储能元年钠电池产业化提速，COMSOL锂纳电池仿真核心技术学起来

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导读：2020年9月22日，中国国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”中国碳达峰、碳中和目标的提出，在国内国际社会引发关注。

为了推进双碳目标，就需要大力发展光伏、风电等新能源技术，这将会带来发电能源结构的根本性变化。新能源发电具有随机性、间歇性和明显的周期性，这就跟稳定能源供应的需求相悖，为了解决这个矛盾，必须布局大量高效、安全、稳定、经济的储能设施。国家智库的数据显示，未来十年，我国动力电池的需求将超过1000GWh，是目前规模4倍；而储能电站的需求将超过100GW，约为目前的30倍。因此，未来一段时间内储能市场将会进入爆发期。

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6月20日19时30分，笔者受邀在仿真秀2023动力电池与储能系统设计仿真技术讲座第四期带来《仿真助力储能/动力电池研发模式升级》，欢迎报名，详情见后文。

一、储能元年：钠电池产业化进程提速

2023年更是被诸多业界人士称为“国内工商业储能元年”，由于全国范围内峰谷差价不断加大，工商业储能开始显现盈利性，同时，储能市场也有大量新企业涌入，行业呈现“欣欣向荣”的景象。虽然锂离子电池在动力电池领域已经非常成熟，单纯从性能上来看，完全可以胜任 “储能任务”，但是综合来看锂电池可能并不太适合用于大规模储能场景。

首先从资源角度来看，锂资源的储量本身比较少，而且分布非常不均匀，锂矿70%左右在南美洲地区。这种情况下锂电池价格极易受到原材料供应紧缺或者非市场因素影响，锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。储能端自然优先用其他资源供应充足的技术，目前各类储能技术路线中，钠离子电池无疑是综合优选项。

二、钠系电池发展史

其实二十世纪七八十年代，学者就已经在开展钠系电池和锂系电池相关的研究了。当时的电池形态其实是金属电池的形态，直接采用锂/钠金属作为负极。受限于技术因素，金属阳极遇到很多的问题难以解决。到二十世纪八九十年代，锂电池引入石墨类负极(摇椅式)，并具备了商业前景。此时已经跟我们今天的锂电池体系非常一致了。而钠体系电池开始往高温熔融电池技术发展，商业潜力依然不明朗，之后的一段时间里，由于钠体系电池一直没有大的突破，加之锂电池关注度提升，钠体系电池发展陷入停滞期。直到二十一世纪初，随着硬碳负极的发明，钠电池技术的实用性大大提升，钠电池相关的研究重新受到关注。

2021年7月，宁德时代发布了第一代钠离子电池技术，从此拉开了钠电池产业化的序章。随后的两年时间里，越来越多的新企业涌现，推出自己的钠电池产品。其中，最有代表性的钠电新势力企业便是中科海钠，其最大的特点是以技术起家，是国际最领先的技术开发团队之一。

三、钠电池与储能适配性

储能场景下对于电池的需求有以下特征：

1、大能量密度、低自放电以及相对大倍率充放电的能力；

2、工作温度范围宽，对环境要求低；

3、低成本可回收。

目前成熟的电池体系中铅酸电池由于能量密度太低且存在环境污染问题，所以对于储能应用来说不是优选项。锂离子电池能量密度高，但是成本高、低温性能差，安全风险高所以用在储能领域也存在一些弊端。其他储能体系如超级电容器，功率足够大，但是能量密度低而且自放电快；液流电池的能量密度还需要在进一步提高。综合对比下，钠离子电池更加适合用于储能应用。首先，Na资源丰富，这就为低成本发展钠电池储能做好了铺垫。其次，钠电池的倍率性能要优于锂电池，同时低温容量保持率也大大高于锂电池，因此钠电池的能够适应复杂的工作环境。此外，钠电池与锂电池体系非常相近，可以使用成熟的锂电池产业链来加快钠电池的产业化进程。

四、钠电池开发需要解决的问题

虽然当前国内储能产业发展如火如荼，钠电池的产业成熟度还较低，整体仍处于发展初级阶段，还面临着一系列问题需要解决。比如，储能系统对于成本非常敏感，钠电池当前的成本跟预期成本之间还存在差距；钠电池的循环寿命与锂电池相比也还有一定差距。此外，当下储能需求比较迫切，而钠电池研发积累还比较薄弱，因此，使用经验试错式研发模式开发钠电池项目周期较长，需要转换研发模式，采用更加高效的研发模式，比如应用数字化仿真技术来提高研发效率，提高设计命中率。

五、我的钠电池建模基础课程

应学员要求，最近针对钠电池的基础电化学体系知识和基础建模仿真技术整理了一个短课程。

本课程是为Comsol钠电池仿真初学者制作的一套课程，主要是为了帮助打算从事钠电仿真工作的0基础的学员去快速掌握Comsol建模操作及钠电池基础模型搭建技术。本课程会从行业知识、理论知识和软件知识三个角度，带大家快速对钠电池领域有一个整体的宏观认知，了解钠电池的开发背景、体系特点、商业化应用潜力及建模仿真处理方法。最后也会介绍几个仿真建模过程中遇到的不收敛的情况及解决方法。