寧德時代發(fā)布了新一代鈉離子電池。

眾所周知，目前最主流的電池是鋰離子電池，原因有很多，比如鋰最輕，以及鋰可以形成最高的電池電壓。但鋰的缺點也很明顯：地球上的儲量太少，因此價格很高。于是，鈉離子電池的概念應運而生。

鈉離子電池并不是新鮮概念。早在20世紀70年代就有類似的概念提出，畢竟這個思路太自然不過了——鈉和鋰是最接近的堿金屬元素，而且鈉在地球上的儲量實在非常多，這個看看家里的鹽罐子就知道。

但是鈉也存在一些與鋰不同的性質：鈉比鋰的電位稍微“正”了一點，因此電池的能量密度會降低一點；

（從這張圖里還可以看到其他有研究潛力的電池體系，如鉀離子電池，鈣離子電池，鎂離子電池等）

另外，鈉比鋰的原子尺寸也大了一點，也重了一點。

也因此導致了鋰離子與鈉離子電池的諸多不同。

首先是兩者使用的材料不同。由于原子尺寸大了一點，容易卡在材料內部出不來，可以供鋰離子存儲的正負極材料通常無法供鈉離子使用。因此關鍵在于開發(fā)新體系的正負極材料，正如寧德時代董事長曾毓群所說，“有人在議論，電池的化學體系已經很難創(chuàng)新了，只能在物理結構上做些改進；我們認為電化學的世界，就像能量魔方，未知遠遠大于已知，我們樂此不疲地探索其中的奧秘?！?在這里，也對這些孜孜不倦研發(fā)材料的科學家和工程師們表達我們的敬意。

在多種鈉離子電池用正極材料體系中，寧德時代選擇了“普魯士白”體系。這類材料具有克容量較高，不含貴重金屬因此價格很低，以及電壓平臺很高等優(yōu)點：

可見材料為白色粉末狀。

Mn摻雜使得材料電壓平臺（相對于鈉金屬）高達3.7V，有助于實現電池的高能量密度

但其缺點也很明顯：其本身的晶體結構不是很穩(wěn)定，會在循環(huán)中發(fā)生結構變化，導致循環(huán)容量衰減；同時，普魯士白材料難以完全去除結晶水，會在循環(huán)中發(fā)生水與負極的副反應，引起電池產氣。從某種意義上來說，由于結晶水恰恰是穩(wěn)定普魯士白晶體結構的關鍵，這兩個缺點難以同時解決，如何平衡這兩個問題，就成為了鈉離子電池應用的關鍵。

也正因此，此前基本沒有廠商發(fā)布過循環(huán)可超過千次的普魯士白類正極材料。寧德時代自稱解決了這個問題，其通過材料計算方法進行了大量嘗試后對實驗方向進行了指導。至于其所使用的具體途徑，包括材料表面修飾和體相的改進，可以通過查閱其近期專利尋找線索。寧德時代此次發(fā)布的克容量160mAh/g與磷酸鐵鋰材料的克容量接近。但發(fā)布會并未提及電池循環(huán)壽命，因此還有待進一步了解。

鈉電的負極材料也與鋰離子電池不同。絕大多數鋰離子電池之所以使用石墨作為負極材料，是因為鋰離子可以與石墨形成LiC6結構的穩(wěn)定插層化合物。但石墨無法用于鈉電：其無法與鈉形成穩(wěn)定結構的化合物（這并非是由于鈉離子尺寸比鋰離子大，因為令人費解的是，比鈉離子更大的鉀離子卻可以與石墨良好兼容，其中的原因尚未得到解釋）。

因此，鈉電的負極材料研究共識為采用另一些層間距更大的碳材料，如中科海鈉發(fā)布的無煙煤基，以及此次寧德時代發(fā)布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同時實現了與石墨接近的克容量（350mAh/g）發(fā)揮，同時由于層間距較大等因素，原子可以快速進出層間，使得電池快充與低溫充放電成為可能。

硬碳儲存鈉的優(yōu)勢就在于其晶面間隙大，缺陷位置較多，因此可以容納較多的鈉。同時作為碳材料之一與石墨工藝接近，也因此成為了最主流的鈉電負極材料：

但實際上硬碳是一個比石墨門類廣泛得多的領域（所謂硬碳，即由于碳材料結構混亂，高溫燒結仍然不會形成石墨的層狀結構，如上圖。無煙煤基碳材料本質上也可以歸類為硬碳），此次發(fā)布會實際上并未透露所使用硬碳的具體信息。此外，由于硬碳材料較低的首次庫倫效率，會導致電池的容量低于同等條件下的鋰離子電池。

電解液語焉不詳。其可能與鋰離子電池使用的電解液差別不大，不過對于特殊的正負極材料需要使用特殊的添加劑及溶劑，以避免發(fā)生正極材料溶出等問題。

其余，隔離膜，殼體，集電體等結構可以與鋰離子電池相同。也因此，鈉離子電池可以使用與鋰離子電池接近的工藝路線進行生產，降低了工藝開發(fā)與設備改造的相應成本。這里還有鈉離子電池的另一個特點：由于鋰會與鋁箔發(fā)生反應引起合金化，因此鋰離子電池負極必須使用耐還原的銅作為集電體，而銅的密度是鋁的三倍多，增加了電池的重量同時提高了電池成本。鈉電中則不會有此問題，正負極都可以使用更輕更廉價的鋁作為集電體，也有助于提升電池重量能量密度并降低成本。

其次，至于鋰電、鈉電混用的BMS，個人認為其更接近于模組層面的并聯(lián)，通過控制充放電模式來分別對鋰電或鈉電模組進行控制。否則，由于鋰電與鈉電的不一致，會導致系統(tǒng)難以穩(wěn)定工作。

綜上分析，如果寧德時代的發(fā)布會內容為真實的，則其確實將鈉離子電池商用化推進了一步，但即使是從最基礎的材料層面分析，仍然遠不足以稱其為一個成熟可用的體系。其優(yōu)點在于，由于使用正負極材料容量均與磷酸鐵鋰電池類似，因此可以將其視為一種 “成本較低，容量稍低，能量密度稍低，循環(huán)性能未提供數據”的低成本磷酸鐵鋰電池，其優(yōu)異的低成本優(yōu)勢可在中低端領域發(fā)揮特長，取代鋰離子電池。但不足之處仍然很多而且短期內難以克服，如循環(huán)性能尚不清楚，能量密度仍然較低等，可認為其短時間內可能會應用于兩輪電動車等產品，而在電動汽車及儲能等應用尚需要進一步完善。這也就解釋了為何此次發(fā)布的電池包括圓柱電池和硬殼電池。

另外此次寧德時代僅透露了其電池的能量密度為160Wh/kg，卻并未提及另一個同樣重要的指標：體積能量密度。

由于汽車尺寸的限制，電池包的體積能量密度越高則可以容納更大容量的電池。這也是比亞迪發(fā)布刀片電池和寧德時代發(fā)布CTP電池的原因：通過省去電池的模組結構提高電池的體積利用率。也正因此，比亞迪高調宣傳其刀片電池可以實現體積能量密度提高50%（280Wh/L）的巨大優(yōu)勢。

而這恰恰是鈉離子電池的另一個巨大短板所在：由于所用材料普魯士白（1.8g/cm3）與硬碳材料（1g/cm3）的壓實密度都遠低于磷酸鐵鋰（2.4g/cm3）與石墨（1.7g/cm3）等材料，同時使用了更輕但更厚的鋁箔作為負極集電體，因此相同容量下電池的體積會遠大于鋰離子電池，粗略計算有磷酸鐵鋰電池的1.4倍左右（同體積容量是鋰離子電池的70%）。

這一點是由所使用材料體系決定的，因此短期內無解決的跡象。

以model3為例子，其NEDC里程為468km，若全部更換為鈉離子電池，其里程會下降到約327.6km左右，考慮到冬季加熱需求，冬季續(xù)航可能僅剩262.8km。但同樣地，其電芯的BOM成本也能降低約20%。

我們按照目前最新的電芯成本來看，方形磷酸鐵鋰的價格為617元/kwh，特斯拉Model 3標準續(xù)航升級版55度電芯的成本為33935元，如替換成鈉離子電池，電量按照70%計算為38.5kwh，成本降低20%為493.6元/kwh，實際成本下降到19003.6元。（降低14931.4元）

——這么看來，假設把當前Model 3的電池改為鈉離子電池，我們可以獲得一臺22.09萬，續(xù)航330km的model3，再考慮到這臺車的續(xù)航和標準續(xù)航版相比差異實在太大，以及特斯拉一直有大約20%的賣車毛利，所以這臺車特斯拉犧牲下毛利，是可以做到19.99萬的。

而根據很多專業(yè)機構的預測，隨著特斯拉第二工廠的建立、產能進一步擴大，標準續(xù)航版車型價格一定會降到19.99萬。

屆時按照特斯拉一貫的定價體系，如果有鈉離子電池的車型，這款車或許可以打到15.99萬的區(qū)間去。

——那么一臺15.99萬，春秋續(xù)航330km，冬季續(xù)航260km和標準版差不多的特斯拉，你會購買嗎？

這些數據或許暗示著，鈉離子電池最終的大規(guī)模應用可能在于儲能。或許未來，我們在用電高峰期使用的電能，就會有相當一部分由這些臃腫但廉價的鈉離子電池提供。

對于此次鈉離子電池的發(fā)布，我們的觀點是：請寧德時代提供電池的循環(huán)數據，同時提供的電池的體積能量密度數據，然后做進一步分析。

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