根据斯坦福大学牵头的一项最新研究，钠离子电池有望成为一种比锂离子电池更便宜、更耐用的替代技术，但要实现市场竞争力，还需要取得重大技术进展并获得市场条件的支持。
多年来，成群结队的电池工程师及其支持者一直致力于研发比主流锂离子电池更便宜的电池，希望从锂离子电池每年高达 500 亿美元且持续增长的市场中分得一杯羹。
钠离子电池是研究人员、初创企业和风险投资家眼中的最新宠儿，新冠疫情引发的矿产供应链挑战导致锂价暴涨暴跌之后，钠离子电池受到了广泛关注。然而，根据《自然·能源》（Nature Energy）上的一项新研究，钠离子电池要想成为低成本的替代选择，可能还需数年时间，并且需要一系列技术进步和有利的市场条件。
与锂离子电池相比，人们通常认为钠离子电池的成本更低，供应链更具韧性。尽管钠离子电池潜力巨大，但仍面临重重困难。钠离子电池每磅所含的能量往往低于锂离子电池。因此，尽管材料价格可能更低，但钠离子电池每单位存储能量的成本仍然更高。这可能会限制钠离子电池在商业领域的广泛应用——除非能先取得研究突破。
研究中强调了最具发展潜力的领域，首先是斯坦福大学可持续发展学院普考特能源研究所（Precourt Institute for Energy）与SLAC-斯坦福电池中心建立的一项新合作。新的项目“STEER”评估了新兴能源技术的技术和经济潜力，并为能源转型提供“建设什么、在哪里创新以及如何投资”的建议。这项新研究评估了6000多个场景，以测试其关于钠离子电池竞争潜力的路线图的稳健性。
评估钠离子电池的市场可行性
“2022年，锂离子电池价格首次上涨，这引发了人们对可能需要替代品的担忧。钠离子或将成为锂离子近期最有力的竞争对手，许多电池公司都宣布了大规模建设钠离子电池生产线的计划，承诺将提供比现有电池更低的价格途径，”该研究的主要作者、STEER的创始人兼团队负责人Adrian Yao表示。STEER于2023年10月在美国能源部三个部门的支持下成立。
“我们认识到，钠离子电池何时以及在何种情况下可能在价格上低于锂离子电池，很大程度上都是推测，特别是考虑到锂离子电池的价格仍在持续下跌，”姚说。他曾是一家锂离子电池初创企业的创始人和首席技术官，八年后回归学术界，而该公司目前正大规模、商业化生产锂离子电池。
姚的博士联合导师是本研究的主要作者以及STEER的联合主任：可持续发展多伊尔学院（Doerr School of Sustainability）能源科学与工程系的普雷克特（Precourt）家族教授莎莉·本森（Sally Benson），以及工程学院材料科学副教授、SLAC光子科学副教授以及可持续发展多伊尔学院能源科学与工程副教授威廉·崔（William Chueh）。
“这项钠离子研究是启动STEER计划的完美选择，STEER将作为一种新方式，指导研究和投资朝着最值得追求的技术路线图迈进，也许更重要的是，避开那些不太可能成功的路线图，”本森说。
钠离子电池的使用须知与禁忌
为了在价格上与锂离子电池的一种低成本变体——磷酸铁锂（LFP）电池竞争，该研究强调了钠离子电池开发人员需要关注的几个关键途径。最重要的是，在不使用关键矿物的情况下提高能量密度。具体而言，开发人员应该在远离镍的同时，将目标定为达到磷酸铁锂的能量密度。目前，大多数领先的钠离子电池设计都依赖于相对昂贵的金属镍。
“不过，我们的主要目标不是预测实现价格平价的具体年份，而是要揭示各种市场情景对竞争技术可行性的影响，”崔说。
“作为技术专家和投资者，我们不能想当然地认为，一旦某种设备进入商业化生产，规模经济就会让价格暴跌。没错，确实会有一段学习曲线，但在这里，我们对这条曲线进行了量化，结果表明仅凭它自身是不够的，”丘也是普雷科特能源研究所的所长，他说道，“在降低钠离子电池成本方面，工程技术的进步可能比单纯扩大生产规模的作用要大得多。”
研究人员表示，此类进步和新电池化学成分通常值得探索。美国能源部2022年的储能供应链分析指出，电网储能系统技术的多样化可提高整体供应链的韧性。随着全球向可持续能源转型的过程中储能需求不断增加，如果继续严重依赖锂离子电池，将会带来安全、经济和地缘政治风险。例如，该研究模拟了如果石墨（锂离子电池中使用的一种关键材料，中国控制着全球90%以上的石墨供应）出现供应冲击，钠离子电池的竞争力将如何加速提升。事实上，2024年12月3日，中国开始大幅限制石墨对美国的出口，同时还禁止了其他三种关键矿物的出口。
该研究还指出了可能影响钠离子电池与锂离子电池竞争的市场力量和供应链条件。例如，如果锂价继续保持在当前接近历史低位的水平，钠离子电池在未来十年内要在价格上占据优势，可供选择的技术路线就会变窄。
“我们从业界从业者那里学到的关键一点是，虽然电池价格很重要，但技术只有在系统层面（例如电动汽车或电网规模的电池储能系统）才能取得成功。因此，我们目前正在扩大我们的研究范围，以提供更全面的视角，包括了解安全成本和其他系统因素，”姚（Yao）说。
接下来是
STEER已开始将其方法应用于其他技术领域。其研究人员正在研究上述经常被忽视的关键矿物——石墨的供应链。9月，在华盛顿特区举行的圆桌会议上，行业高管和能源部领导就提出和回答哪些恰当问题提出了建议。该研讨会汇集了40多家行业组织，将采矿公司到汽车制造商的价值链以及根据《两党基础设施法案》获得资助的所有石墨制造商联系在了一起。
本森说：“得益于工业界、政府和其他研究机构的合作伙伴，STEER能够识别出最有可能促进能源转型的路径，以及那些可能毫无进展的路径。我们的团队结合了商业部署经验、技术路线图和系统思维。”
STEER团队还计划分析长期储能领域的技术路线图，以及其他能源转型领域的技术路线图，如氢能和工业脱碳领域。
参考文献：《阿德里安·姚、莎莉·M·本森和威廉·C·崔2025年1月13日于《自然·能源》上发表的“对钠离子电池技术路线图和技术经济竞争力情景相对于锂离子电池的批判性评估”》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41560-024-01701-9。
本研究由美国能源部资助。
