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产业化面临挑战,已经量产的钠电池目前还有哪些问题?
日期:2023-12-19   [复制链接]
责任编辑:sy_huamengqi 打印收藏评论(0)[订阅到邮箱]
2023年7月底,在第二届钠离子电池产业链与标准发展论坛上,比亚迪介绍了其在钠离子电池方面的开发进展以及规划,其中150Ah刀片电池已经通过中试,可进行规模化的生产。其中层状氧化物在 2023 年可以做到能量密度 140Wh/kg,循环寿命3600 次;而聚阴离子在2023年做到能量密度110Wh/kg,1C循环寿命可以做到 6000 次。

此外,早在2月底,中科海纳率先发布其钠电池产品,并在思皓花仙子A0级小车上展示了其钠电池系统。随后在4月18上海车展上宁德时代宣布其钠离子电池将首发落地奇瑞车型,采用层状材料和AB电池系统(类似于蔚来75kWh版本的LFP和三元混用)。6月中旬在工信部发布的第372批《道路机动车辆生产企业及产品公告》,奇瑞QQ冰激凌搭载的就是宁德时代生产的钠离子电池,是一款总质量1064kg,最高车速100km的小轿车。

除了上述几家公司,钠电池还有很多不到三年的初创企业,而且基本都是高校博士或者教授的研究成果进行孵化的企业,包括江苏众钠,湖州超钠,无锡钠远,深圳盘古钠祥等。虽然时间不长,但进展可谓迅速。比如江苏众钠在今年发布了聚钠1号产品,用在轻型电动车上来取代铅酸电池,给战略用户价格为599元一套,大约625元/kWh。

可以说2023年钠电池在储能,轻型电动车以及A0级电动汽车都实现了破冰的应用,再加上依然火爆的融资(9月份盘古钠祥刚刚完成了无锡市政府主导的千万级Pre-A融资),热度只增不减。不过随着锂盐价格的不断下降,“平替锂电”的声音也在减弱。

参考Gartner炒作曲线,钠电池目前可能正处于Stage 3过高期望的峰值期(可能马上就会进入拐点向下)。那么除了成本因素以外,已经量产的钠电池目前还有哪些问题?为什么没有取得预期的市场效果?这其中有哪些不能说的秘密,本文带您一探究竟。

碳酸锂价格是钠电价值试金石


据了解,钠离子电池的研究可以追溯到上个世纪80年代,几乎与锂离子电池同时起步,但受限于技术瓶颈其研究一度陷入停滞。直到2000年,硬碳负极材料的发现,才使得钠离子电池的研发再次活跃。经历了几轮诸如锂离子电池原材料涨价问题,钠离子电池价格低廉、无资源限制等优势逐渐凸显,作为锂离子电池替代技术路线获得快速发展。2021年,电池头部企业宁德时代发布第一代钠离子电池,迅速催热市场对钠离子电池的热情。据业内不完全统计,当前,从事钠离子电池研发布局的企业超过100家。

但市场的快速变化超出行业预期,今年,锂电池原材料价格出现断崖式下跌。市场担忧:如果碳酸锂价格继续下行,钠离子电池将丧失最大成本优势。

浙江青钠董事长王子煊在日前召开的高工钠电峰会上算了一笔账:碳酸锂价格为20万元/吨时,钠离子电池的边际成本领先24%左右;碳酸锂价格为10万元/吨时,钠离子电池的边际成本领先12%左右;若碳酸锂价格回归到5万元/吨,钠离子电池仅领先5%的边际成本。

星恒电源小电芯工程院钠电项目组长谈亚军也拿出一组数据,以钠离子电池正极、负极、电解液价格分别为3.5万元、2.5万元、1.5万元为基础,测算出钠离子电池和锂离子电池的成本交叉点是在碳酸锂价格为6.5万元/吨时。他认为,当碳酸锂价格下行时,钠离子电池主要成本占比的镍源也会相应下跌。长远来看,钠离子电池仍具有成本优势。

“碳酸锂60万元/吨的价格高位不可能长期持续,但价格并不是钠离子电池的核心竞争力。不同化学体系的电池技术有着不同特点,钠离子电池关键要找到其应用价值。”在中科海钠总经理李树军看来,碳酸锂价格某种程度上是钠离子电池产品价值的试金石,穿越产业周期是企业发展的必由之路。

产业化面临挑战

钠离子电池受追捧主要有两个原因。一是价格优势。不同于锂资源,地壳中钠资源丰富且分布广泛,在海洋和盐湖中有巨大储量,采用钠离子电池基本不存在资源约束问题,且材料成本远低于锂离子电池。正极原料碳酸钠价格常年保持在3000元/吨,远低于碳酸锂价格,正极其他主要元素铁、锰、铜也都是大宗廉价商品,负极用的煤基材料以及集流体不需要用铜箔,比锂电池所用材料成本低。

二是性能互补。尽管能量密度较低,但钠离子电池的部分性能与锂离子电池具有互补性。例如,钠离子电池工作温度区间宽于锂离子电池的区间。钠离子电池内阻较大,短路时瞬时放的热量较锂离子电池少,温升较低,在安全性方面具备优势。此外,钠离子电池充放电倍率性能好,可实现功率快速响应,适合电力系统储能应用。

但是,如今钠离子电池的价格优势不再明显。随着企业加速布局锂矿,国内电池级碳酸锂价格从今年年初开始快速下跌,进入4月更是跌破20万元/吨。虽然此后逐步回升至30万元/吨,但也仅为历史高位的50%。业内判断,当碳酸锂价格为20万元/吨时,量产钠离子电池成本为锂离子电池的76%;而当碳酸锂价格达5万元/吨时,两者成本差距仅约5%。碳酸锂价格下降势必削弱钠离子电池的市场吸引力。

目前,钠离子电池能量密度和循环寿命仅为磷酸铁锂电池的三分之二和二分之一,难以满足乘用车动力电池需求。在成本方面,尽管钠离子电池成本下降潜力巨大,但由于目前整体产量较小,钠离子电池生产成本还是高于锂离子电池。

此外,钠离子电池产业化痛点还没有得到解决。尽管钠离子电池可以兼容使用锂离子电池生产设备,但产业尚未形成健全的供应链。一是钠离子电池材料体系尚未取得行业共识。以正极材料为例,层状氧化物相关量产技术已基本攻克,但普鲁士蓝结晶水去除困难,相关制备技术仍在攻关,聚阴离子正极相关量产技术也处于开发阶段。负极材料方面,硬碳比容量较高,但一般采用生物质前驱体,产碳率低,成本和规模化尚存劣势。电解液方面,六氟磷酸钠与六氟磷酸锂合成工艺相似,但热稳定性欠佳。二是钠离子电池技术标准尚不完善,不同技术路线下电池电压平台各异,对电池管理系统及逆变器也提出了更高要求。此外,钠离子补偿、寿命预测等技术还有待开发。

钠电池还有希望吗?

由于钠离子电池在循环寿命方面的问题,其在大规模储能领域的应用应该是减缓了步伐。钠钠电池面临着跟锂电类似的成本和性能的抉择:性能较高的产品成本并不低,成本低的产品性能又差。此外由于今年动力电池装机增量不足,碳酸锂期货价格屡创新低,年底可能在15万以下了。而且去年很多公司也有锂电池的存货,现在也低价出售。

比如楚能新能源已经宣布下半年其磷酸铁锂电芯价格不含税0.5元/Wh, 含税为0.57元/Wh, 加上系统差不多0.2元/Wh的成本,储能系统的价格已经来到了0.8元/Wh以内。而目前钠离子电池系统至少还得0.8元/Wh,寿命可能还无法达到LFP的6000次,在储能领域其竞争没有优势。

虽然如此,由于资源瓶颈问题,还是必须要大力发展钠离子电池用来稳定并制约锂离子的价格波动,实现新能源产业的良性和健康发展。这不仅是中国,也是缺少资源的欧洲等国家的共识,这一轮最早的几家钠电池公司,包括英国的Faradion以及法国的TIAMAT也都是欧洲的。

在鑫椤锂电上个月的高峰论坛上,湖南立方新能源的董事长兼总经理涂健回顾了过去20年来的几次锂盐价格波动,得到的结论也是类似的,那就是必须要用钠电池的发展来制约锂盐价格波动,保证整个锂电池产业的健康发展。

所以说虽然目前锂电池价格跌倒了低谷,钠电的应用不及预期,在储能领域跟LFP相比也没有优势,但是为了稳定锂盐的价格,必须要继续发展钠电池。尤其是在动力和轻型电动两个领域:

1. 动力方面:核心是高比能,哪怕是用高端的层状材料也无所谓。因为钠电池正极的成本低廉,低温性能也好,跟LFP电池是很好地互补,所以在新能源A0级车市场是不错的应用场景。一方面选用层状材料做出高比能的电芯,另一方面跟成熟的LFP电芯混用,提高综合性能。

这方面宁德时代在力推,比亚迪也在快速跟进。孚能科技跟江铃合作的纯电动轿车玉兔也在6月中旬上了公告。可见几大主要的锂电池企业都已经沿着这个方向提前布局了。中科海纳也跟江淮在思皓花仙子车型上进行了钠电池的合作,也许2024年就能见到钠电的车型开售。

在新能源领域的应用尤其是注意高温产气和高温循环的问题,这也是硬碳负极的硬伤之一。上面比克的钠电45℃循环寿命不到800,此前中科海纳公布的数据也隐去了高温存储的容量衰减。而设备厂川源科技利用其生产研发的ACCFILIM原位体积测量系统,也测试了小软包钠电在45℃循环情况,结果发现两种电解液配方产气都比较严重。高温产气问题后续还需要结合材料包覆以及电解液配方优化来综合解决。

2. 轻型电动车:这方面众多初创钠电公司都有所布局。核心并不是高比能,而是低成本,所以其主要路线不仅有层状材料,还有聚阴离子等。

江苏众钠就是其中的一个代表,采用低成本的硫酸铁钠正极,给战略用户的价格才625元/kWh, 不过没有规模效应,大概率这个是亏钱的。就好比当年上海华谊新材料中试线的LMFP材料,其售价也非常低,也是出于先占领市场的目的。

不过这个领域的应用面临着铅酸电池的竞争,在钠电池寿命不及预期的情况下,推广还是有难度的。所以必须要优化硬碳负极,也包括BMS充电控制策略等,来提高寿命。

原标题:产业化面临挑战,已经量产的钠电池目前还有哪些问题?
 
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