每日消息!科创未来｜四问“钠锂”之争：相争还是共舞？

• 2022-12-19 22:09:25 来源：川观新闻

近日，第十届科博会在四川绵阳举行，身居“主场”的四川长虹抖出许多“看家法宝”，钠离子电池是其中之一。“能量密度达到141Wh/kg，实测700次循环无衰减。”长虹新能源材料实验室首席科学家高剑告诉记者，这样的表现已经具有商业化价值。

(资料图片)

放眼全国，钠离子电池的热度正在快速攀升。作为锂电之“王”，宁德时代早在去年就发布了第一代钠离子电池，宣称其电芯单体能量密度可达160Wh/kg，将于2023年实现产业化；最近，同为锂电龙头的蔚蓝锂芯也宣布，拟与中科海钠联合开发圆柱形钠离子电池，而后者是国内第一家专注钠离子电池研制的企业，在最近一轮的融资中估值暴涨数倍。

龙头下场、资本追捧，令“钠锂之争”重现江湖。为此，记者走访了多位学术界和产业界的专家，请他们解析背后的理论、实践与争议。

一问

为什么是“锂”？

高剑的实验室位于成都高新西区，40多名科研人员分布在多台实验仪器前。他们正在尝试一种新材料，将其制成新的电芯，圆柱形、纽扣形、刀片形和袋装软包的样品随处可见。

“这是钠离子电池吗？”记者边看边问。

“不，是锂离子电池。”高剑回答，“锂是行业的主流，也是我们的主业。”

高剑说，小至手表、手机、充电宝，大至新能源汽车、光伏储能设备，锂离子电池无处不在。在消费电子、动力电池等领域，锂离子电池几乎是“一统天下”；在电动工具、储能设备等领域，锂离子电池也在“攻城掠地”。

据工信部统计，2021年我国锂离子电池产量324GWh，同比增长106%，其中消费、动力、储能型锂电产量分别为72GWh、220GWh、32GWh，分别同比增长18%、165%、146%。

为什么是“锂”？“天分高。”高剑打开元素周期表，3号元素锂位于左上角，是排在最前面的金属元素，“锂本身原子量小、活性高，且电极电位最‘负’，因此理论上可以做出能量密度更高的电池。”

高剑介绍，电池诞生200多年来，追求更高的能量密度是发展的主线，也就是用更小的体积、更轻的质量，储存更多的电量。电池的基本原理相通，不同的材料体系决定了能量密度的大小。锂元素被发现后，很快成了科学家追捧的理想材料。

“还有我们的努力。”中国工程院院士、有机高分子材料专家蹇锡高告诉记者，上个世纪90年代，索尼首先将锂离子电池推向商用，获得市场认可。此后，中国的锂离子电池产业逐渐起步，经历了从钴酸锂电池到磷酸铁锂电池、三元电池的迭代，特别是通过持续深化创新，近些年已凭借技术和产业链优势独占鳌头。

据统计，2014年以来，中国一直是全球最大的锂离子电池生产和制造国家。2014年，中国锂离子电池总体出货量在全球的占比为42.1%，这一数据在2021年达到59.4%。在这背后，先进三元电池、磷酸铁锂电池单体能量密度分别平均达到280Wh/kg、170Wh/kg，骨干企业电池系统循环寿命超过5000次，优势明显。

“基本上解决了‘续航焦虑’。”蹇锡高说，如今锂离子电池产业愈发成熟，可以说是“方兴未艾”，而由于新能源汽车等下游需求旺盛，锂离子电池的产能还在快速提升，技术也在不断进步，其主流地位难以撼动。

二问

为何还要“钠”？

走到最后一个实验室，高剑终于展示了他的钠离子电池。这是一块袋装软包的电芯，外边由银白色的铝塑膜包裹。“这不是实验品，已经是工程化的样品，拿来就可以用。”高剑说，几年前，学术界对钠离子电池的研究大多停留在实验室，发表论文就算大功告成，而如今的研究已经瞄准产业化，“尽管市场前景还有争议，但发展钠离子电池已经不是纸上谈兵了。”

锂离子电池方兴未艾，为何还要发展钠离子电池？专家从两个角度进行了解析。

首先看锂。锂是做电池的理想材料，但在专家看来，还称不上“完美”。“在地壳中，锂元素并不算丰富，锂资源越来越紧俏。”四川大学化学工程学院副院长、教授郭孝东说，如今的锂被称作“白色石油”，正是由此得名，“75%以上的锂资源都用作了锂离子电池，随着新能源汽车等行业快速发展，以后的需求还会不断放大。”

郭孝东表示，锂资源供应的紧张状态，让碳酸锂的价格在最近两年节节攀升，从每吨几万元跃升至每吨数十万元，带动了整个产业链的价格上扬，对产业健康发展有明显的副作用。

“还要关注锂资源的分布。”近日，在第二十届海科会上，中国工程院院士、轻金属专家潘复生也专门提醒，由于我国锂资源储量不足，目前国内生产锂离子电池材料的碳酸锂，绝大多数都来自国外进口，存在被“卡脖子”的风险，因此要努力寻找新的替代资源、确保安全。

再看钠。蹇锡高表示，钠是地球上含量最丰富的元素之一，例如海水中就有大量的钠盐，其开采、制备过程也更为简单，因此能够有效解决资源不足和分布不均的问题，在成本方面拥有明显优势，“现在锂的价格越来越高，钠的成本优势会更加明显。”

此外，钠的理化性质与锂相似，也是吸引研究者的重要原因。“在元素周期表中，钠与锂是‘邻居’，都是Ⅰ族的金属元素。”高剑说，由于都是“摇椅式电池”，两者背后的原理相同，锂离子电池的成功，也为钠离子电池的开发提供了许多成熟的思路，例如在材料体系的设计上，如今的钠离子电池大多都参照了锂离子电池。

三问

研究进展如何？

尽管理化性质相似，但钠在锂面前，短板明显。高剑介绍，由于原子量更大，钠离子的半径比锂离子大。“储存相同的电量，需要迁移的离子个数一样，但钠离子电池所需重量要更大。”高剑说，因此在相同条件下，钠离子电池的能量密度比锂离子电池低，“要赶上这个差距，很不容易，但我们可以努力靠近。”

如何追赶？关键依然是材料。

高剑介绍，在这其中，正极材料对能量密度的影响最大。根据成分，主流钠离子电池正极材料可分为过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系，可大概对应锂离子电池的三元正极材料、磷酸铁锂材料和有机材料。“锂离子电池提供了思路，钠离子电池还需要根据自身特点来调整。”高剑说，目前国内学术界和产业界对三种正极材料都有所涉及，有的已经走出了实验室。

根据锂离子电池的思路，郭孝东和同事曾尝试用磷酸铁钠代替磷酸铁锂，但由于磷酸铁钠的活性降低明显，于是沿着这个思路继续尝试，最终发现用磷酸钒钠的效果很不错。“四川钒钛资源丰富，这样的尝试很有意义。”郭孝东介绍，除此以外，团队也在尝试其他的材料体系设计，目前取得了不错的效果，将在合适的时候报告。

除了追求能量密度，循环寿命也是重要目标。高剑介绍，钠离子电池的充电工程，是将钠离子嵌入负极的过程，由于钠离子的个头更大，嵌入负极更困难，循环寿命自然也比锂离子电池更短。

“负极也要尝试新材料。”高剑说，这种新的负极材料已经完成制备，正在进行测试，有望大幅缩小与锂离子电池循环寿命的差距。

蹇锡高和同事准备换一种思路。“能够充放电的不只有电池，还有电容器。”蹇锡高说，他的团队正在开发一种钠离子超级电容器，其能量密度可以与电池相当，且充放电效率有质的提升，“普通的电池快充，在电容器面前都是‘小巫见大巫’。”蹇锡高透露，开发钠离子超级电容器的关键是找到一种高性能的储钠材料，而最近团队已经有所突破，去年已经向学术界报告。

四问

四川如何应对？

近些年，锂离子电池产业在四川发展迅猛。据统计，四川省现已具备锂矿年开采能力150万吨，基础锂盐产能24万吨，正负极材料产能125万吨，动力电池产能100GWh。预计到2025年，四川动力电池产能将达到350GWh。

在此基础上发展钠电产业，具有哪些优势？

“四川硬岩石锂矿占全国锂矿石资源量半壁江山。”高剑说，这是四川锂电产业的基石，发展钠电产业没有这样的先天优势，但四川钒钛资源丰富，可能在以后的钠电产业发展中带来较为明显的资源优势。

再看产业链。从锂矿开采到基础锂盐、正负极材料、动力电池，四川锂电产业的产业链上下游完备，已经在一定范围内形成了成熟的分工协作。“锂电和钠电原理相同，生产工艺相似。”高剑说，在锂电生产线上稍作调整，就能实现锂电和钠电通用，有利于钠电产能快速提升。

“人才也是优势。”蹇锡高表示，随着锂电产业发展，四川已经聚集了一大批专业人才，在四川大学、电子科技大学等高校中也有不少创新团队，锂电和钠电的创新成果不断涌现，为产业发展奠定了基础。

不过，在锂电产业优势明显的大背景下，是否发展、如何发展钠电产业，大家还存在许多争议。

“首先是对钠电的定位，是对锂电的取代，还是对锂电的补充？”高剑说，在他看来，由于在能量密度和循环寿命上仍然存在明显差距，未来锂电仍将是电池的主流，而钠电需要在一些细分市场找到自己的立足之地，“例如对能量密度不太敏感的光伏储能，以及对循环寿命不太敏感的电动工具，都可以是钠电的用武之地。”

在钠电中，钠的成本只是电池成本的很小一部分，由于尚未规模化应用，钠电的成本优势目前还不明显。蹇锡高建言，当前应该积极研究、谨慎布局，重点鼓励前沿创新研究，夯实产业基础。

争议之下，这样的共识明确：锂电这个主业不能丢。专家建言，发展锂电和钠电产业，要在“主业+副业”的格局下开展。“就像我们实验室，主业还是锂电的创新研究，要继续向理论极限逼近。”高剑说，在此基础上开展的钠电研究，重点面向细分市场，着眼于未来，“当锂资源真正进入枯竭阶段，这样的技术储备就能发挥大作用了。”

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