研究背景

能源轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模部署用于電動(dòng)汽車（EV）和固定儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的電池。近年來(lái)，鋰離子（Li-ion）電池幾乎承擔(dān)了所有新儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署，這在很大程度上是由于在過(guò)去三十年的商業(yè)化中成本的大幅下降，其特點(diǎn)是激進(jìn)的學(xué)習(xí)率，自1991年首次商業(yè)化以來(lái)價(jià)格已下降超過(guò)97%。然而，近期Li-ion需求的快速增長(zhǎng)對(duì)礦物供應(yīng)鏈——特別是鋰、鎳、石墨和鈷——造成了巨大負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致2022年平均Li-ion電池價(jià)格指數(shù)首次上漲，隨后隨著礦物價(jià)格暴跌再次回落。這促使一些人加劇了對(duì)可能過(guò)度依賴Li-ion的擔(dān)憂，以及生產(chǎn)瓶頸、供應(yīng)鏈沖擊和地緣政治約束的風(fēng)險(xiǎn)。鈉離子電池因其可能成為低成本的鋰離子電池替代品而受到了顯著關(guān)注，尤其是在鋰離子電池面臨關(guān)鍵礦物供應(yīng)短缺和價(jià)格波動(dòng)的情況下。

研究問(wèn)題

本文使用一個(gè)包含組件學(xué)習(xí)曲線的建模框架來(lái)評(píng)估其與現(xiàn)有鋰離子電池的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，該框架受到礦物價(jià)格和工程設(shè)計(jì)底線的限制。本文比較了超過(guò)6000種情景下鈉離子和鋰離子電池的價(jià)格趨勢(shì)預(yù)測(cè)，這些情景包括不同的鈉離子技術(shù)發(fā)展路線圖、供應(yīng)鏈場(chǎng)景、市場(chǎng)滲透率和學(xué)習(xí)率。假設(shè)通過(guò)針對(duì)性的研發(fā)可以在技術(shù)路線圖上取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，本文確定了幾種可能在2030年代達(dá)到與低成本鋰離子變體成本競(jìng)爭(zhēng)力的鈉離子路徑。此外，本文表明，時(shí)間線對(duì)關(guān)鍵礦物供應(yīng)鏈（即鋰、石墨和鎳）的變化非常敏感。本文的模型結(jié)果表明，在短期內(nèi)相對(duì)于低成本鋰離子變體具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)是具有挑戰(zhàn)性的，而提高鈉離子的能量密度以減少材料強(qiáng)度是提高競(jìng)爭(zhēng)力最有影響的方式之一。

圖1| 建立受材料成本約束的學(xué)習(xí)曲線

要點(diǎn)1：

1.圖1展示了建立地板約束的材料組件學(xué)習(xí)曲線的一個(gè)示例過(guò)程，以NMC正極材料為例。從行業(yè)和文獻(xiàn)來(lái)源收集的歷史價(jià)格評(píng)估被整理成時(shí)間序列，起始于2010年或更早。本文還收集了歷史生產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以便計(jì)算累積的“經(jīng)驗(yàn)”。這些數(shù)據(jù)都顯示在圖1a中。關(guān)鍵礦物的歷史定價(jià)數(shù)據(jù)來(lái)自行業(yè)數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者。此外，還從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的礦產(chǎn)商品摘要中收集了自1991年以來(lái)的歷史價(jià)格數(shù)據(jù)，所有價(jià)格數(shù)據(jù)均調(diào)整為2023年的美元價(jià)值。綜合的礦物價(jià)格顯示在圖1b中。隨后，根據(jù)它們的化學(xué)計(jì)量比加權(quán)求和每種礦物成分，生成材料成分價(jià)格地板，如圖1c所示。對(duì)于歷史上經(jīng)歷過(guò)化學(xué)計(jì)量變化的材料如NMC類型材料，采用每個(gè)“節(jié)點(diǎn)”組成的體積加權(quán)平均值，以反映每一步的時(shí)間代表混合。最后，通過(guò)了解成分價(jià)格地板、實(shí)際歷史價(jià)格評(píng)估和累計(jì)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這充分限制了修改后的Wright定律，使得學(xué)習(xí)率成為唯一的擬合參數(shù)。然后，學(xué)習(xí)曲線代表了與材料成分相關(guān)的非礦物成本，并以總價(jià)（價(jià)格地板 + 學(xué)習(xí)曲線）匹配歷史價(jià)格評(píng)估的方式進(jìn)行擬合，如圖1d所示。

圖2|技術(shù)價(jià)格曲線的組件式受約束構(gòu)建

要點(diǎn)2：

1.本文分析了鋰離子電池中使用的全套材料組件，包括各種正極材料的化學(xué)成分。雖然上文以NMC為例進(jìn)行說(shuō)明，但在此之后本文將主要關(guān)注LFP，因?yàn)樵谛阅芎统杀痉矫妫粡V泛認(rèn)為與鈉離子電池更具可比性。使用相同的方法，LFP材料的價(jià)格預(yù)測(cè)如圖2a所示。最后，結(jié)合材料組件的價(jià)格預(yù)測(cè)和材料強(qiáng)度路線圖，本文構(gòu)建了完整的鋰離子電池價(jià)格曲線，如圖2c所示，其中LFP的價(jià)格曲線。最終的LFP價(jià)格曲線如圖2d所示，假設(shè)到2030年鋰的價(jià)格略低于22，000/噸（如果鋰的價(jià)格為約22，000/噸（如果鋰的價(jià)格為約10，500/噸，則根據(jù)補(bǔ)充圖8和補(bǔ)充注釋4中的低價(jià)情景，預(yù)測(cè)價(jià)格可低至45美元/kWh），預(yù)測(cè)價(jià)格將達(dá)到45?美元/kWh），預(yù)測(cè)價(jià)格將達(dá)到51?美元/kWh。

圖3| 基于電池建模、路線規(guī)劃和現(xiàn)實(shí)材料價(jià)格評(píng)估的Na-ion價(jià)格曲線示例構(gòu)建

要點(diǎn)3：

1.以評(píng)估“NaNM|HC 7”路線圖為例：一個(gè)NaNM|HC基準(zhǔn)電池設(shè)計(jì)在2030年之前經(jīng)歷了以下變化：HC特定容量從330?mAh?g?1增加到400?mAh?g?1，電池工作電壓從4.0?V增加到4.2?V，NaNM特定容量增加了20%（從2.0?V到4.25?V測(cè)量約175?mAh?g?1）。由此產(chǎn)生的材料強(qiáng)度趨勢(shì)如圖3a所示。關(guān)鍵鈉離子材料成分的定價(jià)通過(guò)調(diào)查行業(yè)專家來(lái)源獲得，以確保商業(yè)相關(guān)性。這些值總結(jié)在圖3b中。應(yīng)用各種學(xué)習(xí)率和市場(chǎng)增長(zhǎng)假設(shè)，本文通過(guò)組件構(gòu)造方法預(yù)測(cè)了鈉離子價(jià)格曲線。圖3c展示了一個(gè)最保守的市場(chǎng)滲透情景（到2040年ESS中的鈉離子滲透率為100%），并且僅對(duì)負(fù)極材料應(yīng)用新的累積經(jīng)驗(yàn)。

圖4| 比較價(jià)格曲線評(píng)估，以考慮假設(shè)的鋰離子供應(yīng)鏈中斷對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力的影響

要點(diǎn)4：

1.采用上述方法，本文評(píng)估了6，048種情景組合，所有這些情景都假設(shè)鈉離子電池在2024年開(kāi)始以GWh規(guī)模生產(chǎn)。對(duì)于每種情景，計(jì)算并比較鋰離子和鈉離子的價(jià)格曲線，生成如圖4a所示的示例圖。此示例展示了一個(gè)“NaFM|HC 2”路線圖，其中初始鎳含量為33%的正極逐漸演變到2040年的約0%，同時(shí)保持相同的比容量，而硬碳負(fù)極則發(fā)展到2030年時(shí)其比容量增加到400?mAh?g?1。由于鎳含量的減少，礦物價(jià)格底線在2024年至2035年間顯著下降。

2.考慮到預(yù)測(cè)曲線存在不確定性，這些不確定性來(lái)源于礦物價(jià)格的置信區(qū)間、原材料價(jià)格（圖3b）和學(xué)習(xí)率（圖2b），本文使用之前預(yù)測(cè)文獻(xiàn)中建立的方法來(lái)量化價(jià)格平價(jià)和優(yōu)勢(shì)的預(yù)期時(shí)間線，通過(guò)計(jì)算每種技術(shù)在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上價(jià)格較低的概率。這些概率圖如圖4a、b右側(cè)所示，比較了LFP與模擬的鈉離子情景。本文進(jìn)一步定義“價(jià)格平價(jià)”條件為鈉離子有≥20%的概率比LFP價(jià)格更低，而“價(jià)格優(yōu)勢(shì)”條件為該概率超過(guò)80%。因此，圖4a、b中的黃色陰影區(qū)域標(biāo)記了鈉離子技術(shù)和LFP在價(jià)格上具有競(jìng)爭(zhēng)力且可以被視為替代品的時(shí)期，不論性能如何。

圖5| Na-ion的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力高度依賴于供應(yīng)鏈條件和向更高能量密度發(fā)展的技術(shù)開(kāi)發(fā)路線圖

要點(diǎn)5：

1.本文的情景建模的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是揭示出使鈉離子技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力最大化的條件中的關(guān)鍵趨勢(shì)。圖5顯示了所有6，048個(gè)情景的聚類圖，按重量能量密度和供應(yīng)鏈條件分類，其中對(duì)這兩個(gè)因素的強(qiáng)烈依賴合理描述了鈉離子相對(duì)于LFP的價(jià)格優(yōu)勢(shì)的時(shí)間線。當(dāng)供應(yīng)鏈條件對(duì)鋰離子（特別是LFP）不利時(shí)——例如鋰價(jià)格高、石墨供應(yīng)沖擊或兩者兼有——鈉離子的競(jìng)爭(zhēng)力全面加速。相比之下，當(dāng)供應(yīng)鏈條件對(duì)鈉離子（特別是含鎳化學(xué)體系）不利時(shí)，競(jìng)爭(zhēng)力受到嚴(yán)重阻礙。如圖5從左到右的趨勢(shì)所示，追求最大化能量密度的技術(shù)開(kāi)發(fā)路線圖對(duì)于加快競(jìng)爭(zhēng)力時(shí)間線非常重要。值得注意的是，大量子集（2，522個(gè)）的情景在2050年之前不會(huì)產(chǎn)生鈉離子價(jià)格優(yōu)勢(shì)的條件，如圖5中的空心圓點(diǎn)所示。然而，重要的是，這并不意味著鈉離子沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。本文的聚類圖展示了鈉離子與LFP價(jià)格平價(jià)的時(shí)間線，表明超過(guò)40%的所有建模情景在2030年或之前達(dá)到價(jià)格平價(jià)條件，而平均“平價(jià)期”為5.6±3.6年。假設(shè)性能平價(jià)實(shí)現(xiàn)，鈉離子作為一種具有類似價(jià)格曲線的競(jìng)爭(zhēng)性可行替代品（假設(shè)性能平價(jià)實(shí)現(xiàn)），任何對(duì)鋰離子供應(yīng)鏈的干擾都很可能使鈉離子立即成為價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯的替代方案。

圖6| 增加能量密度和減少關(guān)鍵礦物含量是影響Na-ion電池價(jià)格的最大杠桿

要點(diǎn)6：

1.鈉離子要實(shí)現(xiàn)價(jià)格優(yōu)勢(shì)最快、最確定的方式是通過(guò)提高材料和電池級(jí)別的能量密度來(lái)降低材料強(qiáng)度。這在圖6所示的參數(shù)敏感性分析中得到了定量支持，其中一些最大的驅(qū)動(dòng)因素是2030年和2040年預(yù)測(cè)的鈉離子電池價(jià)格，包括可達(dá)到的上限電壓、陰極和陽(yáng)極的特定容量以及電極厚度。增加可達(dá)到的上限電壓（這是具有固溶體插層行為的層狀氧化物陰極的特有能力）同時(shí)增加了可用的特定容量和標(biāo)稱電壓，這無(wú)疑會(huì)提供最大的特征重要性。然而，由于材料限制、氣體釋放或系統(tǒng)集成時(shí)的電力電子挑戰(zhàn)，這并不總是一個(gè)可行的選項(xiàng)。因此，僅增加特定容量是一個(gè)重要策略。在含鎳陰極中，理想情況下可以與最小化鎳含量結(jié)合進(jìn)行，因?yàn)槠湎鄬?duì)特征重要性較高。值得注意的是，擬合學(xué)習(xí)率和材料組件起始價(jià)格相關(guān)的不確定性不太可能顯著影響結(jié)論，因?yàn)楫?dāng)前價(jià)格評(píng)估的低變異性與學(xué)習(xí)率和初始成本對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的較低敏感性相結(jié)合，如圖6所示。

總結(jié)與展望

開(kāi)發(fā)低成本電池的最終目標(biāo)是在車輛和固定應(yīng)用中快速部署儲(chǔ)能，以滿足能源轉(zhuǎn)型的需求。即使在地緣政治緊張局勢(shì)升級(jí)和供應(yīng)鏈波動(dòng)的情況下，也必須實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。因此，不僅準(zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)有技術(shù)的價(jià)格趨勢(shì)很重要，而且了解新興技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力或替代機(jī)會(huì)也是至關(guān)重要的。我們?cè)谶@里提出的建模框架使得這種方法成為可能。模型結(jié)果有助于指導(dǎo)研究工作，并根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力和商業(yè)成功的概率提供戰(zhàn)略性投資的信息。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41560-024-01701-9