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钠离子电池基本原理及应用场景

学术 2024-11-15 00:00 广东

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简要导览：

内容来源: 钠电材料

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在2025年，乐观情况下，钠电池在储能领域的渗透率有望提升至6%/13%，在两轮电动车领域渗透率有望提升至20%/40%，预计全球钠电池总需求量有望超过30/70GWh。

钠离子电池的理论成本更低，工作温度更宽，性能与储能环境更为匹配。其能在-20℃下容量保持率大于88%，这意味着相较于锂离子电池，钠离子电池能有效解决高寒地区储能电站效率低下的问题。

结合我国风电分布情况来看，我国风电项目主要发电分布在东北、华北、西北、东部沿海各省及云南等地，而这些地区冬季最低温度多在-20℃以下，相关储能系统搭载钠离子电池也许更加适配当地自然环境。

钠离子电池工作原理

钠离子电池是一种类似锂离子电池的摇椅式二次电池。主要包括正极、负极、电解液、隔膜、集流体五个部分，技术的重难点集中于正极、负极材料。

其工作原理为钠离子在正极、负极材料中的嵌入脱嵌，以实现能量的充入与释放。电池充电时，钠离子透过隔膜从正极向负极迁移，正极中的部分钠离子脱嵌进入电解液，电解液中的部分钠离子嵌入石墨或硬碳材料的晶格间隙中。放电时相反，负极钠离子脱嵌，正极钠离子嵌入，钠离子从负极向正极迁移。

钠离子电池的储能优势

钠离子电池用于储能，具备以下优势：

（1）高低温性能优异，可在大温度范围内工作，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。

（2）大功率工作。储能设备需要满足间歇的大规模储能，同时要具备大功率输出的特点。

（3）绿色环保可持续。钠电正负极集流体采用铝箔，电池的结构和组分更简单，也更易于回收再利用。

钠电池储能应用

各应用场景对电池技术参数要求侧重点不同：

储能应用侧重于循环寿命与可靠性，由于空间相对较大，运行工况简单，所以能量密度要求较低。其中大储对循环寿命以及可靠性要求较高，大储使用 LCOE（平准化度电成本）评判成本高低，钠离子电池虽成本低，但循环性能低，并没有优势。

户储、 UPS、基站储能对这两个指标要求相对较低，侧重购置成本，循环寿命要求相对较低；

各场景成本评价要素与核心影响因素

各应用场景对电池各项指标侧重点不一样

钠电在户储应用

户储对循环寿命以及性能要求较低，系统容量不大，安全性管控较易。To C 属性的户储容量为~100kWh 级别，容量较小，对电池的循环寿命要求较低，一般要求为 6000 次左右，钠离子在产业化初期已经接近此要求。

全球首台钠离子太阳能发电机

同时户储电芯数量较少，往往只有20~40 只电芯，容量为 100Ah 左右，整体系统电量仅相当于 1/10 台 BEV，一致性和安全性管控较易。

ATL48V/6.5kWh 户储电柜

在户储领域，电池性能、循环寿命要求较低，购置成本是核心评判指标。钠离子电池循环寿命能做到 4000-5000 次，在户储领域由于不一定满充满放，对电池循环寿命损伤较低，而且质保年限通常为 10 年，按每天充放电一次来算，钠离子电池能够满足此领域的要求。

户储对电池的要求性能低

同时户储产品体积较小，钠离子电池体积能量密度较低的问题不会对成本和占地面积造成太大的影响。而户储用户更关心成本，所以钠离子电池购置成本就是核心评判指标。随着钠离子电池产业化的进行，有望在此应用场景对磷酸铁锂电池实现快速替代。

钠电池在大储应用

大储对循环寿命和性能要求高，系统容量大，安全性和一致性管控难。To B 属性的大储单个 EPC 容量大，为 MWh 级别，对电池的循环寿命和可靠性要求高，目前系统规划应用年限为 20 年，对应电池的循环寿命要求在 10000 次以上，磷酸铁锂体系电芯通过补锂、正极改善等技术可以达到此水平。

中科海钠钠离子电池储能系统

然而钠离子电池电芯循环寿命在 4000-5000 次，远低于磷酸铁锂电池，在大储使用场景中往往需要进行多次替换；同时大储系统电芯数量多，往往有 3000~4000 只电芯，且容量较大，为 280Ah+，一旦发生安全事故，整体损失较大，所以一致性和安全性管控较难。

海辰新能源3.58MWh 工商业储能集装箱

钠电池在基站、UPS 领域

基站电池和 UPS 都是作为备用电源来使用，对循环寿命的要求较低，而对抗浮充性能、电量衰减率和日历寿命要求较高。备用电源设备往往采用电网供电，只有当停电发生的时候才进行工作，由于看重成本，以前往往采用梯次利用的磷酸铁锂电池作为备用电源。

随着性能要求提升，宁德时代在 5G 基站领域推出了 100Ah 的电芯。在 UPS 场景中，电压范围变化较大，宁德时代推出了 20Ah 的圆柱电池来适配不同的电压范围。

钠离子电池循环寿命较长，有望满足此场景应用，因此类似于户储的应用逻辑，当规模化降本进行之后，有望在此领域快速进行替代。

钠电池应用案例

产品案例一：钠离子电池家用储能系统

2022年1月，全球首款钠离子电池家用储能系统正式亮相国际著名消费技术展览——拉斯维加斯CES展。该产品由BLUETTI公司设计，其搭载的钠离子电池由京津冀国家技术创新中心培育的高科技企业中科海钠完全自主研发。

此次BLUETTI铂陆帝推出的储能产品NA300，专为家庭供电而设计，基础款为3度电3千瓦的配置，依照家庭使用的需求，可加配4.8度电的钠离子电池包，组成7.8度电3千瓦的增配款，或12.6度电的高配款，最高可组成25.2度电6千瓦的光伏储能系统，基本满足中产阶级家庭每天的电力需求。

工程案例二：中科海钠主导的首个钠离子电池储能电站项目

2019年3月29日，由中科海钠科技有限责任公司生产、中国科学院物理研究所胡勇胜带队研发的钠离子电池储能电站项目，在江苏常州长三角物理研究中心成功投运。该储能电站项目创新采用了30kW/100kWh的钠离子电池，这是世界上首次将钠离子电池应用于储能电站。

工程案例三：三峡乌兰察布钠离子电池储能系统

2021年11月12日下午，全球首台100kWh钠离子电池数字储能系统样机顺利通电，该样机也是乌兰察布“源网荷储”技术研发试验基地新型储能验证平台首个完成通电测试的试制储能集装箱。

工程案例四：长江航道航标首次使用钠离子电池。

2021年9月，长江芜湖大桥水道大桥上左右通航浮使用了一种新型航标供电电池——钠离子电池，该电池在长江航道航标上使用尚属首次。

工程案例五：悉尼水务公司邦迪污水泵站

在2018年，Bondi 的可再生能源发电系统的调试工作已经完成，该系统包括6千瓦的太阳能电池板、一个临时锂离子电池组和一个能源管理系统，以最大限度地提高能源效率。

该装置是耗资1060万美元的智能钠存储系统项目的一部分，该项目主要由澳大利亚可再生能源局（ARENA）资助，旨在开发和演示可再生能源存储应用中的钠离子电池。

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