研究背景

能源轉型需要大規模部署用于電動汽車（EV）和固定儲能系統（ESS）的電池。近年來，鋰離子（Li-ion）電池幾乎承擔了所有新儲能系統的部署，這在很大程度上是由于在過去三十年的商業化中成本的大幅下降，其特點是激進的學習率，自1991年首次商業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鏈——特別是鋰、鎳、石墨和鈷——造成了巨大負擔，導致2022年平均Li-ion電池價格指數首次上漲，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的擔憂，以及生產瓶頸、供應鏈沖擊和地緣政治約束的風險。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注，尤其是在鋰離子電池面臨關鍵礦物供應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習曲線的建模框架來評估其與現有鋰離子電池的技術經濟競爭力，該框架受到礦物價格和工程設計底線的限制。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測，這些情景包括不同的鈉離子技術發展路線圖、供應鏈場景、市場滲透率和學習率。假設通過針對性的研發可以在技術路線圖上取得實質性進展，本文確定了幾種可能在2030年代達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，時間線對關鍵礦物供應鏈（即鋰、石墨和鎳）的變化非常敏感。本文的模型結果表明，在短期內相對于低成本鋰離子變體具有價格優勢是具有挑戰性的，而提高鈉離子的能量密度以減少材料強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習曲線

要點1：

1.圖1展示了建立地板約束的材料組件學習曲線的一個示例過程，以NMC正極材料為例。從行業和文獻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量數據，以便計算累積的“經驗”。這些數據都顯示在圖1a中。關鍵礦物的歷史定價數據來自行業數據貢獻者。此外，還從美國地質調查局（USGS）的礦產商品摘要中收集了自1991年以來的歷史價格數據，所有價格數據均調整為2023年的美元價值。綜合的礦物價格顯示在圖1b中。隨后，根據它們的化學計量比加權求和每種礦物成分，生成材料成分價格地板，如圖1c所示。對于歷史上經歷過化學計量變化的材料如NMC類型材料，采用每個“節點”組成的體積加權平均值，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經驗，這充分限制了修改后的Wright定律，使得學習率成為唯一的擬合參數。然后，學習曲線代表了與材料成分相關的非礦物成本，并以總價（價格地板 + 學習曲線）匹配歷史價格評估的方式進行擬合，如圖1d所示。

圖2|技術價格曲線的組件式受約束構建

要點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成分。雖然上文以NMC為例進行說明，但在此之后本文將主要關注LFP，因為在性能和成本方面，它被廣泛認為與鈉離子電池更具可比性。使用相同的方法，LFP材料的價格預測如圖2a所示。最后，結合材料組件的價格預測和材料強度路線圖，本文構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，則根據補充圖8和補充注釋4中的低價情景，預測價格可低至45美元/kWh），預測價格將達到45?美元/kWh），預測價格將達到51?美元/kWh。

圖3| 基于電池建模、路線規劃和現實材料價格評估的Na-ion價格曲線示例構建

要點3：

1.以評估“NaNM|HC 7”路線圖為例：一個NaNM|HC基準電池設計在2030年之前經歷了以下變化：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）。由此產生的材料強度趨勢如圖3a所示。關鍵鈉離子材料成分的定價通過調查行業專家來源獲得，以確保商業相關性。這些值總結在圖3b中。應用各種學習率和市場增長假設，本文通過組件構造方法預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%），并且僅對負極材料應用新的累積經驗。

圖4| 比較價格曲線評估，以考慮假設的鋰離子供應鏈中斷對技術經濟競爭力的影響

要點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鈉離子電池在2024年開始以GWh規模生產。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，而硬碳負極則發展到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間、原材料價格（圖3b）和學習率（圖2b），本文使用之前預測文獻中建立的方法來量化價格平價和優勢的預期時間線，通過計算每種技術在每個時間步長上價格較低的概率。這些概率圖如圖4a、b右側所示，比較了LFP與模擬的鈉離子情景。本文進一步定義“價格平價”條件為鈉離子有≥20%的概率比LFP價格更低，而“價格優勢”條件為該概率超過80%。因此，圖4a、b中的黃色陰影區域標記了鈉離子技術和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的技術經濟競爭力高度依賴于供應鏈條件和向更高能量密度發展的技術開發路線圖

要點5：

1.本文的情景建模的一個關鍵結果是揭示出使鈉離子技術經濟競爭力最大化的條件中的關鍵趨勢。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鏈條件分類，其中對這兩個因素的強烈依賴合理描述了鈉離子相對于LFP的價格優勢的時間線。當供應鏈條件對鋰離子（特別是LFP）不利時——例如鋰價格高、石墨供應沖擊或兩者兼有——鈉離子的競爭力全面加速。相比之下，當供應鏈條件對鈉離子（特別是含鎳化學體系）不利時，競爭力受到嚴重阻礙。如圖5從左到右的趨勢所示，追求最大化能量密度的技術開發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年之前不會產生鈉離子價格優勢的條件，如圖5中的空心圓點所示。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年或之前達到價格平價條件，而平均“平價期”為5.6±3.6年。假設性能平價實現，鈉離子作為一種具有類似價格曲線的競爭性可行替代品（假設性能平價實現），任何對鋰離子供應鏈的干擾都很可能使鈉離子立即成為價格優勢明顯的替代方案。

圖6| 增加能量密度和減少關鍵礦物含量是影響Na-ion電池價格的最大杠桿

要點6：

1.鈉離子要實現價格優勢最快、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度。這在圖6所示的參數敏感性分析中得到了定量支持，其中一些最大的驅動因素是2030年和2040年預測的鈉離子電池價格，包括可達到的上限電壓、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、氣體釋放或系統集成時的電力電子挑戰，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合進行，因為其相對特征重要性較高。值得注意的是，擬合學習率和材料組件起始價格相關的不確定性不太可能顯著影響結論，因為當前價格評估的低變異性與學習率和初始成本對預測結果的較低敏感性相結合，如圖6所示。

總結與展望

開發低成本電池的最終目標是在車輛和固定應用中快速部署儲能，以滿足能源轉型的需求。即使在地緣政治緊張局勢升級和供應鏈波動的情況下，也必須實現這些目標。因此，不僅準確預測現有技術的價格趨勢很重要，而且了解新興技術的競爭力或替代機會也是至關重要的。我們在這里提出的建?？蚣苁沟眠@種方法成為可能。模型結果有助于指導研究工作，并根據技術經濟競爭力和商業成功的概率提供戰略性投資的信息。

原文鏈接：

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