宁德钠电池深度分析：续航330km，15.99万的特斯拉Model 3你会买吗？

当代安培科技有限公司发布新一代钠离子电池。众所周知，目前最主流的电池是锂离子电池，原因很多，比如锂最轻，锂可以形成最高的电池电压。但锂的缺点也很明显:地球上储量太少，所以价格高。因此，钠离子电池的概念应运而生。钠离子电池并不是一个新概念。早在20世纪70年代，就有人提出了类似的概念。毕竟这个想法太自然了——钠和锂是最接近的碱金属元素，地球上钠的储量那么多，看看家里的盐罐就知道了。但钠也有一些与锂不同的性质:钠的电位比锂“正”一点，所以电池的能量密度会降低一点；(从这张图中，还可以看到其他有研究潜力的电池系统，如钾离子电池、钙离子电池、镁离子电池等。)另外，钠的原子尺寸比锂大一点，重一点。所以锂离子和钠离子电池有很多区别。首先是使用的材料不同。因为原子尺寸稍大，容易卡在材料中，可用于锂离子存储的正负极材料通常不用于钠离子。因此，关键是开发新体系的正负极材料。正如当代Amperex科技有限公司董事长曾玉群所说，“有人在说电池的化学体系很难创新，只能在物理结构上做一些改进；我们相信电化学的世界就像一个能量立方体。未知远大于已知，我们渴望探索其中的奥秘。”在此，我们也向这些孜孜不倦研发材料的科学家和工程师们表示敬意。在钠离子电池的各种正极材料体系中，当代安培科技有限公司选择了普鲁士白体系。这种材料的优点是克容量高，因为不含贵金属所以价格低，高电压平台:可以看出材料是白色粉末。Mn掺杂使材料的电压平台(相对于金属钠)高达3.7V，有助于实现电池的高能量密度，但其缺点也很明显:其本身的晶体结构不是很稳定，在循环过程中其结构会发生变化，导致循环容量的衰减；同时普鲁士白材料很难完全去除结晶水，循环中会发生水与负极的副反应，造成电池内产气。从某种意义上说，因为结晶水是稳定普鲁士白晶结构的关键，所以很难同时解决这两个缺点。如何平衡这两个问题成为钠离子电池应用的关键。正因如此，之前几乎没有厂商发布过可以循环使用一千次以上的普鲁士白阴极材料。当代Amperex科技有限公司声称已经解决了这个问题，并通过物质计算的方法做了大量的尝试来指导实验方向。至于它采用的具体方式，包括表面改性和机身改良，我们可以通过查阅它最近的专利来寻找线索。当代安培科技有限公司此次发布的160mAh/g克容量与磷酸亚铁锂材料接近。不过发布会没有提到电池循环寿命，所以需要进一步了解。钠电池的负极材料也不同于锂离子电池。锂离子电池之所以大多使用石墨作为负极材料，是因为锂离子可以与石墨形成稳定的LiC6 6结构的夹层化合物。但石墨不能用于钠电:它不能与钠形成结构稳定的化合物(这不是因为钠离子比锂离子大，是因为比钠离子大的钾离子能很好地与石墨相容，原因还没解释清楚)。因此，钠电池负极材料研究的共识是采用其他层间距更大的碳材料，如中科海纳发布的无烟煤基材料和当代安普科技有限公司本次发布的硬质碳基材料。同时，这种材料的成本低于石墨，克容量(350mAh/g)接近石墨。同时，由于层间间距大等因素，原子可以快速进出夹层，使电池快速低温充放电成为可能。钠的硬碳储存的优势在于它的晶体间隙大，缺陷位多，所以可以容纳更多的钠。同时，作为碳材料之一，与石墨技术接近，因此成为最主流的钠阳极材料:但实际上，硬碳是一个比石墨广泛得多的领域(所谓硬碳，就是由于碳材料的混沌结构，高温烧结后不会形成石墨的层状结构，如上图所示。无烟煤基碳材料在性质上也可以归为硬碳)，在这次大会上实际上并没有透露所用硬碳的具体信息。此外，由于低硬碳材料的第一库仑效率，电池的容量低于相同条件下的锂离子电池。电解质模糊不清。可能和锂离子电池使用的电解液差别不大，但是特殊的正负极材料需要特殊的添加剂和溶剂，避免出现正极材料溶解等问题。其他结构如隔离膜、外壳、集流体等可以和锂离子电池一样。因此，钠离子电池可以采用接近锂离子电池的工艺路线生产，降低了相应的工艺开发和设备改造成本。钠离子电池还有一个特点:由于锂会与铝箔反应发生合金化，所以锂离子电池的负极必须使用耐还原的铜作为集流体，铜的密度是铝的三倍以上，增加了电池的重量和电池的成本。钠电池不存在这个问题，正负极都可以使用更轻更便宜的铝作为集流体，这也有助于提高电池的重量和能量密度，降低成本。其次，对于锂电池和钠电池混合的BMS，个人认为在模块层面更接近于并联，通过控制充放电方式分别控制锂电池或钠电池模块。否则，由于锂电池和钠电池的不一致，系统将……难以稳定工作。综上所述，如果当代Amperex科技有限公司发布会的内容属实，确实会推进钠离子电池的商业化进程，但即使从最基础的材料层面来说，也还远远不是一个成熟可用的系统。其优点在于所用正负极材料容量与磷酸铁锂电池相近，可视为“成本较低，容量略低，能量密度略低，循环性能无数据”的低成本磷酸铁锂电池，其优异的低成本优势可在低端领域发挥特殊作用，替代锂离子电池。但仍存在许多短期内难以克服的缺点，如循环性能不明确、能量密度低等。可以考虑在短时间内可能应用于两轮电动车等产品，但在电动车和储能方面的应用有待进一步完善。这也解释了为什么这次发布的电池包括圆柱形电池和硬壳电池。此外，当代Amperex科技有限公司仅透露其电池的能量密度为160Wh/kg，但并未提及另一个同样重要的指标:体积能量密度。由于汽车尺寸的限制，电池组的体积能量密度越高，所能容纳的电池容量就越大。这也是比亚迪发布刀锋电池，当代安培科技有限公司发布CTP电池的原因:通过省略电池的模块结构，提高电池的体积利用率。所以比亚迪宣传其刀片电池可以提高体积能量密度50%(280Wh/L)的巨大优势。这不过是钠离子电池的另一个巨大缺点:由于普鲁士白(1.8g/cm3)和硬碳(1g/cm3)的压实密度远低于磷酸亚铁锂(2.4g/cm3)和石墨(1.7g/cm3)，且采用更轻但更厚的铝箔作为负极集流体，电池的体积会比同容量的锂离子电池大很多。这是由使用的材料体系决定的，所以短期内看不到解决的迹象。以model3为例，其NEDC里程为468km。如果完全换成钠离子电池，其续航里程将下降到327.6km左右，考虑到冬季的取暖需求，冬季续航可能只有262.8km，但同样，其电池的BOM成本也可以降低20%左右。根据最新电池成本，方形磷酸亚铁锂价格为617元/千瓦时，特斯拉Model 3标准续航升级55度电池成本为33935元。如果换成钠离子电池，按70%耗电38.5kwh，成本降低20%，为493.6元/kwh，实际成本降低到19003.6元。(减少14931.4元)——这样，如果把现款model3的电池换成钠离子电池，我们可以得到一个续航22.09万，续航330km的Model 3。考虑到这款车的续航和标准续航版相差太大，而且特斯拉一直有20%左右的毛利，牺牲特斯拉的毛利有可能做到19.99万。据多家专业机构预测，随着特斯拉第二工厂的建立和产能的进一步扩大，标准续航车型的价格肯定会降到19.99万。当时按照特斯拉一贯的定价体系，如果有钠离子电池的车型，这款车或许能打到15.99万的区间。-那么一辆续航15.99万，春秋330km，冬季260km，和标准版差不多的特斯拉，你会买吗？这些数据可能暗示，钠离子电池的最终大规模应用可能是储能。也许在未来，我们用电高峰期的相当一部分电力将由这些臃肿却廉价的钠离子电池提供。对于钠离子电池的发布，我们的看法是:请当代安普科技有限公司提供电池的循环数据和电池的体积能量密度数据，再做进一步分析。当代安培科技有限公司发布新一代钠离子电池。众所周知，目前最主流的电池是锂离子电池，原因很多，比如锂最轻，锂可以形成最高的电池电压。但是缺点是……锂也很明显:地球上储量太少，所以价格高。因此，钠离子电池的概念应运而生。钠离子电池并不是一个新概念。早在20世纪70年代，就有人提出了类似的概念。毕竟这个想法太自然了——钠和锂是最接近的碱金属元素，地球上钠的储量那么多，看看家里的盐罐就知道了。但钠也有一些与锂不同的性质:钠的电位比锂“正”一点，所以电池的能量密度会降低一点；(从这张图中，还可以看到其他有研究潜力的电池系统，如钾离子电池、钙离子电池、镁离子电池等。)另外，钠的原子尺寸比锂大一点，重一点。所以锂离子和钠离子电池有很多区别。首先是使用的材料不同。因为原子尺寸稍大，容易卡在材料中，可用于锂离子存储的正负极材料通常不用于钠离子。因此，关键是开发新体系的正负极材料。正如当代Amperex科技有限公司董事长曾玉群所说，“有人在说电池的化学体系很难创新，只能在物理结构上做一些改进；我们相信电化学的世界就像一个能量立方体。未知远大于已知，我们渴望探索其中的奥秘。”在此，我们也向这些孜孜不倦研发材料的科学家和工程师们表示敬意。在钠离子电池的各种正极材料体系中，当代安培科技有限公司选择了普鲁士白体系。这种材料的优点是克容量高，因为不含贵金属所以价格低，高电压平台:可以看出材料是白色粉末。Mn掺杂使材料的电压平台(相对于金属钠)高达3.7V，有助于实现电池的高能量密度，但其缺点也很明显:其本身的晶体结构不是很稳定，在循环过程中其结构会发生变化，导致循环容量的衰减；同时普鲁士白材料很难完全去除结晶水，循环中会发生水与负极的副反应，造成电池内产气。从某种意义上说，因为结晶水是稳定普鲁士白晶结构的关键，所以很难同时解决这两个缺点。如何平衡这两个问题成为钠离子电池应用的关键。正因如此，之前几乎没有厂商发布过可以循环使用一千次以上的普鲁士白阴极材料。当代Amperex科技有限公司声称已经解决了这个问题，并通过物质计算的方法做了大量的尝试来指导实验方向。至于它采用的具体方式，包括表面改性和机身改良，我们可以通过查阅它最近的专利来寻找线索。当代安培科技有限公司此次发布的160mAh/g克容量与磷酸亚铁锂材料接近。不过发布会没有提到电池循环寿命，所以需要进一步了解。钠电池的负极材料也不同于锂离子电池。锂离子电池之所以大多使用石墨作为负极材料，是因为锂离子可以与石墨形成稳定的LiC6 6结构的夹层化合物。但石墨不能用于钠电:它不能与钠形成结构稳定的化合物(这不是因为钠离子比锂离子大，是因为比钠离子大的钾离子能很好地与石墨相容，原因还没解释清楚)。因此，钠电池负极材料研究的共识是采用其他层间距更大的碳材料，如中科海纳发布的无烟煤基材料和当代安普科技有限公司本次发布的硬质碳基材料。同时，这种材料的成本低于石墨，克容量(350mAh/g)接近石墨。同时，由于层间间距大等因素，原子可以快速进出夹层，使电池快速低温充放电成为可能。钠的硬碳储存的优势在于它的晶体间隙大，缺陷位多，所以可以容纳更多的钠。同时，作为碳材料之一，与石墨技术接近，因此成为最主流的钠阳极材料:但实际上，硬碳是一个比石墨广泛得多的领域(所谓硬碳，就是由于碳材料的混沌结构，高温烧结后不会形成石墨的层状结构，如上图所示。无烟煤基碳材料在性质上也可以归为硬碳)，在这次大会上实际上并没有透露所用硬碳的具体信息。此外，由于低硬碳材料的第一库仑效率，电池的容量低于相同条件下的锂离子电池。电解质模糊不清。可能和锂离子电池使用的电解液差别不大，但是特殊的正负极材料需要特殊的添加剂和溶剂，避免出现正极材料溶解等问题。其他结构如隔离膜、外壳、集流体等可以和锂离子电池一样。因此，钠离子电池可以采用接近锂离子电池的工艺路线生产，降低了相应的工艺开发和设备改造成本。钠离子电池还有一个特点:由于锂会与铝箔反应发生合金化，所以锂离子电池的负极必须使用耐还原的铜作为集流体，铜的密度是铝的三倍以上，增加了电池的重量和电池的成本。钠电池不存在这个问题，正负极都可以使用更轻更便宜的铝作为集流体，这也有助于提高电池的重量和能量密度，降低成本。其次，对于锂电池和钠电池混合的BMS，个人认为在模块层面更接近于并联，通过控制充放电方式分别控制锂电池或钠电池模块。否则，由于锂电池和钠电池的不一致，系统将……难以稳定工作。综上所述，如果当代Amperex科技有限公司发布会的内容属实，确实会推进钠离子电池的商业化进程，但即使从最基础的材料层面来说，也还远远不是一个成熟可用的系统。其优点在于所用正负极材料容量与磷酸铁锂电池相近，可视为“成本较低，容量略低，能量密度略低，循环性能无数据”的低成本磷酸铁锂电池，其优异的低成本优势可在低端领域发挥特殊作用，替代锂离子电池。但仍存在许多短期内难以克服的缺点，如循环性能不明确、能量密度低等。可以考虑在短时间内可能应用于两轮电动车等产品，但在电动车和储能方面的应用有待进一步完善。这也解释了为什么这次发布的电池包括圆柱形电池和硬壳电池。此外，当代Amperex科技有限公司仅透露其电池的能量密度为160Wh/kg，但并未提及另一个同样重要的指标:体积能量密度。由于汽车尺寸的限制，电池组的体积能量密度越高，所能容纳的电池容量就越大。这也是比亚迪发布刀锋电池，当代安培科技有限公司发布CTP电池的原因:通过省略电池的模块结构，提高电池的体积利用率。所以比亚迪宣传其刀片电池可以提高体积能量密度50%(280Wh/L)的巨大优势。这不过是钠离子电池的另一个巨大缺点:由于普鲁士白(1.8g/cm3)和硬碳(1g/cm3)的压实密度远低于磷酸亚铁锂(2.4g/cm3)和石墨(1.7g/cm3)，且采用更轻但更厚的铝箔作为负极集流体，电池的体积会比同容量的锂离子电池大很多。这是由使用的材料体系决定的，所以短期内看不到解决的迹象。以model3为例，其NEDC里程为468km。如果完全换成钠离子电池，其续航里程将下降到327.6km左右，考虑到冬季的取暖需求，冬季续航可能只有262.8km，但同样，其电池的BOM成本也可以降低20%左右。根据最新电池成本，方形磷酸亚铁锂价格为617元/千瓦时，特斯拉Model 3标准续航升级55度电池成本为33935元。如果换成钠离子电池，按70%耗电38.5kwh，成本降低20%，为493.6元/kwh，实际成本降低到19003.6元。(减少14931.4元)——这样，如果把现款model3的电池换成钠离子电池，我们可以得到一个续航22.09万，续航330km的Model 3。考虑到这款车的续航和标准续航版相差太大，而且特斯拉一直有20%左右的毛利，牺牲特斯拉的毛利有可能做到19.99万。据多家专业机构预测，随着特斯拉第二工厂的建立和产能的进一步扩大，标准续航车型的价格肯定会降到19.99万。当时按照特斯拉一贯的定价体系，如果有钠离子电池的车型，这款车或许能打到15.99万的区间。-那么一辆续航15.99万，春秋330km，冬季260km，和标准版差不多的特斯拉，你会买吗？这些数据可能暗示，钠离子电池的最终大规模应用可能是储能。也许在未来，我们用电高峰期的相当一部分电力将由这些臃肿却廉价的钠离子电池提供。对于钠离子电池的发布，我们的看法是:请当代安普科技有限公司提供电池的循环数据和电池的体积能量密度数据，再做进一步分析。

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