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【钠电池】专家深度交流纪要
一蓑烟雨任平生2049
2021-08-26 08:52:10

今日,工信部披露了《关于政协第十三届全国委员会第四次会议第4815号(工交邮电类523号)提案答复的函》。

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工信部表示,将在“十四五”相关规划等政策文件中加强布局,从促进前沿技术攻关、完善配套政策、开拓市场应用等多方面着手,做好顶层设计,健全产业政策,统筹引导钠离子电池产业高质量发展。科技部将在“十四五”期间实施“储能与智能电网技术”重点专项,并将钠离子电池技术列为子任务,以进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化,提升综合性能。


主题:钠离子电池交流会纪要
嘉宾:胡勇胜,中科院物理研究所研究员

摘要:
钠离子电池必要性:
1)锂的储量有限:我们计算过把地球上所有的锂都拿来造车,也就是15亿辆左右,去年车总量是14亿辆,锂资源储量有限。
2)锂资源高度集中:我国仅有青海盐湖且质量不高提取难度大,矿石依靠进口,资源稀缺;碳酸锂被称为白石油,未来可能受政治属性影响,发展钠离子电池能避免我国未来电池产业卡脖子现象。
3)锂电产业链为钠电池提供基础:钠离子的话体系和锂离子电池是很像的,其制造装备生产设备都一样的,设备完全兼容,仅在工艺上有所区别,只需要把正极、负极还有钠盐产业化了就行,其他材料比如隔膜、溶剂和锂电池差不多。

钠离子市场定位:钠离子电池替代铅酸电池的市场,和锂电池形成互补,锂电池在未来很长一段时间在动力电池领域还是主流的,钠离子电池的话在储能领域会发挥作用。替代铅酸电池的时间点取决于钠离子电池什么时候能大规模量产。

电池表现:
1)能量密度:我们目前做到145,比铁锂低一些,但比铅酸40高4倍左右。宁德公布的是160。下一步提升到180,十四五结束之前也就是三年内做到,长期做到200。
2)循环表现:我们目前4500左右。
3)低温性能:零下20度90%。
4)充电速度:12分钟充满90%。
5)成本表现:正极用锰,负极用无烟煤,整体成本在3毛6到4毛之间,低于磷酸铁锂,且价格稳定,并不会像磷酸铁锂一样受到碳酸锂原材料价格波动。

技术路线:
正极:
1)层状氧化物:含铜材料,能量密度是最高的,重量和体积表现好。只要控制好成分比例,是比较容易做的,好量产。比例构成像三元的523,铜20%,铁30%,锰50%。海纳采用层状氧化物这一技术路线。
2)普鲁士白:容量能做的很高,能做到铁锂的容量,但最大的问题是晶格里有水,目前无简单经济的方式除水,且体积能量密度不会很高。
3)磷酸盐:价格贵,比磷酸铁锂贵很多,优点是稳定,循环高。
负极:
1)硬碳:价格贵,至少10万以上
2)无烟煤:性价比较高

中科海钠:
扩产进度:18年开始搭的产线,4个兆瓦时目前主要是试用,目前3期在建两千吨的正负极产线,下半年计划建设1gwh的电芯线,明年线应该会起来。
订单情况:不太敢接大订单,目前线还是比较小,需求还是很大的。
配套体系建设:正负极有自己的专利,目前是自建,后续应该是和其他企业合作。
未来规划:明年1gwh开始卖,2023年就是10gwh,后面扩产速度比较快,需求量在那里。
投资情况:10gwh的线需要和政府合作,投资额正负极一起10个亿,电池20-30亿。

正文
我想分为四个方面来介绍一下钠离子电池。第一个方面说为什么做钠离子电池这个事。第二是钠离子的研发现状是怎么样的,第三是我们国家钠离子研发处于国际什么地位,最后一个问题就是钠离子在哪些领域有应用前景。
 
第一,为什么要做钠离子电池,我们十年前就在考虑这个事情了,去年大家讨论的比较多,引领了新能源革命,包括三月的中央财经会议提出了构件以新能源为主体的系统,是国家第一次提,都是为了实现双碳目标。另外我们国家目前的能源现状是煤比较多,而且石油的对外依赖度很大占70%,所以很多年前就提出来要发展新能源车,是为了摆脱对石油的依赖。整体大的背景,要实现双碳目标的话比较明确的事情就是利用可再生能源发电,要大力的发展太阳能风能,但这些能源他是波动的,所以需要储能,储能发展了这么多年,有很多种技术,物理的技术、化学的技术、电化学的技术,物理的主要是以抽水蓄能,压缩空气储能,化学主要以氢为载体,电化学主要就是各种电池,电池很多种,现在主流的还是锂电池,在各种示范工程里面锂电池占了80%以上,有两个原因一个是融合度比较高,很容易组成模块做成很大的兆瓦甚至gwh的体量,也是比较容易的事情。另外一个电化学的转换效率最高,单体能达到95%以上,氢这些就没有电池这么高了。另外一个方面就是发展新能源汽车,现在动力的话最佳也是锂离子电池,主要是因为他的能量密度高,在所有电池里是最好的,但是现在有个问题,锂的储量有限。我们计算过把地球上所有的锂都拿来造车,也就是15亿辆左右,去年车总量是14亿辆,锂资源储量有限。另外一个就是锂资源高度集中,都在南美洲的几个盐湖里,我们国家的话都在青海,那如果拿来和南美洲比的话品质还是比较差的,提取难度大。我们现在主要是以矿石为主,但是我们的矿石又不多,主要靠进口。未来要发展新能源车和储能的话,锂的资源量是不够发展的的。现在电动汽车这块,美国拜登在这块很重视,他也承认美国在电动车这方面是落后于中国的,锂电池产量也比不过中国,宁德时代一家就占30%,所以他提出宏大计划,1740亿来支持电动车发展,他们预计2035年要达到50%的目标。今年欧盟过完年,电动车也开始补贴,一下需求量就起来了。为什么碳酸锂涨价呢,跟这个需求量就有关系,碳酸锂上次涨价是15年,从4万块,涨到了16-17万,翻了4倍,然后去年疫情就降下来了,今年又开始涨价了,还是没有解决产能的问题。我们考察了很多电池企业,电池发展历史这么长,有各种各样的电池体系,现在主要还是锂电池和铅酸电池,铅酸电池和锂电池比性能差的很远,而且还有污染的问题,铅酸肯定会慢慢退出历史舞台。我们经过广泛的调研,基本就是定在钠,钠资源够,分布广泛,也不会被资源卡脖子。像锂电池就是像芯片,如果美国想超过我们,什么手段都会用的,所以钠离子不会有这样的问题。钠离子的话体系和锂离子电池是很像的,他的制造装备生产设备都一样的,只需要把里面的正极和负极材料,还有钠盐产业化了就行了,其他材料和锂电池差不多的。锂离子电池的发展给钠离子电池提供了基础。
 
第二个问题,全球专门做钠离子电池的有二十多家,在这方面有布局就更多了,包括宁德时代最近发布的,也是在这方面做了布局。国际上最早的钠离子电池公司是2011年英国成立的,欧洲好几家,法国有一家,瑞典好几家,美国都有好几家,我们国家正式做钠离子电池的,包括做材料的电池的,有个4-5家了,还是比较多的。整体上,各国家政府都是高度重视这个钠离子电池,美国的能源部把钠离子电池作为一个重点来发展,欧盟的话2030年也是把钠离子作为后锂离子电池时代的重要支撑,我们国家16年开始也支持,只不过没有欧美力度大。最近的消息就是国家发改委、能源局出了个《关于加快推动新型储能发展的指导意见》这里面是国家第一次把钠离子列到计划里面了,要加快钠离子电池这种新技术的规模试验。今年政协会议上,我们通过委员也提了一个建议,关于我国发展钠离子电池的建议,最近也是得到工信部的回复,国家是支持钠离子电池的发展的,特别是储能方面,这体现了各个方面对钠离子电池发展的支持。
 
第三个问题,目前钠离子电池技术路线和锂离子电池一样,锂离子电池有很多种,钴酸锂、锰酸锂、三元、磷酸铁锂等等,他根据正极材料不同来区分的,钠离子现在也有三种路线,一种和三元一样的层状氧化物做正极,这个里面好几家公司都在做包括英国最早的公司,做行业的材料,我们开发出来的是含铜的材料,能量密度是最高的,重量和体积都是最高的。另外一个是普鲁士白,这个体系最早是19年获得诺贝尔奖的人15年发明的这个材料,日本夏普和美国有个实验室,那个实验室做的就是这个初期的软包啊什么的认证的,后来美国夏普的实验室关了就没有做了,后来就没做下去。宁德时代也是做了这个体系。这个体系容量可以做的很高,能达到磷酸铁锂的容量,这个体系最大的问题就是晶格里面有水,目前还没有简单经济的方式把水除掉。另外这材料和层状氧化物比的话密度差了一倍,体积能量密度不会很高。还有一类材料是磷酸盐,磷酸钠,我们12年的时候就做了,发现挺贵的,比磷酸铁锂贵很多,后来我们放弃了,这个体系的优点就是非常稳定,循环高,缺点就是贵。我们当初做的时候,我们也在尝试把这个体系做的更便宜。我们目前做的是氧化物,我们没有走国外的路线,像锂电池用的镍和钴,现在就是想走无钴电池,因为钴比较贵,所以发展高镍,能量密度高,当然镍也不便宜,10年前,我们就想能不能不用镍和钴,我们现在用的就是铜,现在是目前在各材料里面性能最优,性价比最高,我们这个专利在欧洲日本都是获得授权了。负极这一块,锂离子用的是石墨,钠离子用不了石墨,只能用硬碳这种材料,硬碳贵至少10万以上,和石墨比就会贵很多了,我们就像能不能用低成本碳材料,后来我们想用无烟煤做成碳,这样做成负极材料,这个性价比就是最高的。我们在15年拿出来国内第一块,各方面评价都不错,17年就成立了中科海钠,从材料到电芯到应用模组都是我们做的,当然有一部分是合作的。我们目前有一条线,正负极材料可以说市面上最大的,电芯的话能做到百万安时。18年起我们就去锂电池厂代工了,做了一大批电池。在性能方面的话,我们现在能能量密度做到145,比磷酸铁锂低一点,但是比铅酸高很多了,铅酸也就40吧,是4倍左右。循环我们做到4500左右,电池能快充快充,12分钟能充满90%,电池低温性能更好,低温依然可以放电,零下20度90%。安全性能我们做了,也很不错。综合性能是很好的,去年做了一个项目验收,我们目前是领先地位。宁德时代他是做到160,算是比较高的水平了,但是他们没有给循环,单从电池来看的话,很重要的就是循环,像锂离子电池600-700都能做,但是循环上不去,所以说他没有给循环就不能判断综合指标怎么样。包括成本这一块,我们如果做到规模化的话我们应该能比磷酸铁锂更便宜。示范这一块的话。从17年开始就装了自行车了,是国内第一辆自行车,18年做了微型电动车,装了5度电,跑60公里,全球第一辆钠离子电池的微型电动车。40度电以下,钠离子电池是有他的优势的,如果40度电以上的话可能还是锂电池好一些,他能量密度高更好一些,续航更长。钠离子电池未来主要就是储能领域是个很重要的领域,19年3月我们做了一个100度电的电站,如果要做可再生能源的储能起码要兆瓦时以上,所以我们做了一个示范,应该是世界第一个。总体上来讲的话,钠离子电池的优点,循环高四五千,低温的性能都还是比较强的,高功率,他能搭配高功率的充电。将来主要还是在储能领域应用,我先介绍这么多。

Q&A
Q:现在你提到的钠离子电池的能量密度,现在做到145,这个指标还有多少提升空间?
A:钠离子电池很早就有了,只不过91年锂电池商业化以后大家都做锂电池了以后,钠离子电池研发就放慢了,现在钠离子电池145的话,高低温和循环都考虑进去了,未来的话做到200吧,但是是个长期的过程,没有那么快突破,要正极做到200,负极做到400,需要的时间比较长,要考虑重量能量密度还要考虑体积能量密度。空间是有,145-200之间还有空间,下一步做到180左右,这个更现实一点,200还是难度比较大,如果做到180的话,能改变现在的格局了,因为磷酸铁锂就是180左右,如果钠离子做得到180的话基本上就和磷酸铁锂打平了,可能会有格局上的变化。
 
Q:这个能量密度到180的话大概在什么时间点?
A:3年之内,十四五结束之前,180wh每公斤是要兼顾他的循环和安全还有成本,都是考虑进去的。如果正极用锰,负极用无烟煤的话,这样的话能做到2毛6一个wh,材料成本,再加上制造成本,和锂电池差不多,1毛左右,这样加起来在3毛6到4毛之间,不会超过4毛的,现在磷酸铁锂肯定是超过4毛的是,所以他是有优势的,他不会像磷酸铁锂电池这样波动波动比较大,磷酸铁锂这个碳酸锂的价格波动很大,他受这个影响,今年碳酸锂就涨到9万了,这会影响到电池的成本的,碳酸锂价格在未来的一段时间内不会平衡,这个东西和石油一样,他如果当作战略资源来抢夺的话就不会按照市场来走了,他有政治属性在里面,锂将来可能也有这样的情况。现在就有人说了碳酸锂是白色石油,我想钠离子电池的话就是未来没有这个问题,钠就是老百姓吃的盐,这总不可能去涨价吧。
 
Q:产业化的问题,海钠在扩产方面的进度?
A:18年开始搭的,正负极电芯百万安时,4个兆瓦时,主要还是试用。我们现在目前在3期在建两千吨的正负极材料线,也计划建一个1gwh的电芯线,下半年开始到位了,明年我们的线应该会起来。起来之后我们会做更大的线,这个需要和政府合作。
 
Q:我们这1gwh的产能,订单锁定了吗?
A:我们不太敢接大订单,现在线还是比较小,接了订单交付不了的话也不好,还是有很大的需求的。
 
Q:我们配套的体系,我们的正负极都是有自己的专利的,后面的材料是我们自建还是和别人合作?
A:目前是自建的,后续的话应该是和别人一起做的,我现在有个梦想,就是钠离子电池我们国家率先实现产业化。因为锂电池之前都是别的国家提出来,别的国家率先实现产业化的。
 
Q:宁德发布会的时候,有提到AB电池的继承方案,想请教一下,之后钠离子电池和三元和磷酸铁混在一起使用的方案是怎么样的?
A:是有可能的,看他怎么混,如果是一块一块电池混的话,因为钠离子电池有点不一样,这个要求很高,他们自己也说了。我倒是觉得在里面有两个系统一个A系统一个B系统,两个系统可以切换,发挥各自优势,低温的时候切换到B钠离子电池,A还是锂离子电池,如果一个系统里既有钠离子电池也有锂离子电池的话,这个对BMS系统要求很高,当然也是有可能的。
 
Q:钠离子电池的设备和锂电池的设备差异大吗?
A:完全兼容,设备一样的,只不过工艺有一些区别,但设备是一样的,所以说我们国家发展钠离子电池的基础好就表现在这里,我们国家锂电池产业链很完善。
 
Q:正极这边的话,您提的这三种方向,哪一种是更容易量产的?
A:我个人认为是氧化物,现在这个装备是现有的,把成分比例控制好了,做这个东西是很容易的一个事情,要是做其他,像普鲁士白的话,现在目前锂电池的正负极材料还没有这种工艺来做,很简单的来做,大量的设备是没有现成的,当然那个可能也不是一个很难的问题,也是化工上可以解决的。很重要的就是普鲁士白要除水这个要做好,加高温就分解了,它不像氧化物,这个实际上是没有的。
 
Q:氧化物的正极成本能降到多少?
A:2万左右,加上制造成本什么的。
 
Q:1GWH是要用多少正极材料?
A:2000吨左右,我没仔细算过。
 
Q:负极,我看由公司用了硬碳,后面这个有没有成本下降的空间?
A:是有的,是这样的,我们把容量规模化做大了是有可能的,现在贵可能还是现在规模小了,我们现在用无烟煤的话是最容易规模化的处理起来最简单的,用其他的来做的话比较复杂。
 
Q:用无烟煤的话性能上有什么区别呢?
A:就是成本低,容量也低一些。负极这块能提升的空间很大,18年我们把硬碳的容量做到400了,比现在石墨还高,石墨这个阶段我们还是没办法量产,各个工序还是比较复杂,能量密度提升和这个有关系。
 
Q:钠盐这边我们现在是外购为主吗?
A:我们合作的,现在国内有好几家都做的,多氟多、天赐他们都能做的。
 
Q:钠盐现在采购价格?
A:比六氟便宜很多,六氟这个东西成本有一半来自碳酸锂,我们算过,规模化以后会很便宜,电解液做到2万左右,是现在正常锂电池的一半。
 
Q:扩产的话,咱们这边的规划?
A:我们今年下半年就开始卖了,我们规划1gwh的产能。如果比较顺的话,会大规模扩产。
 
Q:有没有定一个目标到2025年?
A:明年1gwh卖,2023年就是10gwh了,这个做起来比较快,前面1gwh能做通的话,后面就是复制了,因为需求量已经在那里了。
 
Q:关于大规模量产,现在这个阶段产品的指标能达到什么水平,到后面10gwh的时候企业会关注制造能力和研发能力,这方面我们能做怎么样的储备?
A:研发这块我们很重视,一直在做,包括宁德也在做,我想宁德时代这次发布这个钠离子电池,这个是个好事,会促进产业的发展,可能会比我们想象中的快。宁德时代布产能的话今年会布到500gwh,比我们想象的快得多。
 
对于未来的话,我们没有太多的选择,钠离子电池在新的电池体系里面,是最接近锂电池的,在锂电池30年发展基础上,钠离子电池的话是最接近产业化的,换一个角度来讲,现在二级市场主要是铅酸和锂电池的市场,但是铅酸电池和钠离子电池比是差的太远了,所以我们还是相信钠离子电池的发展的,虽然目前钠离子密度还是低一点的,但是你要这么想,我们国家锂电池的过程是先磷酸铁锂,后面三元替换了磷酸铁锂,因为三元密度高,但是现在磷酸铁锂又回来了,说明密度不是唯一的要求,不然就不是这个路线了。
 
Q:10gwh的电池线的规划和政府合作,也是落户三期吗,是我们自己投还是合作呢?
A:落在哪里我们现在也还不知道,我们希望落的地方能把钠离子当作名片来做,我们希望找一个这样的地方政府,这样的话这个推进速度会比我们想象的快。投资的话,正负极加起来10个亿投资,电池20-30亿投资,这个不是我们一家公司可以投的,是要合作的。
 
Q:我们考虑技术、量产、工业化等因素,未来五年钠离子电池和锂电池的市场比例结构?
A:钠离子电池替代铅酸电池的市场,和锂电池形成互补,锂电池在未来很长一段时间在动力电池领域还是主流的,钠离子电池的话在储能领域会发挥作用。
 
Q:在什么时间点能替换铅酸呢?
A:电动自行车用5年,需要两块铅酸电池,钠离子电池的话只要一块,他的经济性更好,钠离子的密度、安全性、充电的速度都完胜铅酸,未来成本规模化以后是可以接近铅酸电池的,现在铅酸电池是政府驱动的,收税什么的,未来会是一个市场行为。什么时间替代呢,主要取决于钠离子电池什么时候能大规模量产。
 
Q:这个互补关系,是为什么互补呢,是应用场景的互补吗,之前提到的和锂电池混合这个又是什么情况呢?
A:一个是钠离子会替代铅酸,锂离子不能全部替代。第二就是电动汽车锂电池就不够用了,那储能怎么办,储能市场比电动车市场更紧张,这其他东西都一样,就是把锂电池换成那电池就行了,他现在的BMS,热管理这些成套的东西都是可以直接用的,归根结底就是锂电池如果没有锂资源的问题的话,钠离子估计还是没有这个机会的。
 
Q:新能源汽车混合动力这个是什么情况呢?
A:这个是宁德时代方案提出来的,我想的是车放两个电池,一个锂电一个钠电。我觉得还有一些低端的电动车,比如五菱,用锂电池就是杀鸡用牛刀了,未来锂电池还是往密度高方向走,钠离子电池还是主要往价格低去做,考虑经济性,
 
Q:钠离子不能完全替代锂电池的核心?
A:能量密度是比不过锂电池的,当然如果未来我们真的把180的密度做出来了,跟磷酸铁锂扯平了,那格局就又不一样了。现在新能源车主要就是三元和磷酸铁锂的,将来谁会胜出是不知道的,还有个固态电池在后面,如果钠离子电池之后密度做上来了,而且电池不会随着原材料价格涨价,如果我是车企的话,我肯定会选一个价格稳定的,最终还是看性价比。
 
Q:体积能量密度,能做到什么水平?
A:我们现在能做到250,锂电池的磷酸铁锂能做到350左右,有点差距。宁德时代那个没公布,我不清楚,算一下的话密度应该不会很高,后面提升空间比重量能量密度更快一点。这个做到300应该更容易一点,因为现在很多工艺都还没有做,空间很大,提升会比较快。
 
Q:正极材料,各种金属材料的比例?
A:有点像三元的532,铜20%,铁30%,锰50%,基本上这个比例,铜虽然贵,但是是镍的一半,是钴的四分之一。
 
Q:中科海纳的技术水平相对宁德时代?
A:我们的能量密度会低一些,当然这个没有本质差别,其他方面我们的低温会更好,我们的循环能做到4500,宁德时代没有公开循环,不知道他们是什么水平,去年科委的项目验收,专家们说的如果综合指标的话,我们是国际领先的,要是让我们做到160密度,我们也做得到,但是综合来看不是最优的。
 
Q:材料方面,正极材料铜铁锰,如果放量的话,会找一些化工厂合作,这个找哪一块的化工厂?
A:现在是这样的,第一个阶段是我们自己在做,第二个阶段,我们现在和很多家谈,还没有形成意向。
 
Q:电解液这块和溶剂和现在锂电池差别大吗?添加剂VC这种会用到吗?隔膜这块是一样的吗?
A:差不多,添加剂少用,溶剂差不多。隔膜一样的。
 
Q:安全和铁锂比?
A:我们现在能量密度比铁锂低,现在安全性主要和密度挂钩,我们测试过来目前安全性还是不错的。
 
Q:关于能量密度和循环的提升路径?
A:能量密度主要还是正负极材料的工作,如果要到200的话,正负极要200和400,这样才能实现,如果负极到450的话,正极可以低一点。到180的话,3-5年之内是比较现实的。负极做到400的话,正极做到180左右,就能够密度做到180。
 
Q:如果参考锂离子的话,就是掺一些金属?
A:对的,用合金的话,负极能做到450。电池要做到180的话,负极450,那么正极160就够了,这个都是可调的,看怎么样组合。
 
Q:循环寿命上的具体提升路径?
A:正负极表面有一层膜,这个膜很重要,他稳定了寿命就上去了,主要还是考虑用什么添加剂来优化。
 
Q:铜箔和铝箔,我们现在使用铝箔替代了铜箔?
A:对的我们正负极都用铝箔,这也是我们的成本为什么低。
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