宁德时代的无负极电池，能否颠覆传统锂电池行业，加速钠离子电池时代的到来？

导语：

不虚言，只为真相。

出品：电动势

作者：小龙 小杰

近日，宁德时代的《钠金属电池，电化学装置》专利引发各大媒体热议，认为这是一个颠覆传统电池行业的巨大变革。根据公开专利信息查询发现，宁德时代于2021年6月26日申请此项专利，公告日期为2021年9月28日，申请号为：CN202110742607．7，目前该专利仍在审核中。

这个于9月底公开的专利申请信息，在近日首先被金融界媒体如上海证券报等报道后，在各个平台引发热议。宁德时代的股票行情也在去年12月以来一个月总体持续走低的趋势后，于1月11日起总体开始稳步走高。

要说大家之所以这么专注这个专利，其中涉及两个关键点，一个是钠离子电池，一个是钠金属电池。简单来说，钠离子电池就是把现有锂离子电池中的锂离子换成了钠离子，由于钠元素的储量丰富且价格远低于锂，所以被认为是最有前景的下一代储能电池。而这里的钠金属电池就是大家热议的无负极电池。尽管钠离子成本低廉，但目前能够实现的能量密度却并不高160 Wh／kg，但是钠金属电池技术则可以在一定程度上大幅提升其能量密度，有望突破200 Wh／kg。因此，这两项技术结合在一起，业内人士认为这是一个颠覆传统锂电池行业，或者改写历史的一个关键进程，意味未来钠离子电池时代将更快到来。  

就这两个关键点，我们逐一来分析一下。

1、钠离子电池的魅力

7月29日，宁德时代成功举行了首场线上发布会，董事长曾毓群博士发布了宁德时代的第一代钠离子电池，同时，创新的锂钠混搭电池包也在发布会上首次亮相。作为宁德时代创新技术产业化的又一里程碑式成果，钠离子电池将为能源清洁化和交通电动化提供全新解决方案，推动“碳中和”目标早日实现。

发布会上有两段话笔者觉得很有深意——“能源是人类社会发展的物质基础，所以能源的历史也是人类社会发展的历史。”“能源转化和存储是新能源发展的核心。”

从石器时代开始人们学会利用天然火源，再学会钻木取火，到现代文明利用化石能源为基础的蒸汽机时代，第二次工业革命的电力能源时代，以及目前迅猛发展的新能源时代。人类社会的发展与能源的迭代环环相扣。

图1：宁德时代第一代钠离子电池与磷酸铁锂电池性能对比

其实真正追溯起来，早在上世纪80年代，钠离子电池和锂离子电池的研究是同时起跑的，但是受限于钠离子电池远低于锂离子电池的性能，尤其是能量密度，目前第一代钠离子电池能量密度为160 Wh／kg（目前为全世界最高）， 但相比磷酸铁锂和三元还是矮个子，要知道三元高镍锂电池的极限能量密度有望做到350 Wh／kg，第一代钠离子电池只能欺负下铅酸电池（能量密度约60 Wh／kg）。所以钠离子电池长期无人问津。直到2010年前后，研究出了比较靠谱的钠离子电池正极材料以及电解液，钠离子电池才迎来了比较大的发展。

图2：钠离子电池和锂离子电池区别，资料来源：中科海纳

图 3：（a）可充电电池的能量密度

（b）地壳中元素的丰度

随着数码、交通等产业对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题。钠离子电池的研究开发在一定程度上可缓和因锂资源短缺引发的电池发展受限问题。

图4：钠离子电池原理

从原理上来看，钠离子电池和锂离子电池本质上是一样的，在充放电过程中通过正负极材料钠离子的脱嵌过程形成电流。但是钠离子与离子最大的不同就是，钠离子的直径要大锂离子很多，就相当于一个胖子，那么同样的通道，钠离子在通过的时候，就会变得更加困难。而且在多次脱嵌过程中，容易导致负极石墨结构的坍塌。

由此就又引发了钠离子电池循环稳定性的问题。假设以容量损耗20％为寿命截止点，锂离子电池循环充放电上千次甚至数千次都问题不大（甚至有充放电几千次容量损失接近0的），而钠离子电池一般充放电几百次就衰减到20％了。归根结底，原因还是钠离子尺寸比较大，在材料中嵌入、脱嵌的时候容易导致电极材料体积膨胀、材料破碎、嵌入的钠离子脱不出来等问题，导致不可逆的能量损失。

图5：不同元素的原子以及离子尺寸大小