钠离子电池进入国家重大技术装备名单,产品研发、商业应用同步推进

2022-05-27 11:47:59   来源:中国能源网    浏览:204

“双碳”背景下,储能行业发展前景广阔。受此影响,钠离子电池一直站在风口上。今年以来,具有更低成本储能优势、更安全性能的钠离子电池开始受到业界青睐。

5月13日,国家能源局公布了2021年度能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单,包括75项技术装备,其中储能领域涉及8个技术装备(项目),氢能涉及4个。中科海钠研发并于2021年6月28日投运的1MWh钠离子储能电池系统成功入选。

2021年6月28日,全球首套1MWh钠离子储能系统在山西太原正式投运。该项目是中国科学院A类战略性先导科技专项大规模储能关键技术与应用示范项目,由中科海钠和中科院物理所联合打造,目前运行状况良好。

该系统以钠离子电池为储能主体,结合市电、光伏和充电设施形成微网系统,可根据需求与公共电网智能互动。1MWh钠离子储能电池系统研制成功具有重大意义,标志着我国在钠离子电池技术及其产业化走在了世界前列,同时意味着钠离子电池步入商业化应用新阶段。

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钠离子电池产业化迈出第一步

依托中科院物理所的中科海纳成立于2017年,是国内首家专注于钠离子电池开发与制造的企业,在关键材料方面已获得国内、外专利近三十个。近年来先后推出钠离子电池电动自行车、电动汽车和储能电站的示范。

2018年6月,中科海钠推出全球首辆钠离子电池(72V·80Ah)驱动低速电动车;

2019年3月,中科海钠发布了世界首座30 kW/100 kWh钠离子电池储能电站,标志我国在钠离子电池的应用示范方面走在了世界前列;

2021年1月,中科海钠推动钠离子电池团体标准制定;

2021年6月,中科海钠在太原投入运行全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统;

2021年12月,1MWh钠离子储能电池系统入选“2021年度能源领域首台(套)重大技术装备项目”,这是钠离子电池相关项目首次入选首台(套)名单并得到国家能源局官方认可;

2021年12月,中科海纳与三峡集团及安徽阜阳市人民政府共同建设的全球首条钠离子电池规模化量产线,总规划产能为5GWh,其中一期1GWh将于2022年正式投产。未来还将推动建设不少于30 GWh的钠离子电池产线。

此次合作标志着钠离子电池产业化进入新阶段,开启新篇章。

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钠离子电池VS锂离子电池

钠离子电池是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。钠离子电池主要包括钠硫电池、钠盐电池、钠空气电池、有机系钠离子电池、水系钠离子电池。

钠离子电池的出现是锂离子电池技术的补充,不过钠离子电池能量密度低,只适合用在对能量密度要求不高的领域,比如储能。

钠离子电池与锂离子电池的工作原理相同、工艺类似,二者均属于二次电池,其工作原理都是“摇椅式”。钠离子电池与锂离子电池的内部结构一致,钠离子置换锂离子。与锂电池一样,钠电池主要由正极、负极、集流体、电解液和隔膜组成。

相比于锂资源,钠资源更加丰富,且容易获得。钠离子电池的原材料不会像锂电池一样有储量不足的担忧。再加上目前碳酸锂价格稳定在高位,相较于锂离子电池,钠离子电池更具成本优势。

另外,钠离子电池倍率性能更好、电池寿命更长、安全性能更高,未来发展前景广阔。

·更低成本优势:

与锂相比,我国钠资源储量丰富、分布广泛。相关数据显示,钠资源的地壳丰度为2.75%,是锂资源的423倍,并且遍布全球,提炼技术简单。

钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐,具有较大成本优势。这是因为钠盐原材料储量丰富,价格低廉,采用铁锰镍基正极材料。相较于锂离子电池采用的三元正极材料,原料成本降低一半。

锂是一种不可再生的战略资源,而我国作为锂资源消费大国,绝大多数锂资源供给都依赖进口。锂矿供给不足与需求过快增长的矛盾日益突出。因此,钠离子电池若能实现大规模商业化应用,将减少我国对于锂资源的依赖,从而保障能源安全。

·安全性较高:钠离子电池电化学性能相对稳定,具有相对较低的能量密度和放热焓值,安全性较高。因此,钠离子电池不会过充、过放、短路,针刺不起火,挤压均无起火和爆炸现象。

·低温性能优异:在-20℃低温环境中,钠离子电池也拥有90%以上的放电保持率,-40℃约80%放电保持率。

·快充性能优:钠离子电池相同浓度的钠盐电解液比锂盐电解液离子电导率更高,第一电离能更小,常温下充电15分钟电量可达80%以上。

另外,钠离子的密度、安全性、充电速度都完胜铅酸电池。目前铅酸电池仅在成本上具有优势,未来钠离子电池规模化后成本可接近铅酸电池。

 


钠离子电池优势 来源: 锦缎研究院

钠离子电池的待解问题:

钠离子电池虽然具有多种优势,其劣势仍然是影响其大规模投产的重要因素。

·能量密度:在储能电池中,钠离子电池的能量密度并不高。相较于锂离子电池存在能量密度劣势,钠离子电池的能量密度比锂离子电池低20%,在新能源汽车动力电池和手机等电子产品电池方面很难取代锂离子电池。但是钠离子电池有望逐步取代铅酸电池(钠离子电池能量密度是铅酸电池的4倍左右)。

·产业链发展:目前钠离子电池产业链不够成熟,尚未实现大规模投产。钠离子电池的潜在性能缺陷还比较多。以目前的研发进展来看,钠离子电池应更多聚焦于技术研发攻坚。

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宁德时代布局钠离子电池进程

2022年3月30日,宁德时代入选美国《时代》周刊(TIME)“最有影响力的100家企业”榜单。上榜理由是,宁德时代革命性地推出了钠离子电池,并表示将于2023年形成基本的钠离子电池产业链。

早在2020年6月宁德时代成立21C实验室时,就把钠离子电池作为中短期的三个主要研究方向之一。

2021年7月29日,宁德时代发布了第一代钠离子电池,能量密度160Wh/kg,略低于磷酸铁锂电池,但低温性能和快充具有明显优势,常温下15分钟可充满80%的电量,在-20℃的低温环境,可实现90%以上的放电保持率,系统集成效率可达80%以上。

2022年宁德时代已布局无负极金属电池技术,并申请专利,据悉或将应用于下一代钠离子电池。这意味着将实现此前宁德时代在钠离子电池发布会上公布的下一代钠离子电池能量密度超过200Wh/kg的目标。

2022年5月5日,宁德时代在2021年度业绩网上说明会上表示,公司正致力于推进钠离子电池在2023年实现产业化。

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众企业积极布局钠离子电池

随着储能市场需求不断扩张,储能技术发展迎来难得机遇。钠离子电池技术在中国的商业化进程势不可挡,除了处于行业领先地位的中科海钠、宁德时代,国内已有多家企业正积极进行钠离子电池产业化的相关布局,并取得重要进展。

欣旺达

截至2021年年末,欣旺达的钠离子电池技术还在开发中。欣旺达公开表示,公司拥有钠离子电池补钠方法、钠离子电池及其制备方法等多项专利。

2021年度,欣旺达营收373.59亿。但是欣旺达生产的产品,主要是消费型锂离子电池,下游主要应用于手机数码、笔记本电脑,以及一些智能硬件设备上。这三类营收占比高达80%以上。

鹏辉能源

截至2021年年末,鹏辉能源实现了小批量生产,向实际应用迈近了一步。根据鹏辉能源董秘介绍,目前公司还无法量产。因为现在生产出来的钠离子电池,根本不具备成本优势。

2021年度,鹏辉能源营收只有56.93亿。别看鹏辉能源业务总规模不大,但其储能电池营收占比高达31%(2021年度数据)。2021年度,鹏辉能源储能电池出货量,在TOP10中国企业中已排名第二。

中国石油

2022年4月1日,中国石油连发三项储能招标,分别为:《高功率电化学储能电池管理系统与能量管理系统开发》、《钠离子电池及储能装置开发与应用》。在储能电池技术路线选择上,中国石油明显青睐钠离子电池和钛酸锂电池。

中石油对钠离子电池的布局重点,一是在满足循环5000次以上、-20℃~60℃耐温宽的正负极电极材料研发,二是在电芯产品研发、实现钠电电芯批量制备,第三要开发电池管理系统与能量管理系统、电池模组集成技术等,最终要开发出安全稳定运行的低成本百千瓦级钠电储能装备,实现50kW/100kWh的钠离子集装箱式储能装备在油田场景下的应用示范。

山西新阳清洁能源

2022年3月,山西新阳清洁能源全国最大钠离子电池规划项目成功送电,该项目第一条钠离子电池生产线进入设备调试最后阶段,于3月底试生产。

山西新阳清洁能源是华阳集团旗下子公司,项目由华阳集团与中科海钠、开源资产合作建设,拟投资2.8亿元,建设年产圆柱钢壳钠离子电芯4000万只、方形铝壳钠离子电芯400万只的两条生产线。这也是华阳集团继与中科海钠合作打造全球首套1GW钠离子电池储能系统后,再次涉足钠离子电池。

江苏众钠能源科技有限公司

江苏众钠能源成立于2021年1月,是国内最早推进钠离子电池产业化的硬科技企业之一,也是全球第一款硫酸铁钠电池的生产者。

公司依托来自苏州大学、南京大学、厦门大学、福州大学、浙江大学及中科院纳米所等国内6所双一流高校的联席科学家团队,围绕聚阴离子技术路线进行电化学材料体系及工艺路线深度攻关,并已成功制备出具有明显价格和性能优势的单体钠离子电芯。

中国长城

中国长城科技集团股份有限公司从事的主要业务包括:高新电子、网络安全与信息化、电源、园区与物业服务及其他业务。

旗下公司于2016 年开始进行钠离子电池产业布局,目前已经突破了钠离子电池正极材料合成与处理技术、钠离子电池制造工艺技术等关键技术,取得发明专利授权4项。

上海奥威科技开发有限公司

上海奥威科技开发有限公司成立于1998年,专业从事双电层电容器及超级电容器的开发、生产和销售,上海奥威科技开发有限公司一直在做钠离子电容器的研发工作,该项工作也是奥威科技2021年计划的前瞻研发的重要内容。

四川长虹新能源科技股份有限公司

四川长虹新能源科技股份有限公司是四川长虹控股集团旗下子公司,是集一次碱锰电池、二次锂离子电池等产品研发、制造、销售为一体的国家级高新技术企业。

2021年底,长虹新能源材料实验室发布消息指出,实验室与电子科技大学联合研发,在钠离子电池领域取得重大技术突破,该新型技术可使钠离子电池实现超级稳定、超长寿命、超高倍率。

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钠离子电池潜力巨大

在“双碳”背景加持下,大规模发展储能已成定局,国家层面已经出台了多个支持钠离子电池发展的相关政策:

2021年7月15日,国家能源局官网发布的《国家发展改革委 国家能源局关于加快推动新型储能发展的指导意见》中明确提到加快钠离子电池等技术开展规模化试验示范。

2021年8月25日,工信部在回复全国政协委员《关于在我国大力发展钠离子电池的提案》时表示,高性价比的钠离子电池有望成为锂离子电池的重要补充,尤其是在固定式储能领域将具有良好发展前景。

《“十四五”能源领域科技创新规划》和《“十四五”新型储能发展实施方案》均提出要研发及优化钠离子电池的储能技术。

科技部也将在“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。

目前,钠离子电池尚处于产业化初期,但在技术路线和功能场景等方面已经具备了巨大的发展潜力。钠离子电池并不是锂离子电池的竞争者,而是互补、合作关系,二者可以完美地适用于储能和新能源汽车(消费电池)领域,是我国未来新型电力系统发展的重要组成部分。

我国在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开,宁德时代、中科海钠等相关企业的相继入局,正在为钠离子电池在中国的商业化打下坚实的基础。

来源:中国能源网

文:李颖


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