全球能源转型需要大规模部署应用于电动汽车和固定式储能系统的电池。近年，几乎所有进入市场的新储能系统都与锂离子电池相关，这在很大程度上得益于锂离子电池过去30年商业化进程中大幅下降的生产成本——1991年，锂离子电池首次实现商业化，现在的生产成本相比当时已经下降超过97%。然而，近年来，快速上涨的锂离子电池原材料需求也给相关矿物（具体来说就是锂、镍、石墨和钴）供应链造成了极大负担。结果就是，锂离子电池价格平均指数在2022年首次上涨——但随后便因为矿产价格暴跌再度下挫。于是，部分人士开始担忧过度依赖锂离子电池的现状，以及生产瓶颈、供应链冲击和地缘政治约束的风险。
钠离子电池有望在短期内就成为锂离子电池的可靠替代品，原因主要有二：一是已探明的钠的相关矿物储量和可开采量近年来不断上升，这意味着原材料价格降低；二是生产制造钠离子电池与锂离子电池的基础设备完全兼容，这意味着钠离子电池能以很快的速度实现规模化生产。因此，为应对新冠疫情之后锂离子电池原材料价格大幅飙升的现实，相关电池制造商最近宣布，他们计划在2030年之前新增至少240吉瓦时的钠离子电池产能，并且有望让钠离子电池的成本小于锂离子电池。然而，钠离子电池究竟是否能够拥有相比锂离子电池的价格优势，能够在何时以及多大程度上实现这种优势，目前基本还停留在猜测层面。
20世纪30年代，航空工程师西奥多 · 莱特（Theodore Wright）提出莱特定律：当飞机产量翻倍时，飞机生产成本以特定速度下降。自那之后，基于莱特定律的学习曲线就被广泛应用于预测技术进步和产品价格。标准学习曲线预测，价格下降是累积产量的函数（“干中学”）。从统计结果上看，标准学习曲线能够准确预测包括能源技术在内的众多领域的价格变化。考虑到锂离子电池在产业端的重要性，已然有一些研究试图用传统形式的莱特定律描述这类电池的价格走势。与此同时，还有一些研究则在标准学习曲线中添加了诸如“研中学”“规模经济”等特征因素，以理解锂离子电池的历史发展趋势。然而，传统学习曲线不切实际地假设锂离子电池的成本会无限降低直至最后趋近于零，忽略了原材料价格设定的限制。于是，另有一些研究方案试图引入原材料价格下限以进一步约束学习曲线，从而让其预测结果更贴近实际。值得注意的是，我们不能先入为主地假定所有额外引入的价格下限或参量都有效。举例来说，历史已经证明，以专家意见为基础的价格下限不符合现实，而额外的参量则会因为过度拟合而降低模型预测结果的准确性。
在这项研究中，我们提出的方法将各种电池材料组件的学习曲线（受成本价格限制）同技术开发路线图（也能体现足以更好预测未来价格趋势的学习行为）结合起来，从而在模型的简洁性和准确性之间取得平衡。模型、方法建立后，我们就会预测在各种技术、市场和供应链环境中锂离子电池和钠离子电池的价格发展趋势，从而确定能够提升钠离子电池技术经济竞争力的策略。
将学习曲线同技术路线图结合在一起
我们根据两方面的信息构建了历史价格曲线和未来价格曲线：一是材料组件价格（每千克或每平方米材料多少美元），通过“干中学”的方式演化，形成基于累积经验的函数；二是“材料强度”（每生产可以储能1千瓦时的电池需要多少千克原材料），随时间的推移变化，动因是不断进步的电池工程技术和相关原材料技术。我们对这两类因素都设定了实际应用场景中的下限：对于材料组件价格用的是相关矿物价格下限，对于材料强度用的是工程技术设置的下限。因此，我们的研究方法其实算是结合了修正版的莱特定律和修正版的摩尔定律。我们为电池中的各种材料组件都构建了单独的学习曲线，并且根据其基准关键矿物的元素构成设定了价格下限，这样的价格下限当然随时间而动态变化。于是，每种材料组件成本都由两方面因素构成：一是波动的价格材料下限，代表从一系列历史价格和未来预测价格中得出的各种潜在矿物价格下限的加权总和；二是与历史市场份额和预测市场份额成比例的学习曲线，代表非矿物投入成本的下降。非矿物投入包括与资本设备相关的费用、运营成本、生产废料处理费用、化学转化效率导致的浪费以及其他各个方面的花费。整条学习曲线总体呈下降趋势，与技术改进（包括处理方式创新、优化，规模经济等因素）的预期相符。相比之下，市场驱动的波动预计会出现在原材料价格的下限部分。这种方法类似以往文献中将燃煤发电成本分解为燃料商品的“波动”价格下限以及由于技术进步而降低的发电厂建设成本。不过，我们在这项研究中并没有将材料组件学习曲线进一步分解为上述确定的技术因素，预计会在未来的研究中把重点放在这些因素上。
只要有了每种材料组件受下限价格约束的学习曲线，接着就能根据它们的质量或面积强度求和。为了呈现材料强度稳定随时间推移而下降的特性（到目前为止，这是锂离子电池价格不断下降的主要原因），我们以自下而上的方式模拟电池设计，既能代表过去已经生产出来的商业产品，也能体现当前最先进的设计，还能兼顾材料性能提升和电池技术进步的未来发展。我们从各种电池设计之间的材料强度（都归结到每个具体的时间点）差异出发，通过拟合各条曲线（渐近极限由理论或实际工程学极限定义）构建路线图。这种方法类似以往文献中基于硅耗量和硅片尺寸等可观测技术因素分析太阳能光伏设备价格下降的做法。不过，在这项研究中，我们以自下而上的建模为基础，通过拟合各种材料组件的强度曲线提高分辨率，并且不再将制造成本进一步分解为其他技术因素。众所周知，电池的成本主要由其原材料决定。我们正是基于这一事实证明了研究方法的有效性，并且力求具体探究材料技术和电池设计的提升会如何影响电池价格走势。因此，我们模拟得到的间接制造成本变化趋势囊括了因原材料加工收率提升和规模经济而促成的成本下降。至于具体的材料清单和制造成本，我们借助了美国阿贡国家实验室设计开发的基于电池性能与成本过程的模型BatPaC。由于BatPaC模型针对的是最先进电池的制造模拟，我们只使用其中有关当前电池设计、制造的间接成本部分，然后再通过历史制造成本数据拟合各种材料的学习曲线，以预测未来发展趋势。
我们的模型取决于从产业数据贡献者那里获取的数据，来源相当广泛，尽可能地保证了准确性和相关性。具体来说，这些数据源包括：“基准矿物情报”“伍德麦肯锡”“彭博新能源财经”“阿维森能源”“标普全球”以及其他商业报告。另外，为了获取有关实际价格指数、最先进电池设计以及生产成本方面的数据，我们还特地咨询了产业专家小组，以验证上述数据的准确性和相关性。
以锂离子电池为基础建立基准线
我们建立锂离子电池基准线的过程主要分为两步：一是建立受底线价格限制的各种材料组件学习曲线；二是建立符合实际情况的技术发展路线图。我们把2023年定义为现在。2023年之前的年份则设定为历史的、静态的，相关信息用于参数拟合。2023年之后的年份则是对未来的预测，基础是对未来矿产价格和市场增长的预期。
只要确定了特征学习率，就可以通过对市场增长和矿产价格的未来判断预测锂离子电池价格，当然前提是学习率不变。值得一提的是，这两者之间其实存在内禀性关联，但我们视其为互相独立的。另外，我们还意识到曲线预测的时间跨度要长于用来拟合学习率常数的历史数据的时间跨度，但就模拟未来情况的目的来说，这已经足够提供一阶近似。我们根据多个市场数据源提供的情报预测了锂离子电池市场的增长。其中，“市场以锂离子电池为主导”这个场景默认，到2050年之前，钠离子电池的市场份额没有达到能叫板锂离子电池的程度，且磷酸铁锂（LFP）电池的市场渗透率达到至少50%。接着，我们就可以按质量将其转换为对镍钴锰酸锂（NMC）型电池的需求。由于预测关键矿物未来价格走势这项任务本身就很有挑战性，我们还分别对镍和锂建立了固定价格的高/中/低预测场景模型，以测试模型的灵敏度。然后，我们又能计算出材料组件的价格下限。为了确保历史材料价格时间序列和预测价格时间序列之间保持连续，我们给这两者都施加了限制：都让其收敛于当前（2023年）的价格。而2023年的数据是从各个相关产业的数据源那儿获取并汇总得到的，具有相当高的可靠性。最后的结果是形成了对材料组件价格的预测，并且能够对矿物价格的动态波动和市场渗透的动态变化做出反应。
我们把上述这一整套流程应用在了锂离子电池要用到的所有原材料组件上，其中包括阴极材料的各种化学成分。虽然就目前的情况而言，锂离子电池的阴极材料有NMC和LFP两种，但在后文中我们将重点讨论LFP，因为就性能和成本而言，普遍认为LFP电池才是钠离子电池的主要竞争对手。我们应用前文介绍的方法得到了LFP电池材料的预测价格。
为了建立锂离子技术路线图，我们开发了代表过去与现在的NMC电池和LFP电池的模型。当前的电池设计建模基于近年来在文献中发表的对最先进商用电池的拆解分析。过去的电池设计建模当然也基于以往文献中对先进商用电池的拆解分析，但同时还囊括了这些商用电池发布时记录了其工程学过程的相关产业报告。这样一来，我们就能拟合出与技术发展路线图相对应的材料强度发展趋势。需要特别注意的是，我们没有建模下一代锂离子技术发展路线图（磷酸锰铁锂阴极、硅阳极等技术），而这些新技术其实可以大幅降低材料强度。因此，我们的分析给出的其实是对锂离子价格下降预期的保守结果。
最后，我们结合材料组件价格预测结果和材料强度技术发展路线图，以LFP电池为对象构建了完整的锂离子价格曲线。我们的结论是，在锂价格略低于每吨22 000美元（高位）的前提下，LFP电池在2030年的预测价格为每千瓦时51美元。另外，如果锂的价格处于每吨10 500美元（低位），那么LFP电池在2030年的预测价格将低至每千瓦时45美元。
解析技术学习的源头
详细考察各材料组件的拟合学习率之后，我们发现学习率似乎与处理复杂性相关，这可能与生产过程中所需的控制参数数量相关（更清晰地定义技术学习率并且将其同复杂性关联起来是未来研究的主题）。复杂性更高的过程（比如阴极合成和电池组装）往往具有更高的技术学习率，而复杂性更低的过程（比如生产金属箔和阳极）的技术学习率则往往较低。然而，与以往文献中的锂离子技术学习率相比，我们发现，我们研究中的各个材料组件的技术学习率均低于电池历史价格呈现的总体平均降幅（21.1±3.7%）。这表明，肯定还存在另一个关键因素与锂离子电池价格整体下降相关。这可以用过去几十年中锂离子电池设计方面的技术进步解释，比如现在生产一千瓦时电池的材料强度已经大大低于以往。具体而言，电池从功率优化向能量优化转变，从而使得材料的利用率提高。另外，材料比容量的持续提升也是促成这种现象的原因之一。
因此，锂离子电池价格大幅下降的趋势其实是两大方面因素作用的共同结果：一是生产实践带来的材料成本降低；二是重大工程技术的进步和经验的积累。
预测钠离子电池发展技术路线图
同锂离子电池一样，钠离子电池也是一个涵盖了多种电池技术的总称，通常按电池阴极材料类别进行分类，包括：过渡金属层状氧化物电池、聚阴离子电池和普鲁士蓝类似物电池。近年来的商业化努力表明两种类型的钠离子电池具备极强的发展潜力：一是通式为Nax(M)O2（x约等于1，M可以是镍、铁、锰、铜）的层状氧化物型，其中NaNixMny(M)1-x-yO2(NaNM)最为常见；二是不含钒的混合聚阴离子材料，化学式为Na4Fe3(PO4)2(P2O7)（NFPP）。几乎所有的钠离子电池阳极材料用的都是无序硬碳（HCs），而不是锂离子电池中使用的结晶石墨，这是因为钠的存储容量较低。当然，无序硬碳也并非完全没有替代方案，新兴技术方向包括：一是金属锡（Sn）与钠形成合金；二是“无阳极”方案，直接在电流收集器上沉积并剥离金属钠。我们在研究中以NaNM为参考，专门对NaNi0.33Mnx(M)0.67?xO2建模，其中，M包含镁和钛的掺杂剂，且目前正处于商业化阶段。由于非镍过渡金属对矿物成本和氧化还原活性的贡献可以忽略不计，我们的NaNM模型在功能上也可以表征诸如NaNi0.33Fe0.33Mn0.33O2(NFM111)之类的成分。由于镍的价格近年来不断走高，产业界对于使用铁、锰等储量丰富的元素代替镍产生了浓厚的兴趣。考虑到这一点，我们还对Na0.67Fe0.5Mn0.5O2(NaFM)等材料做了建模。不过，由于这些材料仍然存在无法解决的性能难题，我们还构建了技术路线图。按照这张技术发展路线图，镍在钠离子电池中的含量在2040年左右会逐渐减少到0——类似多年以来NMC型锂离子电池阴极材料中钴含量逐步降低。值得一提的是，这张技术发展路线图与保持静态33%镍化学计量比的技术发展路线图是分开建模的。
模型中涉及的三大关键细分市场分别是固定式储能系统、两轮/三轮及其他微型交通工具，以及电动汽车。具体来说，我们假想了三种钠离子市场增长场景，市场渗透率依次递增，最保守的是到2040年在固定式储能系统中钠离子电池市场渗透率达100%，而最激进的则是到2035年钠离子电池在固定式储能系统中市场渗透率达100%，到2040年在两轮/三轮及其他微型交通工具中市场渗透率达100%，并且到2040年在电动汽车中市场渗透率达25%。需要注意的是，其中最保守的市场渗透率预测场景与产业数据贡献者提供的预测结果最为接近。
考虑到在技术经济上捕捉工程进展的重要性，我们为各种设计方案的钠离子电池都建立了技术发展路线图，比如NaNM|HC、NaFM|HC、NFPP|HC、NaNM|Sn、NaFM|Sn、NFPP|Sn、NaNM|无阳极和NaFM|无阳极。 所有这些路线图都假定从2024年最前沿的设计方案开始逐步提升，到2030年实现符合未来需求的技术进步，从而提高电池能量密度并降低价格。
在此，有必要强调我们所做的关键假设，主要有以下几点。第一，我们假设生产制造未来钠离子电池的基础设备与现在生产制造锂离子电池的完全兼容、即插即用，也即无需新的生产制造经验就能立即做到高产量生产。第二，我们假设市场渗透率与技术定价完全脱钩，也即在建模时忽略标准需求曲线中原本存在的内生性。第三，技术学习率可以顺畅地从锂离子电池技术迁移到钠离子电池技术，并且，这两种碱金属电池的阴极、阳极和其他组件都能以相同速率实现技术进步。在此之前，我们就已经发现了这样的现象：具有相似工艺复杂程度的材料在生产制造上具有相似的学习率。这个事实支持了上述第三点假设，但我们在后续的场景分析中也评估了更激进的学习率。我们注意到，有了前两个假设，便可以从一开始就以最佳情况模拟钠离子电池的技术经济竞争力。另外，我们没有将下一代锂离子电池技术发展路线图（比如磷酸锰铁锂阴极、硅阳极等技术）纳入考量，以进一步评估钠离子电池的最佳状况。最后，我们要强调，在这项研究中，我们只是在电池层面评估钠离子电池的相关技术，以存储单位能量的价格（每千瓦时美元）作为主要衡量标准。因此，这项研究并没有涉及系统层面的考量（比如因为安全性增强或热管理需求降低而可能节省的电池组集成成本），也没有涉及因性能提升而产生的各类经济因素（比如因为使用寿命延长而可能降低的平均储能价格）。
建模各类场景以找出钠离子电池具备竞争力的条件
我们采用上述方法评估了6048种钠离子电池应用场景组合，所有场景都假设从2024年开始将实现钠离子电池的吉瓦时级别规模生产。我们计算并比较了每种应用场景中的钠离子电池（以NaFM|HC 2型电池为例）。我们还进一步将“价格持平”条件定义为钠离子电池价格低于LFP电池的概率大于等于20%，当这个概率大于等于80%时，则将其定义为“价格优势”。结果显示：在不出现石墨供应链冲击的情况下，钠离子电池在2035年能实现与锂离子电池价格持平，在2047年能获得价格优势；如果在2027年前出现石墨供应链冲击，那么钠离子电池的价格持平时间将提前至2032年，获得价格优势时间则提前至2038年。
讨 论
需要强调的是，虽然我们的方法能够计算出钠离子电池获得价格优势的时间线，但这种方法的主要价值是理解各种市场场景对两类电池技术相互竞争的发展路线图可行性的影响，而非具体预测出两者发生竞争优势交汇的年份。实际上，精确预测钠离子电池赶超锂离子电池的时间点实在过于困难，很难成为研究的关键目标，因为存在各种与市场力量相关的不确定因素，比如矿产价格、需求增长和地缘政治冲突等。
因此，我们的一大关键成果在于揭示在何种情况下能够最大化钠离子电池的技术经济竞争力。当供应链状况对锂离子电池（特别是LFP电池）不利时——比如锂的价格居高不下，石墨供应链遭受冲击，或两种因素叠加——钠离子电池的竞争力会全面上升。相比之下，当供应链状况对钠离子电池（特别是含镍的钠离子电池）不利时，其市场竞争力则会遭受严重打击。同时，追求最大程度提高能量密度的技术发展路线图对于加快兑现钠离子电池的市场竞争力至关重要。需要注意的是，全部6048种应用场景中的很大一部分（2522种）在2050年之前不会拥有钠离子电池具备价格优势的条件。不过，重要的是，这并不意味着钠离子电池不具备竞争力。另外，在所有应用场景中，超过40%能在2030年或之前达成钠离子电池同锂离子电池的价格持平条件，且平均“持平期”为5.6±3.6年。考虑到钠离子电池是锂离子电池具备竞争力的可行替代方案，且两者价格发展趋势相似（前提是在性能上也达到了同样水平），锂离子原材料供应链的任何意外情况都可能使钠离子立刻成为价格上更具优势的选择。
举例来说，假如锂的价格在2027年之前持续上涨并保持高位（碳酸锂当量大约每吨5万美元），那么超过55%的钠离子技术发展路线图会在2035年之前取得相对LFP电池的价格优势条件。相反，如果锂矿的价格保持在低位（碳酸锂当量大约每吨1万美元），只要石墨供应链没有出现中断，几乎不会有任何应用场景能让钠离子电池发展出价格优势。作为参考，在本文撰写时（2024年），锂的现货价格平均为每吨1万美元至1.5万美元，这是2023年下半年电动汽车销量下滑导致电池原材料供应过剩的结果。因此，锂的价格能否持续处于低位这个问题影响深远，尤其是对钠离子电池的商业竞争力而言。
钠离子电池实现成本优势最快、最可靠的方法是通过提高材料和电池层面的能量密度来降低材料用量，技术层面最为重要的驱动因素是提高截止电压上限、阴极和阳极的比容量以及电极厚度。提高截止电压上限无疑是极为重要的技术进步。然而，由于材料限制、气体释放或系统集成时电力电子设备方面的难题，截止电压上限不能持续提高。因此，提高电极比容量就成了一项重要策略。在含有镍成分的电池阴极中，理想情况下提高比容量可以与降低镍含量结合，因为镍含量的相对重要性较低。在这里，值得强调的是，与拟合学习率和材料组件起始价格相关的不确定性不太可能对结论产生显著影响。
提高HC阳极的比容量是一个确定可行的关键设计方向。由于HC类材料分接密度、压延密度低，实际使用中厚度存在限制，因而平衡阴极只能采用较低的面容量负载（每平方厘米毫安时级别）。这会引发多种连锁反应，比如需要更多电解质浸润电极内增加的孔隙。另外，HC类电池的电压曲线斜率很大，限制了可以提供的电池能量总量，对成本效益产生了负面影响。出于这些原因，HC类材料虽然的确具备让第一代钠离子电池产品具备商业可行性的条件，但要实现长远的技术经济竞争力进而同锂离子电池分庭抗礼，还需要大幅提高其比容量（至少每克400毫安时）甚至彻底更换阳极材料。
另一种钠离子电池设计方向是彻底放弃阳极材料，转而选择无阳极电池结构。这种创新方案的风险当然更高，但应该不需要对当前这一代的钠离子阴极技术做大幅调整。然而，实现无阳极结构所需的先进隔膜、电解质和/或集流体，必须在不改变技术经济性的前提下完成。
总而言之，钠离子电池值得我们深入、广泛地研究和开发，并重视商业化。我们认为，对钠离子电池当前或短期（2030年前）的前景应当持谨慎态度，其相对于锂离子电池（尤其是LFP电池）的价格优势在短期内仍旧停留在纸面上。不过，我们同样相信，在锂离子电池原材料供应链出现波动的情况下，钠离子电池绝对是一种可行的替代方案，能够代替锂离子电池在全球能源转型中发挥重要作用。鉴于此，我们建议继续投资钠离子电池的技术开发，使其具备同锂离子电池一较高下的市场竞争力。同样地，考虑到锂离子电池已经表现出对供应链冲击的高度敏感性，对锂离子电池原材料供应链的安全建设也应当成为继续投资的方向，不能放弃。
开发低成本电池的最终目标是迅速在各类车辆以及固定式应用场景中快速部署这类储能设备，以满足能源转型的需求。在全球气候态势紧张的大背景下，即使面临地缘政治局势愈发紧张、供应链波动的不利条件，这个终极目标也必须达成。因此，我们不仅要做到准确预测现有技术的价格发展趋势，而且要深入了解新兴技术的竞争力与替代可能，这一点也同样非常重要。我们在此提出的建模框架就有助于实现这个目标。我们的建模结果对后续研究工作有指导意义，并且能为与相关产品技术经济竞争力和商业成功概率相称的战略投资提供参考。
资料来源 Nature Energy
____________________
本文由斯坦福大学材料科学与工程系阙宗仰（William Chueh）领衔团队完成。阙宗仰于2024年6月起担任斯坦福大学普雷考特能源研究所所长