大型钠离子电池新能源储能电站前景展望

◇北京京能清洁能源有限公司西北分公司 王一帆

我国有大量钠资源，无需像锂离子电池一样从外国进口大量锂矿，是一种很有发展前景的新型储能电池。本文首先进行钠离子电池的工作原理分析，然后介绍钠电池用与储能电站的场景及优点，从经济性及钠离子电池发展前景表明钠离子电池是大型新能源储能电站的优秀备选，最后对钠离子电池行业的发展趋势进行展望。

在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布了中国碳中和目标，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和[1]。2020年全世界制造了接近300GWh的锂电池，并且到2025年预计制造1000Gwh，锂电池的需求增长速度超乎想象。2030年碳达峰，2060年碳中和，光伏、核电、风能等新能源储能领域已经迎来井喷式增长。如此巨大的市场需求背后，我国的锂资源远远不够用。中国缺锂矿而中美竞争，关系恶化，断供的危险如果发生后果无法预期，因此，发展钠离子电池是必要的，不论是为了远期的储能市场的巨量规模需求，还是为了近期国际关系动荡带来的锂资源不确定性。

1 钠离子电池工作原理

钠离子电池的结构及工作原理与锂离子电池相同，钠离子电池的构成主要包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体。原理与锂离子电池相似，充电：Na+从正极脱出，经电解液到达负极，与此同时过渡金属元素升价，向集流体转移e-，经外部电路到达负极；Na+经负极表面SEI层后，获得电子，成为Na嵌入负极。放电过程想法。不同点在于，Li+的六配位半径76pm，Na+的六配位半径102pm。基于个头更大的Na+的钠离子电池，正极、负极材料的结构与锂离子电池差异很大。电解液同样基于碳酸酯溶剂，从LiPF6换成NaPF6。NaPF6的物料成本理论上低于LiPF6。虽然目前由于产业链配套的原因，成本并无优势，但是电解液的特性影响了隔膜的选型。锂离子电池的隔膜必须拥有比较大的孔径以让溶剂化的Li+携带溶剂分子快速通过，而钠离子电池的隔膜则不用考虑这一点，对隔膜几乎没有选择性，孔小一些大一些无所谓从而降低成本[2]。

锂离子可以正极采用较为便宜的铝箔作为集流体，但负极必须用更贵铜箔作为集流体，而钠离子电池则正极和负极均可以采用较为便宜的铝箔作为集流体。因此，发展钠离子电池大型新能源储能电站有着良好的前景。

2 使用钠离子电池储能的优势

2.1 资源储量及价格优势

目前探查的锂元素在地壳中含量约为0.007%，而钠资源相反，地壳中含量约为2.64%，且分布平均。2022年碳酸锂价格为45万元/吨，且锂离子电池负极电位低，必须使用不被腐蚀的铜箔；碳酸钠2000/吨，钠离子电池的负极电位高，不会腐蚀铝箔。上游探明锂矿其实量很大，然而锂矿集中在南美洲和国外其他地区，扩产的速度实在太慢了，完全跟不上下游暴增的产能规划和需求。从这个角度上看，钠电的驱动力不是大自然中的“锂矿”不够，而是全球锂化工产业链的“产能”不够。并且，这个产业链复杂，我国每年使用的锂资源80%以上需要进口。相对而言，负极石墨(Gr)，隔膜聚乙烯聚丙烯(PE PP)，电解液六氟磷酸锂(LiPF6)和碳酸酯(EC DEC)，粘结剂聚偏氟乙烯(PVDF)和羧甲基纤维素(CMC)，铜箔，铝箔的产业链的扩增速度比锂盐强不少，至少原材料国内可控。钠电产业链里的钠盐，碳酸钠2000/吨，硬碳源于无烟煤，量管够，且无需购买，不用受制于人。

2.2 安全性优势

由于钠离子电池电芯的内阻较低，在环境温度较高的情况下工作容易出现发热现象，严重时会出现热失控导致起火。钠离子电池相反，电芯内阻较大，工作时瞬时放热量小，便于进行热管理。且钠离子电池在挤压、穿刺短路等实验中不起火不爆炸。锂离子电池在充电过程中富余的锂离子会慢慢在负极表面沉淀形成锂枝晶，锂枝晶的生长过程中会刺穿隔膜到达正极造成导致内部短路，这可能会造成灾难性事故。因为钠金属的自扩散系数高，在某些电解质内产生的钠枝晶会被溶解，所以钠离子电池很难产生稳定的钠枝晶。

2.3 高低温性能优势

锂离子电池和钠离子电池的电解液同样基于碳酸酯溶剂，Na+半径是Li+的约1.3倍，带一个正电荷时，Li+的电荷密度是Na+的2.4倍，因此更容易被碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯中酯基上的孤电子对吸引络合，溶剂化程度高。产生的[Li(EC/DEC)n]+离子团，降低Li+的离子迁移能力的同时在电解液活性物质界面，先“解络合”，然后Li+单独的进固体电解质界面相，这就Li+在最为关键的液固相界面处的迁移严重迟滞。Na+则不管是离子电导率，还是在界面处的迁移速率均很快，那么同样的温度下，倍率可以比Li+更高。另外，更为重要的，在极寒条件下，钠离子电池依然可以进行充放电，而锂离子可以正常放电，充电就必须使用0.5C了。

3 大型钠离子电池新能源储能电站的优势

目前锂离子电池能量密度约为190Wh/kg，钠离子电池约为150Wh/kg。钠元素是元素周期表第十一位，锂元素位于元素周期表第三位因此在同样体积下钠离子电池比锂离子电池重约3倍。但是因为储能电站中储能电池无需移动，所以能量密度的劣势可以通过增加钠离子电池的数量来解决。

大型钠离子电池新能源储能电站的优势如下所示。目前国家新能源发电能力极不均匀，西部地区有着良好的风光资源，风力、光伏发展迅速。但是西北地区人口远不如南方，西部城市用电量远低于南方城市。导致西北地区发电量远超用电量，自身消化不掉，而送出线路有上限。导致在大负荷天气经常限电，尤其是前两年抢装潮导致大电量远大于需求，这几年限电损失越来越严重。大型新能源储能电站可以在大负荷时将发电时送出一半，小负荷时通过储能电池持续输出。有效帮助电网进行负荷管控。同时，因为有大容量储能电池，可以省去占用蓄电池和通讯蓄电池，在发生意外失电后，有充足时间进行检查。同时储能电站送出负荷经过储能电池输出平滑。钠离子电池成本低，相较于钠离子电池在建造GW级以上储能电站时电池支出减少可达50%。

4 结束语

钠离子电池已经展示了在大型储能电站领域提质增效的巨大潜力。低容O3-相钠三元体系的循环性能非常优异，1C/1C 100% DOD有望达到6000次，与4.1V锂三元、磷酸铁锂类似；如果限制到80%DOD，则可以达到10000次；如果考虑到大规模储能电站的高功率需求和半充满使用工况，其服役时间与磷酸铁锂相似。目前，铜铁锰层状氧化物等的度电成本分别为0.5元/Wh，与磷酸铁锂的成本比无较大提升。但钠离子电池技术还未成熟，上下游产业链、电池管理系统、制造技术等还有极大的提升空间。接下来国家大力扶持新能源储能和企业开始转型研发钠离子电池将会使整个行业快速进步，待行业成熟了钠离子电池在安全性和成本上的优势就会体现出来。