代第二代钠电池可以达到200Wh/kg能量密度,未来钠电池技术路线下,电动车续航突破500公里,也在预期之内。

如果采用钠锂混合电池组,在安全性能提高的情况下续航还可以进一步提升。

全电驱动的社会,将会大大减少对石油的依赖。这也将使石油能够得到更好的利用——石油不仅是能源,更是化工原料,乙烯、丙烯、丁烯以及苯、甲苯、二甲苯等化工原料都离不开石油。将如此重要的化工“食粮”白白烧掉,简直是一种罪恶。

特别是中国石油对外依存度在2015年就突破60%,2018年更是达到71%,远超过50%的国际警戒线。而美国石油产量却从 2017 年起成为世界第一,过于依赖石油,将使得中国在国际博弈中处于不利地位。

而电的来源非常广泛,就以太阳能为例,地球上每平方米面积可接受的最大太阳能量功率相当于1368瓦,通过太阳能电池板每平米约可以转化输出140到160瓦功率。除了光伏发电,还有光热发电、风电等多种新能源形式。

光伏、风电等间歇性及波动性的特征,也让储能电站进入爆发期,今年2月国家能源局就下发风电、光伏开发建设征求意见稿,鼓励新能源企业推进“新能源+储能”等示范工程。

以可再生能源发电和储能,替代固定式化石能源;以动力电池助力电动车发展,替代移动式化石能源;以电动化+智能化的集成应用创新,加快各领域的新能源替代进程。

宁德时代这三大战略发展方向,正契合国家中长期的碳达峰、碳中和目标。

宁德时代研究院副院长黄起森博士

在发布会上,宁德时代研究院副院长黄起森博士介绍,钠离子电池可以实现与锂离子电池生产设备、工艺的完美兼容,产线可进行快速切换,完成产能快速布局,2023年钠电池将形成基本产业链。

在一个存在万亿瓦时级电池需求的全电驱动社会,钠电池凭借高安全、低成本等优势,将与锂电技术路线同台竞技,更加多元化的技术路线也将助力产业创新与发展,保障中国在新能源上的安全与自主。

这不仅需要宁德时代在技术创新上的引领,更需要产业链合作伙伴的共同努力,上下游联动,进军全新的钠电池产业。

这一过程中,也将会有更多产业链企业脱颖而出,借助宁德时代的龙头力量和技术外溢,实现自身的发展。

我们不妨做一个更大胆的设想,产业链逐渐成熟、成本降低之后的钠电池,一定不只是锂电池的补充,还可能在动力电池装机量上超越锂电池,从补充地位变成主力地位。

据《彭博新能源财经》近日发布的《新能源展望》年度报告,2030年交通和储能对锂离子电池的需求将激增至5.9Twh,而2020年,全球动力电池产能只有100Gwh的量级,这意味着10年59倍级的产能跃升,这也是一个规模达数万亿元的超级大蓝海,仅靠锂电池根本满足不了。

在全新的钠电池领域,龙头已经激起了浪花,10年59倍的海量需求中,应该也会有更多产业链上下游企业成为钠电池时代的弄潮儿。

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