寧德時(shí)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(diǎn)也很明顯：地球上的儲(chǔ)量太少，因此價(jià)格很高。于是，鈉離子電池的概念應(yīng)運(yùn)而生。

鈉離子電池并不是新鮮概念。早在20世紀(jì)70年代就有類似的概念提出，畢竟這個(gè)思路太自然不過(guò)了——鈉和鋰是最接近的堿金屬元素，而且鈉在地球上的儲(chǔ)量實(shí)在非常多，這個(gè)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(zhì)：鈉比鋰的電位稍微“正”了一點(diǎn)，因此電池的能量密度會(huì)降低一點(diǎn)；

（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(diǎn)，也重了一點(diǎn)。

也因此導(dǎo)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(diǎn)，容易卡在材料內(nèi)部出不來(lái)，可以供鋰離子存儲(chǔ)的正負(fù)極材料通常無(wú)法供鈉離子使用。因此關(guān)鍵在于開發(fā)新體系的正負(fù)極材料，正如寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群所說(shuō)，“有人在議論，電池的化學(xué)體系已經(jīng)很難創(chuàng)新了，只能在物理結(jié)構(gòu)上做些改進(jìn)；我們認(rèn)為電化學(xué)的世界，就像能量魔方，未知遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已知，我們樂(lè)此不疲地探索其中的奧秘?！?在這里，也對(duì)這些孜孜不倦研發(fā)材料的科學(xué)家和工程師們表達(dá)我們的敬意。

在多種鈉離子電池用正極材料體系中，寧德時(shí)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(jià)格很低，以及電壓平臺(tái)很高等優(yōu)點(diǎn)：

可見材料為白色粉末狀。

Mn摻雜使得材料電壓平臺(tái)（相對(duì)于鈉金屬）高達(dá)3.7V，有助于實(shí)現(xiàn)電池的高能量密度

但其缺點(diǎn)也很明顯：其本身的晶體結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，會(huì)在循環(huán)中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致循環(huán)容量衰減；同時(shí)，普魯士白材料難以完全去除結(jié)晶水，會(huì)在循環(huán)中發(fā)生水與負(fù)極的副反應(yīng)，引起電池產(chǎn)氣。從某種意義上來(lái)說(shuō)，由于結(jié)晶水恰恰是穩(wěn)定普魯士白晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵，這兩個(gè)缺點(diǎn)難以同時(shí)解決，如何平衡這兩個(gè)問(wèn)題，就成為了鈉離子電池應(yīng)用的關(guān)鍵。

也正因此，此前基本沒有廠商發(fā)布過(guò)循環(huán)可超過(guò)千次的普魯士白類正極材料。寧德時(shí)代自稱解決了這個(gè)問(wèn)題，其通過(guò)材料計(jì)算方法進(jìn)行了大量嘗試后對(duì)實(shí)驗(yàn)方向進(jìn)行了指導(dǎo)。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(jìn)，可以通過(guò)查閱其近期專利尋找線索。寧德時(shí)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(huì)并未提及電池循環(huán)壽命，因此還有待進(jìn)一步了解。

鈉電的負(fù)極材料也與鋰離子電池不同。絕大多數(shù)鋰離子電池之所以使用石墨作為負(fù)極材料，是因?yàn)殇囯x子可以與石墨形成LiC6結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定插層化合物。但石墨無(wú)法用于鈉電：其無(wú)法與鈉形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的化合物（這并非是由于鈉離子尺寸比鋰離子大，因?yàn)榱钊速M(fèi)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(fù)極材料研究共識(shí)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(wú)煙煤基，以及此次寧德時(shí)代發(fā)布的硬碳基材料。此材料在成本低于石墨的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了與石墨接近的克容量（350mAh/g）發(fā)揮，同時(shí)由于層間距較大等因素，原子可以快速進(jìn)出層間，使得電池快充與低溫充放電成為可能。

硬碳儲(chǔ)存鈉的優(yōu)勢(shì)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(shí)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(fù)極材料：

但實(shí)際上硬碳是一個(gè)比石墨門類廣泛得多的領(lǐng)域（所謂硬碳，即由于碳材料結(jié)構(gòu)混亂，高溫?zé)Y(jié)仍然不會(huì)形成石墨的層狀結(jié)構(gòu)，如上圖。無(wú)煙煤基碳材料本質(zhì)上也可以歸類為硬碳），此次發(fā)布會(huì)實(shí)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(kù)倫效率，會(huì)導(dǎo)致電池的容量低于同等條件下的鋰離子電池。

電解液語(yǔ)焉不詳。其可能與鋰離子電池使用的電解液差別不大，不過(guò)對(duì)于特殊的正負(fù)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(wèn)題。

其余，隔離膜，殼體，集電體等結(jié)構(gòu)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(jìn)行生產(chǎn)，降低了工藝開發(fā)與設(shè)備改造的相應(yīng)成本。這里還有鈉離子電池的另一個(gè)特點(diǎn)：由于鋰會(huì)與鋁箔發(fā)生反應(yīng)引起合金化，因此鋰離子電池負(fù)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(shí)提高了電池成本。鈉電中則不會(huì)有此問(wèn)題，正負(fù)極都可以使用更輕更廉價(jià)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(gè)人認(rèn)為其更接近于模組層面的并聯(lián)，通過(guò)控制充放電模式來(lái)分別對(duì)鋰電或鈉電模組進(jìn)行控制。否則，由于鋰電與鈉電的不一致，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)難以穩(wěn)定工作。

綜上分析，如果寧德時(shí)代的發(fā)布會(huì)內(nèi)容為真實(shí)的，則其確實(shí)將鈉離子電池商用化推進(jìn)了一步，但即使是從最基礎(chǔ)的材料層面分析，仍然遠(yuǎn)不足以稱其為一個(gè)成熟可用的體系。其優(yōu)點(diǎn)在于，由于使用正負(fù)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(shù)據(jù)”的低成本磷酸鐵鋰電池，其優(yōu)異的低成本優(yōu)勢(shì)可在中低端領(lǐng)域發(fā)揮特長(zhǎng)，取代鋰離子電池。但不足之處仍然很多而且短期內(nèi)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(rèn)為其短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)應(yīng)用于兩輪電動(dòng)車等產(chǎn)品，而在電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能等應(yīng)用尚需要進(jìn)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(shí)代僅透露了其電池的能量密度為160Wh/kg，卻并未提及另一個(gè)同樣重要的指標(biāo)：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(shí)代發(fā)布CTP電池的原因：通過(guò)省去電池的模組結(jié)構(gòu)提高電池的體積利用率。也正因此，比亞迪高調(diào)宣傳其刀片電池可以實(shí)現(xiàn)體積能量密度提高50%（280Wh/L）的巨大優(yōu)勢(shì)。

而這恰恰是鈉離子電池的另一個(gè)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(shí)密度都遠(yuǎn)低于磷酸鐵鋰（2.4g/cm3）與石墨（1.7g/cm3）等材料，同時(shí)使用了更輕但更厚的鋁箔作為負(fù)極集電體，因此相同容量下電池的體積會(huì)遠(yuǎn)大于鋰離子電池，粗略計(jì)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(diǎn)是由所使用材料體系決定的，因此短期內(nèi)無(wú)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(huì)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(lái)看，方形磷酸鐵鋰的價(jià)格為617元/kwh，特斯拉Model 3標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航升級(jí)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(jì)算為38.5kwh，成本降低20%為493.6元/kwh，實(shí)際成本下降到19003.6元。（降低14931.4元）

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

而根據(jù)很多專業(yè)機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)，隨著特斯拉第二工廠的建立、產(chǎn)能進(jìn)一步擴(kuò)大，標(biāo)準(zhǔn)續(xù)航版車型價(jià)格一定會(huì)降到19.99萬(wàn)。

屆時(shí)按照特斯拉一貫的定價(jià)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(wàn)的區(qū)間去。

——那么一臺(tái)15.99萬(wàn)，春秋續(xù)航330km，冬季續(xù)航260km和標(biāo)準(zhǔn)版差不多的特斯拉，你會(huì)購(gòu)買嗎？

這些數(shù)據(jù)或許暗示著，鈉離子電池最終的大規(guī)模應(yīng)用可能在于儲(chǔ)能?；蛟S未來(lái)，我們?cè)谟秒姼叻迤谑褂玫碾娔?，就?huì)有相當(dāng)一部分由這些臃腫但廉價(jià)的鈉離子電池提供。

對(duì)于此次鈉離子電池的發(fā)布，我們的觀點(diǎn)是：請(qǐng)寧德時(shí)代提供電池的循環(huán)數(shù)據(jù)，同時(shí)提供的電池的體積能量密度數(shù)據(jù)，然后做進(jìn)一步分析。

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