钠离子电池储能技术及经济性分析

钠离子电池储能原理

钠离子电池，是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工 作，与锂离子电池工作原理相似，两者都被称为“摇椅式”电池。钠离子电池的主要构成为正极、负极、隔膜、电解液和集流体。正负极之间通过隔膜隔开防止短路，电解液浸润正负极作为离子流通的介质，集流体起到收集和传输电子的作用。充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程则与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜重新嵌入到正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷平衡，充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与 Na+一起在正负极间迁移，使正负极发生氧化和还原反应。钠离子电池工作原理与锂离子基本类似，这也给钠电池的产业化打下良好基础。

钠离子电池储能优势及经济性分析

钠与锂同属于碱金属元素，在物理及化学性能方面具有相似的部分，两者都可以作为电池金属离子的载体。近年来随着锂离子电池的大规模应用，锂资源进 入供不应求的供需格局。截至 2022年7月29日，电池级碳酸锂价格 47.0 万元 /吨，较 2021 年初提升 8.3 倍。2022年6月中国新能源汽车产量 59 万辆，渗透率达 23.6%。自 2022年2月起，国内电动车产量渗透率始终维持在 20%以上。根据光大证券《锂钴稀土景气度高位震荡，新型电化学体系孕育生机——— 能源金属 2022年中期投资策略》的观点，锂行业 2022-2023 年仍处于供应偏紧 状态，不排除 2022 年下半年锂价重回 50 万元/吨以上的可能性。而钠资源在地壳中元素丰度较高，成本更低，截至 2022 年 7 月 29 日，碳酸钠价格仅为 2782 元/吨。

从电池性能角度来看，钠离子电池也同样优异。2022 年5月10日电池行业前沿宁德时代在互动平台表示，公司于2021年发布钠离子电池，其电芯单体能量密度高达 160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量可达80%以上，在 -20%℃低温环境中，也拥有 90%以上的放电保持率，系统集成效率可达 80% 以上。公司正致力于推进钠离子电池在 2023 年实现产业化。钠离子电池的技术可行性可以从以下几方面考虑。

（1）钠资源储量丰富，分布均匀，成本低廉，足以支撑电化学储能的持续发展。

（2）与锂离子电池工作原理相似，生产设备大多兼容，短期或长期设备和工艺投入少，利于成本控制。

（3）钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔，可进一步降低电池体系成本。

（4）钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即具有更好的界面离子扩散能力；同时，钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率；更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能更好，功率输出和接受能力更强，已公开的钠离子电池具备3C及以上充放电倍率，在规模储能调频时应用时，可以得到很好的应用。

（5）根据目前初步的高低温测试结果，钠离子电池高低温性能更优异，在 -40 ℃低温下可以放出 70%以上容量，高温 80 ℃可以循环充放使用，这将在储能系统层面降低空调系统的功率配额，也可以降低温度控制系统的在线时间，进而降低储能系统的投入成本和运行成本。

根据 2020 年3月容晓晖发布的文献《从基础研究到工程化探索》，锂电池原料成本为 0.43 元/Wh，钠离子电池原料成本为0.29 元/Wh，较锂电池成本低32.6%。 2020年3月碳酸锂市场均价为 5.03 万元/吨；碳酸钠市场均价为 1481元/吨。2022年7月29日，碳酸锂价格为 47.0 万元/吨，则对应锂离子电池原料成本上升为0.77 元/Wh；碳酸钠市场均价为2782 元/吨，单吨仅上涨近1301元，远小于碳酸锂的涨价幅度。

虽然钠电池核心的能量密度及循环寿命指标均弱于锂电池，但其成本优势仍使其在储能等下游应用场景具有较高经济性。根据 2022年6月胡勇胜等《钠离子电池储能技术及经济性分析》一文中的结论，以铅蓄电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池和钠离子电池储能为例，采用模型计算各类电池在调峰应用场景下的全生命周期度电成本，在计及电力损耗的情况下，钠电池的度电成本上限分别较铅蓄电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池低 52.2%，32.4%，54.3%。