为什么钠电无法在动力电池和储能领域击败锂电

从第一性原理拆分钠电无法在动力电池和储能领域击败锂电的原因

用Chemical & Engineering News的原话来总结：如果把电池比作赛跑选手，那么钠离子电池就像一名身材走样、气喘吁吁、已经与领跑者（锂离子电池）拉开差距的运动员（毫无胜算）。

基于电池的基本结构与工作原理，钠与锂的基本化学属性差异：钠电不论是技术路径的不确定性（决定了厂家投入和大规模商业化的不确定性），还是所谓的可替代性（单体积能量密度硬伤），安全性（失控温度与锂电近似，绝对放热量近似）与经济性（储能成本敏感，钠电LCOS甚至高出28-78%），没有一个点可以证明钠电在动力电池领域和储能领域有机会取代锂电。
1.电池的基本结构和工作原理

1.1基本结构

正极：存储和释放正离子 Li⁺，Na⁺，常见包括LFP磷酸铁锂，NCM镍锰钴三元，普鲁士蓝，普鲁士白

负极：充放电过程中存储和释放离子（Li⁺，Na⁺），常见包括石墨和硬碳

电解液：锂盐和钠盐，有机溶剂，只能传导离子，不传导电子e⁻

隔膜：物理隔绝正负极，允许离子通过，防止短路，需要高孔隙率

集流体：将电子引出电池，导向外部电机，常见铜箔 铝箔

封装：机械保护，提供安全结构，常见 圆柱形 方形 软包

1.2电池工作原理

放电时：离子（Li⁺，Na⁺）通过隔膜抵达正极，电子e⁻无法通过隔膜，只能走外部导线流向正极，从而驱动电机

充电时：电子e⁻被推向负极，离子（Li⁺，Na⁺）通过隔膜回到负极，嵌入石墨/硬碳结构中，电池回到高能量状态

负极表面有一层SEI膜（纳米级），在首次充电时快速形成，作用是让离子通过而隔绝电子，从而防止电解液持续分解，这是决定电池寿命和安全性至关重要的一点.

2.钠/锂的原子尺度物性差异

锂是元素周期表第三位，钠为第十一位，锂的标准电极电位为-3.04V，而钠为-2.71V，锂的电势坡更高，意味着锂电每搬运一个电子e⁻，能够做的功（输出的能量）更大。

同样的，Na的原子量为22.99，Li为6.94，钠原子是锂的约3.3倍，意味着同样1e⁻，钠电需要在电池体系中塞入更多更重的结构材料。

钠的离子半径更大，因此导致了正负极需要更加疏松，孔隙率更高，疏松结构决定了钠电的压实密度更低，单位体积的能量密度天然的更低！

3.钠电对比锂电的主要劣势

->对于动力电池

3.1技术路线未收敛

根据Chemical & Engineering News的25年报告，目前钠电的技术路径甚至都存在争议，

①正极层状氧化物路线的压实密度高，但是成本高，对界面稳定，电解液等敏感；

②正极普鲁士蓝/普鲁士白路线，成本低，但是天然的压实密度低，系统密度上限受限，没错！就是某家昨天钠电上车用的技术路线，我很好奇在钠电中都算低端的技术路线，你为了堆单重量能量密度，到底把体积做到了多大？（详见3.3计算）

其实这篇文章写到这里就可以结束了，一个路线都未收敛的技术，哪家厂商会砸重金投入，来替代成熟的锂电？又谈什么大规模工业化

3.2钠电没有更安全

在明火事故中，安全性评价指标并不是电池本体储存的电能，而是电解液+塑料等聚合物燃烧释放的能量，根据OSTI文献，锂电每KG的燃烧能量在4-4.5MJ（百万焦耳）；而钠电，由于技术路线决定了电解液高出60%，并且壳体/隔膜等可燃成本类似，因此每KG的燃烧能量与锂电相似。可参考ScienceDirect披露的文献网页链接，容器燃烧实验中，虽然二者的峰压不同，但是总能量释放是可比的。

电池过热有两个阶段：自热开始和热失控触发

自热开始，电池内部发生放热副反应，产热超过散热能力，温度螺旋式上升，但是还未失控，此时需要电池BMS系统及时介入，通过降低功率，启动冷却等，有机会切断自热循环，从而避免事故。

触发热失控（BMS系统介入失败），电池内部开始剧烈放热，自加速且不可逆，温度和能量释放指数级上升。

自热触发区间：锂电 88.6°，钠电102°

热失控触发区间：锂电191°，钠电220°

两个触发阈值，钠电都比锂电高出10-20°，但是整车安全性比拼的其实是自热触发时，BMS系统能否及时介入并成功切断自热循环，一旦控制失败，进入到热失控阶段，190°和220°，有什么本质区别么？ 别忘了，大家的终局放热量是相同的。
*数据出处ScienceDirect文献，截图如下：

为了弥补钠电更加松散的天然结构劣势，工程上通常会采取提高孔隙率，使用更多电解液浸润（比锂电多60%），做厚级片来推高每KG能量，但是带来的后果是更低的压实密度，更高的可燃物基数（电解液）和更差的每体积能量密度。

3.3单体积能量密度硬伤

某家外网及内网宣传的Naxtra电池电芯能量密度为175Wh/Kg,这个数值看似已经和磷酸铁锂电芯能量密度接近了（LPF目前能做到200Wh/KG），但是动力电池更加看重的是单体积能量密度。

根据Chemical & Engineering News（美国化学学会主办）25年的报告，钠电池的体积能量密度要比锂电低20-40%（同样的结论可见Nature论文网页链接），意味着在计算同等kWh时，钠电的体积是锂电的1.25-1.67倍！

以一个60kWh的电池包为例，锂电LFP的体积约为280L，而钠电的体积按系数放大将达到350L~480L，相较于锂电多出了70~200L。在一个平均面积2-2.5㎡的车载电池包上，多出70-200L体积，意味着电池厚度高出3.5-8厘米！这已经是车载平台灾难级的水平了，只能花费十数亿去开模，重新设计车辆风阻和碰撞安全水平，重新工信部备案，请问哪家车企会有动力如此？

4.对于储能电池

并没有更便宜！

确实对于储能电池，体积没那么重要，但是储能及其的看重全生命周期的度电成本（LCOS），包括成本、效率、寿命、可靠性。锂电在过去的2-3年里，经过极致的技术迭代，已经将储能系统的平均价格卷到了$70/kWh，要知道2024年这个值还在$115/kWh。

根据出处为专门吹钠电的IRENA 与中国电科院 CEPRI 联合发布的（钠离子电池：技术简报）《Sodium-ion batteries: A technology brief》。钠电2022年的系统报价为$90-125kWh。有杠精要说钠电为什么拿22年的价格出来比锂电24年的价格，你说为什么？因为这几年没降低，拿不出来数据啊！

而且钠电的体积过大，在结构件消耗，运输吊装以及土建层面，都会增加额外的度电成本LCOS。

储能是一个对整体成本高度敏感的领域，具体可以参考我另外一篇文章的计算，电芯价格从0.75元/wh,0.81元/wh,0.92元/wh逐步的升级过程中，IRR从12%逐级下降为9.5%和6.2%。这里的价格上升幅度其实只有8%和22%。

按照钠电的成本$90-125，相当于比锂电成本$70高了28%~78%，价格在高于锂电28%时，IRR已经低于5%了，不存在投资价值！也就无法大规模商业化。

5. 循环使用寿命与长期衰减缺乏大规模验证

目前锂电已经可以做到15年使用寿命，上万次充放电循环了，钠电呢，还停留在22年的4000-6000次循环寿命，缺乏新的验证数据