鋰電池的終結者？鈉離子電池能否成為下一代主流？

史丹佛大學領導的一項新研究顯示，鈉離子電池有望成為鋰離子技術更廉價、更具彈性的替代品，但要獲得市場競爭力，還需要重大的技術進步和有利的市場條件。多年來，大批電池工程師及其支持者一直在尋求製造出比主流鋰離子技術更便宜的電池，希望從鋰離子技術每年 500 億美元且不斷增長的市場中分得一杯羹。

鈉離子電池有望成為鋰離子電池更便宜、更永續的替代品，但需要取得重大進展才能具備競爭力。史丹佛大學的 STEER 研究強調，要降低成本，關鍵在於創新，而不僅僅是擴大規模。圖片來源：Jim Gensheimer

在 COVID-19 引發的礦產供應鏈挑戰讓鋰價一路狂飆之後，研究人員、新創企業和風險投資家的最新寵兒——鈉離子電池——受到了廣泛關注。然而，根據《自然能源》（Nature Energy）雜誌上的一項新研究，鈉離子電池要成為低成本競爭者可能還需要幾年時間，並且需要一系列技術進步和有利的市場條件。

與鋰離子電池相比，鈉離子電池通常被認為成本更低，供應鏈更具彈性。儘管鈉離子電池潛力巨大，但仍面臨著艱難的挑戰。鈉離子電池每磅所能儲存的能量往往低於鋰離子電池。因此，撇開材料價格可能降低不談，鈉離子電池儲存單位能量的成本仍然較高。這很可能會限制鈉離子電池的廣泛商業應用——除非首先在研究方面取得突破。

史丹佛大學多爾永續發展學院的 Precourt 能源研究所與 SLAC-史丹佛電池中心合作開展了一項新研究，該研究強調了最有發展潛力的領域。這項名為 STEER 的新計畫對新興能源技術的技術和經濟潛力進行評估，並就能源轉型的「建設內容、創新方向和投資方式」提出建議。新研究評估了 6000 多個方案，以測試其鈉離子電池競爭潛力產品規畫圖的穩健性。

評估鈉離子電池的市場生存能力

「鋰離子電池的價格在 2022 年首次上漲，這給潛在的替代品需求敲響了警鐘。鈉離子電池可能是鋰離子電池近期最有吸引力的挑戰者，許多電池公司都宣布了大力發展鈉離子電池生產的計畫，有望實現比現有電池價格更低的途徑，」該研究的主要作者、STEER 的創始人兼團隊負責人 Adrian Yao 說，STEER 於 2023 年 10 月啟動，得到了美國能源部三個辦公室的支持。

「我們認識到，鈉離子電池是否、何時以及如何在價格上壓低鋰離子電池在很大程度上是一種推測，特別是考慮到鋰離子電池的價格持續下跌，」Adrian Yao 說，他是一名博士候選人，在擔任一家鋰離子電池新創公司的創始人兼首席技術長八年後重返學術界，該公司目前正在大規模商業化生產其電池。

（左起：研究作者 William Chueh、Sally Benson 和 Adrian Yao。圖片來源：Jim Gensheimer）

Adrian Yao 的博士合作導師是這項新研究的資深作者和 STEER 的聯合主任：多爾永續發展學院能源科學與工程系 Precourt 家族教授莎莉·本森（Sally Benson），以及工程學院材料科學副教授、SLAC 光子科學和多爾學院能源科學與工程系副教授威廉·丘（William Chueh）。

Benson 說：「這項鈉離子研究是啟動 STEER 的完美契機，STEER 是一種新的方法，可以引導研究和投資朝著最值得追求的技術產品規畫藍圖前進，更重要的是，它可以避免那些不太可能成功的技術產品規畫藍圖。」

為了在價格上進行競爭，特別是與鋰離子電池的低成本變體——磷酸鐵鋰電池競爭，該研究為鈉離子電池開發商強調了幾條關鍵路線。最重要的是在不使用關鍵礦物的情況下提高能量密度。具體來說，開發人員應瞄準磷酸鐵鋰的能量密度，同時摒棄鎳。目前，大多數領先的鈉離子設計都依賴於相對昂貴的金屬。

Chueh 說：「不過，我們的主要目標並不是預測何時實現價格平價的具體年份，而是浮現各種市場情景對競爭技術可行性的影響。作為技術專家和投資者，我們不能假定，一旦設備實現商業化生產，規模經濟總是會讓價格暴跌。是的，會有一個學習曲線，但這裡，我們量化了這個曲線，並證明它本身是不夠的，在降低鈉離子電池成本方面，工程技術的進步可能比簡單地擴大生產規模要大得多。」

研究人員說，這種進步和新型電池化學物質一般都值得追求。能源部的 2022 年儲能供應鏈分析報告指出，電網儲能系統技術的多樣化可以提高整個供應鏈的彈性。在全球向永續能源轉型需要更多儲能技術的情況下，繼續嚴重依賴鋰離子電池將帶來安全、經濟和地緣政治風險。例如，研究模擬了如果石墨（鋰離子電池中使用的一種關鍵材料，中國控制著全球 90% 以上的供應量）發生供應衝擊，鈉離子的競爭力將如何加速。事實上，2024 年 12 月 3 日，中國開始大幅限制向美國出口石墨，同時還禁止出口其他三種關鍵礦物。

研究還指出了可能影響鈉離子與鋰離子競爭的市場力量和供應鏈條件。例如，如果鋰的價格繼續保持目前接近歷史低點的水準，那麼鈉離子電池在未來十年的價格優勢就會縮小。

「我們從業界從業者那裡了解到的一個關鍵點是，雖然電池芯價格很重要，但技術只有在系統層面才能取得成功，比如電動汽車或電網規模的電池儲能系統。這就是為什麼我們現在要擴大範圍，提供更全面的視角，包括了解安全成本和其他系統考量因素。」

STEER 已開始將其方法應用於其他技術領域。其研究人員正在研究之前提到的、經常被忽視的關鍵礦物：石墨的供應鏈。在 9 月於華盛頓特區舉行的一次圓桌會議上，業界高層和能源部領導就應該提出和回答的正確問題提出了建議。參加此次研討會的有 40 多家業界組織，匯集了從採礦公司到汽車製造商的價值鏈，以及根據《兩黨基礎設施法》（Bipartisan Infrastructure Law）獲得資助的每一家石墨製造商。

本森說：「得益於我們在業界、政府和其他研究機構中的合作者，STEER 能夠識別出最有可能促進能源轉型的路徑，以及那些可能無路可走的的路徑。我們的團隊結合了商業部署經驗、技術產品規畫藍圖和系統思維。」

STEER 團隊還計畫分析長期儲能技術產品規畫藍圖，以及氫能和工業脫碳等其他能源轉型領域。