宁德时代(3007指纹支付50.SZ)钠离子电池的破局曙光？

2021年横空出世的钠离子电池成为最大的热门之一，终究作为地球含量更高的本家元素，钠是最有或许处理电池未来开展的资源硬束缚的终极计划。但通过商场近一年的研讨，定论是：钠离子电池虽好，但受限于能量密度只能作为锂离子电池的弥补。

技能开展历来不是静态的，关于宁德年代(300750.SZ)面向第二代的钠离子技能，近来坊间已有许多风闻。从咱们一向重视的宁德年代专利中，咱们找到了严峻发现，而这些信号或许会推翻你的认知。

硬币的正反面从第一代钠离子电池说起

在2021年7月29号，宁德年代发布钠离子电池，自此钠离子电池正式走入咱们的视界。钠离子电池具优势杰出，但没有席卷商场，背面便是对能量密度的隐忧。宁德年代所宣扬的第一代钠离子电池的能量密度为160Wh/kg，尽管现已是全世界范围内最高，但比较磷酸铁锂和三元仍是矮个，比方三元高镍锂电池的极限能量密度有望做到280Wh/kg，第一代钠离子电池只能欺压下铅酸电池。

图1：钠离子电池和锂离子电池差异

资料来历：中科海纳

宁德年代下一代钠离子电池已有破局之道？

遵从这个头绪，咱们开端去从前瞻性技能研制中寻觅未来或许的答案，翻遍职业龙头公司已揭露的专利内容后，宁德年代2021年获批的一个名为“钠金属电池、电化学设备”的专利进入了咱们的视野，尤其是其间说到的“无负极金属电池”，属实是初度遇见。正是这样，无负极金属电池技能引起了咱们的高度重视。

“无负极”和“金属”这两个关键词，都带有推翻性的隐喻，并且所针对的资料是商场曾经很少重视的。从字面来看，不只仅是此前咱们重视的钠离子电池，或许这是针对资料和工艺的一次严峻立异。

咱们决议一探终究。

图2：宁德年代发明专利“钠金属电池、电化学设备”

资料来历：宁德年代专利阐明书

【1】正极主导的电池立异，但改造负极更具紧迫性和推翻性

能量密度提高是电池的第一性原理。在电池的四大资料——正极、负极、隔阂、电解液——中，曩昔十年，能量密度的前进主要是正极资料的优化和制作水平的提高奉献的。

以咱们耳熟能详的锂电池为例，能量密度的前进主要是正极资料的优化和制作水平的提高奉献的。打开来说，锂电池的正极资料从磷酸铁锂迭代到NCM333，再到NCM523、NCM622、NCM811，其能量密度的提高成为咱们津津有味的微立异论题。

正极因而成了商场评论的简直仅有焦点，凡是你跟人评论负极，或许对方就失去了爱好，这玩意儿有啥好聊的，好像是其他都在变，只要石墨恒久远。负极前史上确实一向默默无闻。可是和拼积木是一个道理，电池的能量密度是由四大资料归纳来决议的，负极理论上应该有更大的作为。

从1991年锂电池商业化以来，石墨一向是最广泛运用的负极资料，科学家们实验了各种办法对石墨进行改性，可是石墨的功用根柢摆在那，现在高端产品现已抵达360mAh/g，现已无限挨近石墨资料的理论比容量上限372mAh/g。

有人会问，正极资料可以各种挑选，负极怎样老是死磕石墨？严酷的实际是，负极的立异极端困难，一般10-20年才有一次严峻突破。所以你看上一代负极现已够得到天花板了，下一代负极还远在规模化量产途中。

而严酷的实际是，负极的立异往往决议了电池技能最重要的更新迭代。当下，咱们亟需更高能量密度的负极来应对未来需求。

【2】负极金属电池技能是什么黑科技？

看到“无负极”，想必很多人都惊呆了，没有负极的电池还叫电池吗？此前有特斯拉的“无极耳”技能，现在宁德年代忽然来个“无负极”。这年头没点化学根底还真无法出资新能源了。

其实无负极是职业术语，浅显的说，无负极金属电池是指出产制作进程中不添加负极活性资料，仅选用负极集流体作为名义上的负极。但这负极集流体不具备负极的功用，只要在初次充电完结后，正极资猜中的金属迁移到负极集流体的外表，负极集流体上构成的金属层才是真实意义上的负极。

或许咱们可以将无负极理解为出产制作进程中无负极，负极是在电池拼装完结、初次充电后出现的。或许这仍是过分笼统，咱们以电池原理图打开做进一步阐明。

在电池出产制作进程中，正极资料和正极集流体压在一同，负极这边是石墨和负极集流体压在一同，终究正负极再以叠片或许卷绕的办法“结合”。整个出产进程中，石墨负极是全程在线。

再讲到电池的作业原理，充电进程是正极资猜中的离子穿过隔阂抵达负极的石墨，电子则从正极集流体动身沿着外电路一路快跑到负极集流体，放电进程是反向的，离子和电子如此来回循环，就完结了电池一次次的充放电。

图3：电池示意图,资料来历：锦缎研讨院

那换成无负极金属电池后，状况会有哪些改变呢？其实正极这边没有很大改变，便是负极不再有石墨，只剩负极集流体。在电池出产进程中，因为没有负极资料相伴左右，孤零零的铜箔就“自封”为负极，直至电池拼装完结。

接着离子的第一次发现之旅敞开，它从正极动身，以金属的方式堆积到负极集流体，在负极集流体上构成金属层，这时分名不虚传的铜箔将负极名号“让位”给了金属层。随后的放电进程中，离子从负极集流体上“逃”出来，回来它的“出生地”，如此电池完结了初次充放电循环，负极也就出现了。

图4：无负极金属电池示意图,资料来历：锦缎研讨院

而这种方式的新技能，被命名为无负极金属电池技能。这项黑科技，最大的长处是可以大幅提高能量密度，而这不正好可以处理钠离子电池低能量密度的痛点么，咱们好像看到了下一代钠离子电池的破局曙光。

黑科技首发幻想下一代钠离子电池

【1】黑科技中的工艺难题

金属电池其实不是最近才有，早在上世纪七十年代锂离子电池刚诞生时，埃克森的M.S.Whittingham就选用硫化钛作为正极资料、金属锂作为负极资料，制成首个锂金属电池。可是用金属锂作为负极，缺陷和长处相同杰出，锂金属负极在充放电进程中产生的巨大体积胀大以及锂枝晶成长的问题，导致锂金属电池在循环寿数与安全性方面存在严峻短板，其时的技能条件下彻底没有商品化或许。

到了1985年，加拿大公司MoliEnergy还真把锂金属电池商业化了，惋惜技能没到家，卖出的产品在五年内很多起火，终究不得不悉数召回公司。到了1989年，MoliEnergy破产，成为先烈。两年后，索尼推出第一款商用锂离子电池，锂离子电池以其高能量密度和较高安全性高的优势席卷整个消费类电子商场，这使得锂金属电池相形见绌，锂离子电池自此成为主角。

因而无负极金属电池的开展不是受限于底层技能原理，而是资料科学和制作工艺。近年来，跟着人们对能量密度的追求和出产技能水平的提高，具有极高理论容量的金属负极打破尘封的前史，再次引起了广泛重视，那无负极金属电池这一黑科技，是否有落地的远景？

咱们查到，宁德年代不只布局了相关资料规划专利，还首先申请了出产工艺专利，这表明其无负极金属电池技能研讨进展或许比幻想中快，或已有必定的产业化根底。并且，在专利中，一再被提起的是钠离子，咱们或许看到这一黑科技首先在钠离子电池上落地。

【2】宁德年代怎么战胜无负极金属电池的制作难题？

关于这个制作难题，咱们从宁德年代2021年同期别的一个专利“负极极片的处理办法、钠金属负极极片与电化学设备”里找到了答案。

从电芯初次充电讲起，当电芯经初次充放电后，受制正极活性资料初次脱出/嵌入钠的不彻底可逆性，会存在部分钠金属残留在负极而不能回来至正极，相当于有一些钠金属迷失在了负极，没有正常回到正极。

这时分问题开端出现了，从微观视点看，因为负极集流体外表的不均匀性，导致集流体外表的钠散布也出现显着的不均匀性，而有活性钠残留区域相对无钠残留区域因为具有更低的成核能，更简单在随后的充电进程中堆积钠金属。成果便是，高活性区域(顶级、枝晶区域)与电解液的副反应加重，终究导致活性钠的耗费及电池功用的阑珊。

从揭露的专利技能看，宁德年代是从源头着手，便是让在电芯初次充放电后，让残留的钠金属量足够多，终究可以在集流体外表构成一层均匀且有必定厚度的钠堆积层，以此来防止随后充放电循环进程中钠堆积至集流体外表所需的更高的成核能，一起下降全体的堆积过电势，终究确保钠金属的堆积均匀性及充放电进程的可逆性。

进一步打开来说，详细的做法是要求电芯初次充放电后负极的钠堆积厚度≥30nm，这样可以确保钠离子来回跑的时分，不在某些特定方位集合。那么怎么确保初次充放电后负极的钠堆积能抵达指定的厚度呢，终究这个厚度是纳米级的，工艺难度显而易见。

为了处理这个难题，宁德年代的做法是提早在负极集流体的外表设置导电涂层，这么做可以进一步下降钠堆积所需过电势，确保初次充放电后钠金属的堆积均匀性。一起，这层金属氧化物保护层具有纳米级厚度，可以与钠金属在电化学条件下构成对应钠盐，然后提高钠金属负极极片外表的钠离子传输速率，提高电池动力学功用，处理了安全性和循环寿数的问题。

简单说，这个出产工艺像是给负极极片涂一层保护膜。一方面要确保膜层的厚度以及均匀性，另一方面要让膜层具有较高机械强度，使得钠负极极片充放电产生体积改变时坚持结构的完整性，防止钠金属电解液直接触摸构成很多钠枝晶。

图5：钠金属负极极片与电化学设备

资料来历：宁德年代专利阐明书

【3】下一代钠离子电池蓄势

处理完工艺问题后，咱们看好这个黑科技未来首先在钠离子电池上落地。从钠离子电池开展的视角来看，坐拥地地壳储量排名第六的钠元素，并且钠和锂是本家的，两兄弟的物理化学功用相似，天然不甘于储能、两轮车等“低端范畴”。

假如无负极金属技能使用在钠离子电池上会怎么呢？其实在上一年的钠离子电池发布会上，宁德年代给出的下一代钠离子电池的能量密度方针便是200Wh/kg。现在咱们可以依据现有资料得出一些定论，无负极金属电池技能有望在钠离子电池上首先落地，大幅改进其被商场质疑的能量密度问题。

而在开篇咱们就说到了钠离子电池制作本钱低、资源丰厚，现在最大的痛点便是能量密度偏低，展望下一代技能，将无负极金属电池用在钠元素上面从而大幅提高能量密度，从商业视点来看是再适宜不过了。

图6：宁德年代第一代钠离子电池和磷酸铁锂离子电池功用比照

资料来历：宁德年代钠离子发布会

不止于钠新渠道技能的化学推动力

【1】无负极金属电池技能不只仅是钠

尽管前文的剖析重点是钠离子，但有必要弄清的是，无负极金属电池其实是一种渠道技能，其可以是钠金属电池，也可以是锂金属电池、锌金属电池、钾金属电池等等。这好比是宁德年代的CTP技能，可以用在磷酸铁锂离子电池，也能用在三元电池。

值得一提的是，无负极金属电池技能与现有的电池产线和相似的，无需额定购买很多设备。终究无负极金属电池的四大资料都还在，也便是说，无负极金属电池出产制作本钱不会明显添加，乃至跟着规模化，制作本钱还有下降的空间。

【2】资料系统改变缓解“缺锂焦虑”

跟着锂离子电池在消费电子、电动汽车、储能等范畴的使用逐渐扩展，锂资源缺乏问题也开端凸显。实际很严酷，锂并不是一种丰厚的资源，其在地壳中的含量只要0.0065%，并且锂资源散布不均匀，70%的锂散布在南美洲区域。假如依照锂离子电池现在的开展速度，暂不考虑收回和新资料替换，锂离子电池的使用将在几十年后遭到锂资源的严峻约束。

我国的锂资源储量仅占全球的6%左右，却要出产全世界近一半的动力电池，成果便是将近80%的锂资源依靠进口。并且全球各大电池出产商都还在不断的扩展其产能，这也导致最近几年来，抢锂大战一再产生。

而无负极金属电池技能，或许能防止相似石油危机的噩梦在锂上重演。一方面，无负极钠电池能量密度快速提高，可以对锂电池构成更好的弥补；另一方面，锂电池自身因为无负极金属电池技能，单位容量内运用量大幅下降。

不知道这样的新信号，你是否现已接收到？

本文来历“锦缎”，作者知勇，股票修改：陈秋达。