鈉和鋰同為IV族堿金屬元素,兩者的物理與化學性質非常相似,因此,鈉離子電池的工作原理也與鋰離子電池一樣,作為嵌脫式二次電池,依靠鈉離子在電池正負極之間的移動來充放電。充電時,Na+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,同時電子經外電路由正極到達負極完成充電過程;放電時Na+和電子的移動路徑則與充電時相反。鈉離子電池工作原理與鋰離子基本類似,這也給鈉電池的產業化打下良好基礎。
與鋰離子電池相比,鈉電池的優勢主要有三點:1、有更好的倍率性能,且能夠適應響應型儲能和規模供電。寧德時代研發的第一代鈉離子電池在常溫下充電15分鐘,電量即可達到80%以上。2、鈉電池適應溫域更為寬廣,寧德時代的一代鈉電池在-20°C的低溫環境中也可以擁有90%以上的放電保持率,而鋰離子電池在相同環境下放電保持率只有70%左右。3、鈉離子電池更為安全,主要原因有三:
第一,鈉作為鋰的下一周期元素,化學性質更為穩定;第二,鈉離子電池的負極集流體使用的是穩定性更好的鋁箔,鈉離子電池可以完全放電至0V再進行運輸,提高了運輸安全性;第三,鈉離子電池的內阻比鋰離子電池高,在短路時發熱量更少;不足則主要是受限于鈉離子本身的離子性質,能量密度較低,目前市場上的鈉離子電池能量密度只有80~160Wh/kg,略好于鉛酸電池,而差于鋰離子電池。
預計2023年各大鈉電池龍頭中試線、規模產線將陸續落地,行業規模開始增長。近年來,鈉電池實際產業化加速,鈉離子電池相關產品逐漸問世,相關技術水平不斷提升。2021年6月,中科海納聯合中科院物理所聯合打造全球首套1MWh鈉離子儲能系統;2022年1月,太陽能設備制造商BlueettiPowerInc發布了全球首臺鈉離子太陽能發電機BluettiNA300&B480;此外,日本電氣玻璃公司與美國NatronEnergy公司近期均研發出性能更好的鈉離子電池,研究成果還在繼續優化中。寧德時代發布公告,預計在2023年將完成鈉離子電池的重大產業鏈突破。
與鋰電池相比,鈉電池的單位成本更低,安全性更強,但受限于鈉元素本身的直徑影響,其能量密度要低于鋰離子電池。因此鈉離子電池在對能量密度需求不高,但對成本相對敏感的領域應用潛力更大,如分布式電網儲能、兩輪車、低速交通工具等。目前,儲能電站主要存在于可再生能源接入、家庭和工業儲能、5G通信基站和數據中心等,低速交通工具主要包括低速電動車、電動自行車、電動船舶和公共汽車與大巴。
儲能:行業高速發展,電化學儲能是應用范圍最為廣泛、發展潛力最大的儲能技術。全球新能源發電規模大幅增長,電化學儲能裝機規模一直保持高速增長的趨勢,未來隨著分布式光伏、分散式風電等分布式能源的大規模推廣,電化學儲能行業將面臨更廣闊的市場機遇。
動力電池領域:電動摩托市場將迎來換車高峰期,低速車應用開啟鈉電池增長空間。目前中國電動兩輪車的保有量為2.5-3億臺。2019年開始實施的新國標對電動兩輪車進行了更加明確的規定,考慮到各城市3-5年的響應時間,2021-2023年預計將為換車高峰期,電動兩輪車的需求可能在2023年達到頂峰。
同時中國電動兩輪車出口量不斷增加,2020年增速達到34.8%,進一步助推行業發展;而在低速電動車領域,2016年全國四輪電動車產量突破百萬,達到116.9萬輛,2017年受國標草案不明朗影響增速放緩,產量133.5萬輛,之后受行業整頓影響,產量開始縮減,至2021年產量僅為32萬輛。2021年《純電動乘用車技術條件》(征求意見稿)出臺,預計后續低速電動車產量將迎來上升趨勢,為鈉電池帶來增長空間。