锂的替代者

数码产品暂时无缘

很遗憾，钠离子电池在未来的很长一段时间里，可能都与数码产品绝缘。原因很简单，钠离子电池当前的主攻方向是“动力电池”，属于电动车电池产业链的组成部分（图1）。

当然，理论上钠离子电池也能用做笔记本和手机的能源，只是这种方式（就现在来看）并不经济，因为这种新型电池的单位能量密度小于锂离子电池，这意味着像火柴盒大小的电池板（图2），锂电池可能有5000mAh，换成钠电池也许就只有3500mAh了。数码产品本来就在为如何延长续航而发愁，换装钠电池后将面临续航骤降的风险。

虽然钠电池的能量密度偏低，但它依旧受到了市场和资本的认可，并在电动车市场酝酿着一场风暴。接下来，咱们就来简单聊聊这种新型电池的特性。

动力电池的分类

除了钠电池以外，动力电池还包含铅酸电池和锂电池，而锂电池还能被进一步细分成磷酸铁锂和三元锂两大分支。

铅酸电池

铅酸电池（VRLA）诞生于1859年，它是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V，能放电到1.5V，充电到2.4V。在实际应用中，铅酸电池组通常是由多个单格电池串联而成，比如3格电池串联成6V、6格电池串联为12V（图3），此外还有24V、36V、4 8V 等规格，曾被广泛应用在交通、通信、电力、军事等领域。

铅酸电池的优势是成本（相对）低廉，安全性较高。在现实生活中我们看到的那些爆炸、燃烧的电动车，多是因锂电池引起的，因铅酸电池引起的安全事故相对要少了很多。

但是，铅酸电池电极的主要材料铅存在毒性，生产时的废弃物也会造成环境污染，能量存储密度很低，循环寿命普遍只有300次，想实现和锂电池相同的电量需要更大的体积和重量（图4）。此外，这种电池普遍缺乏BMS电池管理系统，很难做到充满后充电器自动断电，而且一旦其中一格电池出现问题会影响到整个电池组的使用。

因此，铅酸电池显然无法用于智能手机、笔记本电脑、高性能电动汽车这类对能量存储密度和循环寿命要求更高的设备，目前两轮/三轮电动车和汽车内置的电瓶是铅酸电池的主要客户。随着人们环保意识的觉醒，这种电池也许很快就要全面退出主流消费级市场了。

锂离子电池

关注电脑爱好者的朋友对锂电池应该非常熟悉，这种电池主要由正极材料、电解质（液）、隔离膜和负极材料（以石墨为主）构成，其工作原理就是锂离子Li+反复在电池正极和负极之间移动（图5）。在充电时，锂离子Li+从正极游离到负极，嵌入负极碳结构内的Li+越多，电池存储的电量也就越多;在放电时，锂离子Li+则会摆脱负极碳结构的束缚，重新从负极游離回正极。

在体积不变的情况下，如何提升锂电池的容量？最简单的解决方案就是改变正极材料，此外还有优化电池内部结构，比如减少隔膜的厚度（图6）。但是，隔膜扮演着锂电池体内的“防爆墙”的角色——在锂电池的充放电过程中，正极与负极是绝对不能接触的，否则就会出现短路，造成电池异常发热。好一点的情况是导致电池鼓包，而差一点的情况，就是燃烧甚至爆炸。因此，优化电池内部结构的风险很大，最稳妥的方案还是从正负极材料着手。

目前锂电池的正极材料主要以“磷酸铁锂”（Li Fe P O 4）和“三元”为主，它们的负极、电解液及隔膜等相似，并因此衍生出了磷酸铁锂电池和三元电池两大分支。其中，三元电池还能被进一步细分为NCA镍钴铝三元电池和NCM镍钴锰三元电池。三元常见的表达方式还会在N CM后加一串数字，例如NCM523、NCM811等，代表了镍钴锰在材料中的大概比例。

简单来说，三元电池的能量密度高于磷酸铁锂，但成本更高，而且热稳定性能较差，在极端条件下（如穿刺、变形）更容易爆燃，二者互有优劣。目前，智能手机等数码产品内置的电池多以磷酸铁锂为主，三元电池则偶尔出现在充电宝内置的电芯中。在电动汽车领域，比亚迪刀片电池就是磷酸铁锂的代表（图7），此类电池普遍可以实现400km左右的续航，而三元电池则可带来500km以上的续航。

总之，铅酸电池的优势是安全成本低，但较小的能量密度使其难以抢占高端战场。锂电池各方面指标都比较优秀，但锂元素的主要产能都集中在南美，三元电池中涉及的镍和钴等元素也多集中在澳大利亚、新喀里多尼亚、巴西和刚果（金）等地，存在随时被“卡脖子”的风险。

面向未来的钠离子电池

从元素周期表来看，锂和钠都是最左边一列的元素，这意味着它们的化学性质相近，都能在电池的正极和负极之间移动（图8）。只是，锂是3号元素，也是最轻的金属元素，作为11号元素的钠则重了不少，从微观来看就是钠的体积要比锂大得多，因此如果将钠作为电池的正极材料，相同的尺寸和重量下其能量密度先天就要差一些（见表）。

钠离子电池的特性

实际上，以钠离子作为电荷载体的电池早在上世纪70年代就被提出，只是其体积和能量密度仅为锂离子电池的50%左右，导致之后3 0年都处于研发停滞的状态。由于锂元素的相对稀缺性，其成本波动很大，锂价格在今年的涨幅曾一度超过80%，考虑到日后供应链安全的问题，寻找新的替代元素势在必行。于是，钠离子电池便再次浮出了水面。

从理论层面看，用钠替代锂的优势多多。首先，钠元素在地球上的储量非常丰富，地壳当中含量达到2.75%，无论陆地还是海洋储量都非常丰富（图9）。其次，钠离子不与铝箔发生合金化反应，因此可以替换锂电池使用的铜箔，从而大大降低制造成本，还能实现0V运输，降低电池运输的安全风险。最重要的一点是，钠离子电池安全性能好，在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火不爆炸。在高低温测试时，其容量保持率都很不错，不会像磷酸铁锂电池一样在冬天“失能”。

鈉离子电池的首秀

宁德时代发布的第一代钠离子电池就参数而言已经超过了我们的预期，其电芯单体能量密度已经达到了160Wh/kg，常温下充电15分钟就可以达到80%，在零下20°C低温的环境下也有90%以上的放电保持率，优异的热稳定性在极端条件下也能确保安全（图10）。作为对比，亚迪唐EV刀片电池的电池包能量密度已经可以做到160Wh/kg，可以说钠离子电池已然达到了磷酸铁锂电池的水准，但与三元电池相比依旧存在不小的差距（图11）。

宁德时代曾表示，旗下第二代钠电池的单体能量密度将达到20 0Wh/kg，已经达到了三元电池的蓄能下限。在国家政策层面也在推动钠离子电池标准建立，并逐渐实现钠离子电池的规模化和低成本化，提升综合性能。作为新生事物，我们可以将目前的钠离子电池理解为2013年～2014年期间的锂电池，正处在爆发的前夜，未来可期。

总之，钠离子电池短期内的着力点，是在储能领域替代锂电，在低速车（两轮/三轮电动车）方面有望完全替代铅酸，快递小哥不用频繁换电池了。电动汽车领域有望替代部分磷酸铁锂电池，降低成本并提升安全性。不过，在智能手机和笔记本电脑等数码产品领域，钠离子电池暂时还是指望不上的，但随着产业链规模和技术的迭代，也许会在未来的某一天，出现内置钠离子电池的手机也说不定（图12）。