研究背景

能源轉(zhuǎn)型需要大規(guī)模部署用于電動汽車（EV）和固定儲能系統(tǒng)（ESS）的電池。近年來，鋰離子（Li-ion）電池幾乎承擔(dān)了所有新儲能系統(tǒng)的部署，這在很大程度上是由于在過去三十年的商業(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)化以來價格已下降超過97%。然而，近期Li-ion需求的快速增長對礦物供應(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電池價格指數(shù)首次上漲，隨后隨著礦物價格暴跌再次回落。這促使一些人加劇了對可能過度依賴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。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)短缺和價格波動的情況下。

研究問題

本文使用一個包含組件學(xué)習(xí)曲線的建模框架來評估其與現(xiàn)有鋰離子電池的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力，該框架受到礦物價格和工程設(shè)計底線的限制。本文比較了超過6000種情景下鈉離子和鋰離子電池的價格趨勢預(yù)測，這些情景包括不同的鈉離子技術(shù)發(fā)展路線圖、供應(yīng)鏈場景、市場滲透率和學(xué)習(xí)率。假設(shè)通過針對性的研發(fā)可以在技術(shù)路線圖上取得實質(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爭力的鈉離子路徑。此外，本文表明，時間線對關(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)相對于低成本鋰離子變體具有價格優(yōu)勢是具有挑戰(zhàn)性的，而提高鈉離子的能量密度以減少材料強(qiáng)度是提高競爭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)曲線的一個示例過程，以NMC正極材料為例。從行業(yè)和文獻(xiàn)來源收集的歷史價格評估被整理成時間序列，起始于2010年或更早。本文還收集了歷史生產(chǎn)量數(shù)據(jù)，以便計算累積的“經(jīng)驗”。這些數(shù)據(jù)都顯示在圖1a中。關(guān)鍵礦物的歷史定價數(shù)據(jù)來自行業(yè)數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者。此外，還從美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的礦產(chǎn)商品摘要中收集了自1991年以來的歷史價格數(shù)據(jù)，所有價格數(shù)據(jù)均調(diào)整為2023年的美元價值。綜合的礦物價格顯示在圖1b中。隨后，根據(jù)它們的化學(xué)計量比加權(quán)求和每種礦物成分，生成材料成分價格地板，如圖1c所示。對于歷史上經(jīng)歷過化學(xué)計量變化的材料如NMC類型材料，采用每個“節(jié)點(diǎn)”組成的體積加權(quán)平均值，以反映每一步的時間代表混合。最后，通過了解成分價格地板、實際歷史價格評估和累計生產(chǎn)經(jīng)驗，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（價格地板 + 學(xué)習(xí)曲線）匹配歷史價格評估的方式進(jìn)行擬合，如圖1d所示。

圖2|技術(shù)價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)行說明，但在此之后本文將主要關(guān)注LFP，因為在性能和成本方面，它被廣泛認(rèn)為與鈉離子電池更具可比性。使用相同的方法，LFP材料的價格預(yù)測如圖2a所示。最后，結(jié)合材料組件的價格預(yù)測和材料強(qiáng)度路線圖，本文構(gòu)建了完整的鋰離子電池價格曲線，如圖2c所示，其中LFP的價格曲線。最終的LFP價格曲線如圖2d所示，假設(shè)到2030年鋰的價格略低于22，000/噸（如果鋰的價格為約22，000/噸（如果鋰的價格為約10，500/噸，則根據(jù)補(bǔ)充圖8和補(bǔ)充注釋4中的低價情景，預(yù)測價格可低至45美元/kWh），預(yù)測價格將達(dá)到45?美元/kWh），預(yù)測價格將達(dá)到51?美元/kWh。

圖3| 基于電池建模、路線規(guī)劃和現(xiàn)實材料價格評估的Na-ion價格曲線示例構(gòu)建

要點(diǎn)3：

1.以評估“NaNM|HC 7”路線圖為例：一個NaNM|HC基準(zhǔn)電池設(shè)計在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測量約175?mAh?g?1）。由此產(chǎn)生的材料強(qiáng)度趨勢如圖3a所示。關(guān)鍵鈉離子材料成分的定價通過調(diào)查行業(yè)專家來源獲得，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)率和市場增長假設(shè)，本文通過組件構(gòu)造方法預(yù)測了鈉離子價格曲線。圖3c展示了一個最保守的市場滲透情景（到2040年ESS中的鈉離子滲透率為100%），并且僅對負(fù)極材料應(yīng)用新的累積經(jīng)驗。

圖4| 比較價格曲線評估，以考慮假設(shè)的鋰離子供應(yīng)鏈中斷對技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力的影響

要點(diǎn)4：

1.采用上述方法，本文評估了6，048種情景組合，所有這些情景都假設(shè)鈉離子電池在2024年開始以GWh規(guī)模生產(chǎn)。對于每種情景，計算并比較鋰離子和鈉離子的價格曲線，生成如圖4a所示的示例圖。此示例展示了一個“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%，同時保持相同的比容量，而硬碳負(fù)極則發(fā)展到2030年時其比容量增加到400?mAh?g?1。由于鎳含量的減少，礦物價格底線在2024年至2035年間顯著下降。

2.考慮到預(yù)測曲線存在不確定性，這些不確定性來源于礦物價格的置信區(qū)間、原材料價格（圖3b）和學(xué)習(xí)率（圖2b），本文使用之前預(yù)測文獻(xiàn)中建立的方法來量化價格平價和優(yōu)勢的預(yù)期時間線，通過計算每種技術(shù)在每個時間步長上價格較低的概率。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“價格平價”條件為鈉離子有≥20%的概率比LFP價格更低，而“價格優(yōu)勢”條件為該概率超過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在價格上具有競爭力且可以被視為替代品的時期，不論性能如何。

圖5| Na-ion的技術(shù)經(jīng)濟(jì)競爭力高度依賴于供應(yīng)鏈條件和向更高能量密度發(fā)展的技術(shù)開發(fā)路線圖

要點(diǎn)5：

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

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

要點(diǎn)6：

1.鈉離子要實現(xiàn)價格優(yōu)勢最快、最確定的方式是通過提高材料和電池級別的能量密度來降低材料強(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)動因素是2030年和2040年預(yù)測的鈉離子電池價格，包括可達(dá)到的上限電壓、陰極和陽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）同時增加了可用的特定容量和標(biāo)稱電壓，這無疑會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)集成時的電力電子挑戰(zhàn)，這并不總是一個可行的選項。因此，僅增加特定容量是一個重要策略。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，因為其相對特征重要性較高。值得注意的是，擬合學(xué)習(xí)率和材料組件起始價格相關(guān)的不確定性不太可能顯著影響結(jié)論，因為當(dāng)前價格評估的低變異性與學(xué)習(xí)率和初始成本對預(yù)測結(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)用中快速部署儲能，以滿足能源轉(zhuǎn)型的需求。即使在地緣政治緊張局勢升級和供應(yīng)鏈波動的情況下，也必須實現(xiàn)這些目標(biāo)。因此，不僅準(zhǔn)確預(yù)測現(xiàn)有技術(shù)的價格趨勢很重要，而且了解新興技術(shù)的競爭力或替代機(jī)會也是至關(guān)重要的。我們在這里提出的建?？蚣苁沟眠@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)競爭力和商業(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