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电动车世界级难题被攻破?中国锂电池即将发布,特斯拉时代或终结

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近日,宁德时代宣布将于2021年7月内发布钠离子电池的相关消息,导致近期的股市上,钠离子电池板块异常活跃,这钠离子电池是什么?相比较现在的锂电池,到底有什么优势?钠离子电池真的能解决电动车续航问题吗?



钠离子电池比起锂电池有什么优势

钠离子电池在业界其实不算特别新鲜,早在上世纪80年代就有众多科研机构开始了对钠离子电池的研究工作。钠作为活泼金属,遇水很容易发生化学反应,产生大量的热,甚至导致氢气发生爆炸。所以地球上大部分钠很难单独存在,都是以化合物的形式存在在地球。最常见的就是我们吃的食盐。



钠这个活泼的性质,当电池材料是非常理想的。而电池的本质就是一套储能系统,世界绝大多数电池的原理都差不多,利用的都是物质的氧化还原反应。钠离子电池原理和锂离子电池差不太多,在钠离子电池的正负极都有钠离子,在充电和放电时,带正电的钠离子会来回跑,形成电位差。



不过早期的研究其实不算很理想,因为钠离子的体积比锂离子较大,所以运动时耗费的能量更多,要保证钠离子电池的能量密度具有使用价值,就必须同一时间电离出更多的钠离子。

相对而言,钠离子电池的研究进度远远比锂离子电池慢,而且慢得多。一直到2010年前后,才研究出相对比较靠谱的钠离子电池的正极材料和电解液。不过从目前的技术来看,钠离子电池的能量密度确实不如锂离子电池。



但是这不意味着钠离子电池没有前景,我国对于钠离子电池的研究进度一直比较超前的,例如南京理工大学的夏辉教授和众多中外名家,一直在进行钠离子电池的相关研究工作。

在2018年,夏辉教授带领团队和国外教授在国际顶级科学期刊上《自然》发文,描述了锰作为钠离子电池正极材料的优势,使钠离子电池在能量密度上有一定可能超过现在的锂离子电池。



除了夏辉教授,中科院的胡勇胜研究员,也带领团队在钠离子电池的产业化的问题上,做了大量的研发工作。并开发出成本非常低廉的正负极原材料和电解液,随后该项技术很快被市场应用,2017年钠离子电池已经初步产业化,可以生产出能量密度达到150 Wh/kg。



相比较锂离子电池,钠离子电池具有很多优势。首先钠的储量非常丰富,光我国位于柴达木盆地南部的察尔汗盐,钠盐的储量就达到426.2亿吨,而且海水里面到处都是钠盐,经过计算每升海水里面的钠盐含量就达到3.5g,经过计算,预计全球海洋钠盐的储量可高达5851万亿吨的。



反观锂的储量就非常稀少了,据美国地质调查局的数据,全球锂锂矿资源只有1400万吨,其中70%在南美洲的智利和阿根廷,其次在澳大利亚。而我国锂储量仅仅只占全球的7%,所以我国8成以上的锂都依赖进口。

然后是钠离子电池的安全性高。根据相关研究者的论文描述,钠离子电池的稳定性极高,可以实现超快速充电能力,并且5-10分钟就可完成一次充电。另外钠离子电池可在-40°C至80°C的温差下正常使用,并且在低温环境也能保持较高的电池容量。



经过测试现有的钠离子电池,已知可在-20°C的条件下,电池容量保持在88%以上,一般的锂电池只能保持在31.5%左右,只有特殊的低温锂离子电池才能保持到80%以上。

最后是储能需求,电力最大的问题就是难以储存,所以一个国家对于储能电站的需求是极为旺盛的,但是以前的电池成本过于高昂。除了应急设施,很难大规模使用储能系统。



钠离子电池的出现,有可能大幅降低电池制造成本,让建设大型的电力储能设施成为可能。在今年6月,我国打造的首个1兆瓦时钠离子储能系统,在山西转型综合改革示范区投入使用,可大幅缓解周边区域电力高峰时段电力紧张的问题。

整体看钠离子电池的优势非常明显,然而不能忽视的是,钠离子电池的循环寿命远不如锂离子电池,目前现有的钠离子电池寿命大约是锂离子电池的65%,同时钠离子电池能量密度也比锂电池低20%左右。



所以现有的钠离子电池很难应用于手机和新能源汽车上,只能用于低速电动车等设备。现在钠离子电池应用范围有限,那么为何我国众多企业还要大力开发钠离子电池?

我国为何大力研发钠离子电池?

钠离子电池在国内一直颇受重视,从事相关技术研究的科技企业和研究机构并不在少数,目前已经达到 20 多家。在钠离子电池产业中,我们绝对属于领先位置。早在2019年我国就建成了全球第一条钠离子电池生产线,并成功实现钠离子电池的量产。



随着我国各单位和企业在钠离子的研究投入越来越大,其相关配套和技术也越发成熟。但是综合来看,钠离子电池的使用场景还没有被充分挖掘。为何我国要率先布局钠离子电池?



第一点就是钠的数量多。钠的可探明储量大约是锂元素的 1000倍以上,因为较为容易得到,受到市场的波动小。反观锂电池的原材料波动太大,价格太贵。光是锂电池正极关键原材料碳酸锂、氢氧化锂的价格,2020年的每吨4万元一下翻了番,涨到每吨9万元左右。并且这种增幅短期很难下调,很有可能今后一段时间会持续维持在高位。

电池价格暴涨,也导致特斯拉也罕见涨价。特斯拉Model Y的价格,每台上涨8000块。不仅如此,电瓶车的价格也大幅增长。因为电瓶车的电池成本占到整车成本的四分之一左右,所以电瓶车价格也普遍增长了20%左右,涨幅在400元左右。



第二点就是钠离子电池的成本优势。目前最便宜的锂电池中的磷酸铁锂,成本区间在0.5-0.6元/wh。但是钠离子电池量产时,成本有望降低到 0.2-0.3元/wh。随着钠离子电池的普及,一方面会推动铅酸电池的淘汰,另一方面也会在电瓶车等低速运输工具上使用,降低电瓶车价格。



第三点就是原材料的选择。用于锂离子电池生产核心原材料中的钴和镍,产区也集中在海外。全球已探明的钴储量大约有700万吨,而我国的钴储量只占1%,仅仅8万吨左右,这也导致90%的钴资源依赖进口。



而镍的储量在我国储量也不丰富。已知镍储量大约在300万吨,但我国对于镍的需求却很大,进口数量依旧不菲。我国主要应用于冶金工程,其次是电池制造。目前我国的主要进口来源是菲律宾和印尼。然而,印尼在2019年年底宣布禁止镍矿石出口,也让镍的价格大幅提高。一些电池公司,都将工厂开到了印尼,其中就包括最大的锂电池生产商宁德时代和韩国LG化学等。



疫情期间的价格更是大幅增长,不过在今年第一季度却遭暴跌。随着全球开始逐步恢复经济,钢铁需求大幅增长,价格也是快速上升。

总体来看,我国对生产电池原材料的稀有矿产需求较大。纵观全球矿区,大多数稀有矿产的产区,被西方矿业集团牢牢把持在手中,相关原材料的定价权也被西方国家所掌握。当我们需求增长时,很容易被西方企业恶意哄抬价格,导致我国制造业发展颇受掣肘,严重的话甚至阻碍国家发展。



而钠离子电池的不同之处,就是正极材料不用钴,镍,而是采用成本更低的铜铁锰等金属,所以钠离子电池比锂离子电池更加具备成本优势,在国内企业获取原材料也更加容易,受国外干扰更小。不过目前钠离子电池还没有全面普及,国内主流电池还是锂离子电池。



我们该如何面对西方的垄断?

西方发达国家从去年开始纷纷大幅增发钞票,企图通过“开闸放水”缓解经济下行。尤其是美国从2020年3月至10月,货币供应链增长了40%,增发了约4.5万亿美元,这些钱很大一部分流入了大宗商品,导致原材料大幅增长。



加上这几年,我国新能源汽车需求大幅增加。在2020年,我国新能源汽车购买量实现了10.9%的增速。尤其是到了2021年,购买量更是呈指数倍增长。2021年前四个月,我国新能源汽车销量就达到73.2万辆,增长了257.1%。需求暴涨,也导致电池价格大幅增长。

截止2021年5月,相关数据显示,我国动力电池容量已经高达9.8GWh,增长178.2%。不光我们这需求旺盛,远在西边的欧洲国家也没闲着。2019年对,我国在欧洲动力电池的销量占我国总销量的四分之一,增长了58.6%。而欧洲2020年新能源汽车销量增长142%,到达136.7万辆,成为全球第一大新能源汽车市场。



由于疫情,各国开始实行封锁,大批的厂区停产。尤其是刚果(金)的钴产量占全球产量的67%,并且刚果出口的钴矿石,20%以上的产量属于非法盗采,而且依赖人工采掘,效率低不说,而且还存在严重的人道主义危机。比如有大量的孩子参与工作。所以近期刚果(金)开始建立国有矿业总公司,掌握刚果(金)的整条生产链,完全形成垄断,也推动了钴矿石的价格上涨。



当然受影响的不局限于电池领域。从2020年下半年开始,国内制造业所需的基础原材料价格,开始出现了全面大幅上涨的状况,并且持续到今天。钢材、铝材等部分原材料的价格,创10年内新高。这些因素导致制造业利润大幅下降,也间接推动了电池价格上涨。面对锂电池原材料价格居高不下的情况,我们该如何面对?



目前原材料价格的上涨,必然会大幅压缩利润率,导致中小型电池企业难以生存。好处也是显而易见的,会推动整个国家动力电池市场的集中度,避免竞争带来的价格下降,净化市场环境,也进一步降低了部分电池大企业的生产成本。

部分企业开始加大研发力度,希望提高技术水平,提高产品附加值或者降低生产成本,来实现降价。例如有些电池企业,通过提高电池密度,提高产品售价,减少产量,来降低企业成本,甚至还有部分企业更改材料配方,在保证产品质量不下降的同时,减少原材料的使用量来降低企业成本。



也有部分电池企业开始了调整产品结构,例如大力发展和推动钠离子电池,提高钠离子电池的普及率,电瓶车就可以大幅采用钠离子电池,一方面降低了生产成本,另外一方面又减少了对锂离子电池的需求。需求降低必然会导致原材料需求大减,促使电池原材料价格下降。

最关键的是钠离子电池与锂离子电池的生产类似,电池厂更换生产时,无需重新设计和制造生产线,只需要在原材料使用时略微改造生产线,就能实现快速生产,可大幅降低了企业的重置成本。



这也是近期钠离子电池受到重视的原因。然而,钠离子电池短期内是无法大面积代替锂电池。但是开发钠离子电池,一方面确实可以减少一部分产品对锂离子电池的需求,另一方面钠离子电池可作为未来电池的有效的技术储备和补充。谁也无法断定,未来有一天,钠离子电池是否可以取代锂离子电池。

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