替代锂的竞赛： 钠是电池的未来吗？

斯坦福大学领导的一项新研究显示，钠离子电池有望成为锂离子技术更廉价、更具弹性的替代品，但要获得市场竞争力，还需要重大的技术进步和有利的市场条件。多年来，大批电池工程师及其支持者一直在寻求制造出比主流锂离子技术更便宜的电池，希望从锂离子技术每年 500 亿美元且不断增长的市场中分得一杯羹。

钠离子电池有望成为锂离子电池更便宜、更可持续的替代品，但需要取得重大进展才能具备竞争力。 斯坦福大学的 STEER 研究强调，要降低成本，关键在于创新，而不仅仅是扩大规模。 图片来源：Jim Gensheimer

在 COVID-19 引发的矿产供应链挑战让锂价一路狂飙之后，研究人员、初创企业和风险资本家的最新宠儿--钠离子电池--受到了广泛关注。 然而，根据《自然能源》（Nature Energy）杂志上的一项新研究，钠离子电池要成为低成本竞争者可能还需要几年时间，并且需要一系列技术进步和有利的市场条件。

与锂离子电池相比，钠离子电池通常被认为成本更低，供应链更具弹性。 尽管钠离子电池潜力巨大，但仍面临着艰难的挑战。 钠离子电池每磅所能储存的能量往往低于锂离子电池。 因此，撇开材料价格可能降低不谈，钠离子电池存储单位能量的成本仍然较高。 这很可能会限制钠离子电池的广泛商业应用--除非首先在研究方面取得突破。

斯坦福大学多尔可持续发展学院的 Precourt 能源研究所与 SLAC-斯坦福电池中心合作开展了一项新研究，该研究强调了最有发展潜力的领域。 这项名为STEER的新计划对新兴能源技术的技术和经济潜力进行评估，并就能源转型的"建设内容、创新方向和投资方式"提出建议。 新研究评估了 6000 多个方案，以测试其钠离子电池竞争潜力路线图的稳健性。

评估钠离子电池的市场生存能力

"锂离子电池的价格在 2022 年首次上涨，这给潜在的替代品需求敲响了警钟。 钠离子电池可能是锂离子电池近期最有吸引力的挑战者，许多电池公司都宣布了大力发展钠离子电池生产的计划，有望实现比现有电池价格更低的途径，"该研究的主要作者、STEER 的创始人兼团队负责人 Adrian Yao 说，STEER 于 2023 年 10 月启动，得到了美国能源部三个办公室的支持。

"我们认识到，钠离子电池是否、何时以及如何在价格上压低锂离子电池在很大程度上是一种推测，特别是考虑到锂离子电池的价格持续下跌，"Adrian Yao说，他是一名博士候选人，在担任一家锂离子电池初创公司的创始人兼首席技术官八年后重返学术界，该公司目前正在大规模商业化生产其电池。

左起：研究作者 William Chueh、Sally Benson 和 Adrian Yao。 图片来源：Jim Gensheimer

Adrian Yao的博士合作导师是这项新研究的资深作者和STEER的联合主任：多尔可持续发展学院能源科学与工程系Precourt家族教授莎莉-本森（Sally Benson），以及工程学院材料科学副教授、SLAC光子科学和多尔学院能源科学与工程系副教授威廉-丘（William Chueh）。

Benson说："这项钠离子研究是启动STEER的完美契机，STEER是一种新的方法，可以引导研究和投资朝着最值得追求的技术路线图前进，更重要的是，它可以避免那些不太可能成功的技术路线图。"

为了在价格上进行竞争，特别是与锂离子电池的低成本变体--磷酸铁锂电池竞争，该研究为钠离子电池开发商强调了几条关键路线。 最重要的是在不使用关键矿物的情况下提高能量密度。 具体来说，开发人员应瞄准锂铁磷酸盐的能量密度，同时摒弃镍。 目前，大多数领先的钠离子设计都依赖于相对昂贵的金属。

Chueh说："不过，我们的主要目标并不是预测何时实现价格平价的具体年份，而是浮现各种市场情景对竞争技术可行性的影响。作为技术专家和投资者，我们不能假定，一旦设备实现商业化生产，规模经济总是会让价格暴跌。 是的，会有一个学习曲线，但在这里，我们量化了这个曲线，并证明它本身是不够的，在降低钠离子电池成本方面，工程技术的进步可能比简单地扩大生产规模要大得多。"

研究人员说，这种进步和新型电池化学物质一般都值得追求。 能源部的 2022 年储能供应链分析报告指出，电网储能系统技术的多样化可以提高整个供应链的弹性。 在全球向可持续能源转型需要更多储能技术的情况下，继续严重依赖锂离子电池将带来安全、经济和地缘政治风险。 例如，研究模拟了如果石墨（锂离子电池中使用的一种关键材料，中国控制着全球 90% 以上的供应量）发生供应冲击，钠离子的竞争力将如何加速。 事实上，2024 年 12 月 3 日，中国开始大幅限制向美国出口石墨，同时还禁止出口其他三种关键矿物。

研究还指出了可能影响钠离子与锂离子竞争的市场力量和供应链条件。 例如，如果锂的价格继续保持目前接近历史低点的水平，那么钠离子电池在未来十年的价格优势就会缩小。

"我们从行业从业者那里了解到的一个关键点是，虽然电池芯价格很重要，但技术只有在系统层面才能取得成功，比如电动汽车或电网规模的电池储能系统。 这就是为什么我们现在要扩大范围，提供更全面的视角，包括了解安全成本和其他系统考虑因素。"

STEER 已开始将其方法应用于其他技术领域。 其研究人员正在研究之前提到的、经常被忽视的关键矿物：石墨的供应链。 在 9 月于华盛顿特区举行的一次圆桌会议上，行业高管和能源部领导就应该提出和回答的正确问题提出了建议。 参加此次研讨会的有 40 多家行业组织，汇集了从采矿公司到汽车制造商的价值链，以及根据《两党基础设施法》（Bipartisan Infrastructure Law）获得资助的每一家石墨制造商。

本森说："得益于我们在行业、政府和其他研究机构中的合作者，STEER 能够识别出最有可能促进能源转型的路径，以及那些可能无路可走的路径。我们的团队结合了商业部署经验、技术路线图和系统思维。"

STEER 团队还计划分析长期储能技术路线图，以及氢能和工业脱碳等其他能源转型领域。

编译自/ScitechDaily