過(guò)去一年，鋰電上游材料碳酸鋰和氫氧化鋰的價(jià)格漲了6倍多。上游材料資源的先天不足，制約了基于鋰電池的新能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，未來(lái)需要新的儲(chǔ)能技術(shù)來(lái)緩解鋰鹽材料的供應(yīng)壓力。鈉離子電池不僅原材料成本低、來(lái)源豐富，在快充性能、高低溫性能和安全性等方面均優(yōu)于鋰離子電池，且其生產(chǎn)可沿用鋰離子電池的產(chǎn)線設(shè)備，轉(zhuǎn)換成本低，頗具商業(yè)化潛力。2021年7月，寧德時(shí)代發(fā)布了第一代鈉離子電池，吹響了其產(chǎn)業(yè)化的號(hào)角。在此背景下，本文系統(tǒng)介紹鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，探討其產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線和發(fā)展趨勢(shì)，為相關(guān)投資提供參考。

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發(fā)展背景

在“雙碳”的大背景下，全球新能源汽車的銷量近幾年來(lái)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，且未來(lái)幾年仍有數(shù)倍的增長(zhǎng)空間；另一方面，為了讓光伏、風(fēng)能等新能源得到更好的利用，儲(chǔ)能行業(yè)風(fēng)口正盛。新能源汽車和儲(chǔ)能兩個(gè)萬(wàn)億市場(chǎng)空間的行業(yè)展現(xiàn)了對(duì)二次電池的巨大需求。然而，全球鋰礦資源貧瘠且分布不均，致使上游鋰礦供不應(yīng)求，鋰鹽原材料的價(jià)格近一年來(lái)連續(xù)大幅度上漲；更為嚴(yán)峻的是，鋰電常用的鈷在地殼中含量更低，目前已經(jīng)面臨著供應(yīng)壓力。雖然我國(guó)是鋰電的制造大國(guó)，但我國(guó)鋰鹽上游原材料（鹽湖或礦石）70%依賴進(jìn)口。這主要有兩個(gè)原因：一方面我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量先天不足，2020年全球鋰資源儲(chǔ)量約8600萬(wàn)噸，其中僅有6%分布在中國(guó)，以玻利維亞和智利為代表的南美洲占了總儲(chǔ)量的67%；另一方面，我國(guó)鋰資源主要分為鹵水型和礦石型，其中鹵水型占比85%，而礦石型占比15%，高海拔的自然環(huán)境和“低鋰富鎂”的資源現(xiàn)狀也給我國(guó)開(kāi)發(fā)鋰資源增加了難度。

鋰電上游材料資源的先天不足制約了基于鋰電池的新能源行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，未來(lái)需要發(fā)展新的儲(chǔ)能方式來(lái)緩解鋰鹽材料的供應(yīng)壓力。因此近幾年來(lái)，諸如液流電池、鋅離子電池、鈉離子電池和儲(chǔ)氫等新的儲(chǔ)能技術(shù)紛紛被提出，其中鈉離子電池由于諸多優(yōu)勢(shì)而受到學(xué)術(shù)界和業(yè)界的密切關(guān)注。鈉離子電池不僅原材料成本低、來(lái)源豐富，在快充性能、高低溫性能和安全性等方面均優(yōu)于鋰離子電池，且鈉離子電池的生產(chǎn)可以沿用鋰離子電池的產(chǎn)線設(shè)備，轉(zhuǎn)換成本低。鈉離子電池?fù)碛兄T多優(yōu)勢(shì)，為什么沒(méi)有比鋰離子電池更早發(fā)展起來(lái)呢？下面簡(jiǎn)要介紹鈉電發(fā)展的歷史背景。

鈉離子電池的研究起源于1979年法國(guó)Armand提出的“搖椅式電池”，與鋰離子電池的研究同時(shí)期起步。然而在80年代末期，石墨基負(fù)極材料的應(yīng)用讓鋰電的高容量和電化學(xué)活性表現(xiàn)出來(lái)，鈉電的性能卻表現(xiàn)較差，因此科研人員的注意力迅速聚焦在鋰離子電池上。鋰離子電池在幾年內(nèi)飛速發(fā)展，Sony公司在1991年率先實(shí)現(xiàn)了鋰離子電池的商業(yè)化，較高的能量密度和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命也使其在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用迅速推廣，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)鏈也在后續(xù)十多年后逐步完善。相比而言，鈉離子電池由于沒(méi)有適合的負(fù)極材料，其發(fā)展在隨后的十幾年中非常緩慢，甚至一度接近真空。直到2000年，科研人員找到硬碳這種適合鈉離子電池的負(fù)極材料，才使得鈉離子電池的發(fā)展迎來(lái)了轉(zhuǎn)折。尤其是在2010年后，鈉離子電池的研究成果迎來(lái)了井噴式增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也不斷被推進(jìn)。全球第一家鈉離子電池公司Faradion成立于2011年，沿用了鋰離子電池常用的非水系電解質(zhì)。隨后全球多家鈉離子電池初創(chuàng)公司紛紛成立，也采用非水系電解質(zhì)，包括法國(guó)的Tiama，中國(guó)的中科海鈉和瑞典的Altris AB，但是技術(shù)路線各異；而美國(guó)的Natron Energy則采用水系電解質(zhì)，安全性更高。當(dāng)下鈉離子電池行業(yè)處于發(fā)展初期，面對(duì)新能源行業(yè)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，群雄逐鹿對(duì)于鈉離子電池商業(yè)化有促進(jìn)意義。近年來(lái)，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)巨頭也開(kāi)始紛紛布局鈉離子電池技術(shù)。2021年7月，寧德時(shí)代發(fā)布了第一代鈉離子電池，吹響了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的號(hào)角。未來(lái)隨著電池性能不斷被優(yōu)化，產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，鈉離子電池大規(guī)模走進(jìn)新能源應(yīng)用也指日可待。

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現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1. 鈉電優(yōu)勢(shì)

1.1 資源優(yōu)勢(shì)

鈉作為地殼中第五豐富的元素，其地殼豐度為2.64%，是鋰資源儲(chǔ)量的440倍；且鈉礦在全球范圍內(nèi)分布均勻、提煉簡(jiǎn)單，其價(jià)格也比鋰礦價(jià)格便宜幾十倍。

1.2 成本優(yōu)勢(shì)

產(chǎn)線投入

鈉離子電池的結(jié)構(gòu)與鋰離子電池的結(jié)構(gòu)相似，工藝路線相通，因此能兼容現(xiàn)有鋰離子電池現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，轉(zhuǎn)換成本低，這對(duì)于產(chǎn)業(yè)方推動(dòng)鈉電產(chǎn)業(yè)化有積極作用，對(duì)比其它的儲(chǔ)能技術(shù)有較大優(yōu)勢(shì)。

電芯成本

電芯成本結(jié)構(gòu)主要包含原材料、人工制造、設(shè)備折舊、能源消耗、環(huán)境和管理費(fèi)用等，其中原材料成本占電芯成本的60%左右；原材料又可以進(jìn)一步拆分成正極、負(fù)極材料（包括導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑和鋁箔）、電解液、隔膜和其它裝配部件，鈉離子電池各原材料的成本占比如下圖所示。據(jù)測(cè)算，正極分別為銅鐵錳層狀氧化物、普魯士白類和鎳鐵錳層狀氧化物時(shí)的BOM成本分別為0.26元/Wh、0.29元/Wh和0.31元/Wh，比磷酸鐵鋰（0.5-0.7元/Wh）和三元鋰電（0.8-1.2元/Wh）的成本有較大的降低。

1.3 性能優(yōu)勢(shì)

倍率性能好：Na+在極性溶劑中較低的溶劑化能和較低的擴(kuò)散活化能，以及在電解液中較高的遷移率使鈉離子電池倍率性能好，快充具備優(yōu)勢(shì)。目前量產(chǎn)的三元鋰電池即使是在直流快充的加持下，將電量從20%充至80%通常需要30分鐘的時(shí)間，磷酸鐵鋰需要45分鐘左右，而鈉離子電池只需要15分鐘的時(shí)間。

高低溫性能好：根據(jù)公開(kāi)的一些測(cè)試結(jié)果，鈉離子電池可以在-40℃到80℃的溫度區(qū)間正常工作，-20℃的環(huán)境下容量保持率接近90%，高低溫性能優(yōu)于其它二次電池。

安全性好：鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰離子電池大，在短路的情況下瞬時(shí)發(fā)熱量少，溫升較低，具備更高的安全性。另外，鈉離子電池可以在完全放電的狀態(tài)下儲(chǔ)存和運(yùn)輸，降低了其中的成本和安全問(wèn)題。[2]

2. 鈉電應(yīng)用

2.1 市場(chǎng)定位

鈉離子電池的市場(chǎng)定位取決于鈉離子電池在能量密度、循環(huán)壽命、高低溫特性和安全性等方面的表現(xiàn)，其中尤為關(guān)鍵的兩個(gè)指標(biāo)是能量密度和循環(huán)壽命。在能量密度方面，鈉離子電池的電芯能量密度為100-160Wh/kg，與磷酸鐵鋰電池的120-200Wh/kg的能量密度較為接近；而當(dāng)前量產(chǎn)的三元鋰電池的電芯能量密度普遍在200Wh/kg以上，高鎳體系甚至超過(guò)250Wh/kg，對(duì)于鈉電池的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)比較顯著。鈉離子電池的能量密度較鋰離子電池能量密度低，這很大程度上是由元素的物理性質(zhì)決定的。一方面，Na原子序數(shù)大，離子半徑（1.02Å）比Li離子半徑（0.76Å）大，較大的離子半徑使得電池中的嵌入式反應(yīng)更加困難，因此鈉離子電池容量會(huì)偏低一些；另一方面，Na的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)（-2.71V）比Li的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)（-3.04V）高，理論上鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池的能量密度低。在循環(huán)壽命方面，寧德時(shí)代發(fā)布的第一代鈉離子電池約3000次，與三元鋰離子電池相當(dāng)。因此，僅從能量密度和循環(huán)壽命考慮，鈉電池有望首先替代鉛酸和磷酸鐵鋰電池主打的中低速（A00級(jí)）動(dòng)力汽車、電動(dòng)兩輪車、儲(chǔ)能電站和家用儲(chǔ)能產(chǎn)品等市場(chǎng)，但較難應(yīng)用于電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，在這兩大領(lǐng)域鋰電仍將是主流選擇。

2.2 市場(chǎng)空間

2019年鉛酸和磷酸鐵鋰電池主打的中低速（A00級(jí)）動(dòng)力汽車、電動(dòng)兩輪車、儲(chǔ)能這三類市場(chǎng)裝機(jī)量分別為4.6、28和14GWh，根據(jù)公開(kāi)資料及光大證券研究所的資料測(cè)算，預(yù)計(jì)到2025年這三種場(chǎng)景下的電池裝機(jī)量分別31、39和180GWh，對(duì)應(yīng)2025年鈉離子電池潛在市場(chǎng)空間為 250GWh，折算到電池級(jí)碳酸鈉的需求約為72萬(wàn)噸。屆時(shí)若鈉離子電池按照0.3-0.4元/Wh的成本單價(jià)計(jì)算，預(yù)計(jì)2025年的市場(chǎng)空間將達(dá)到750-1000億元。

3. 原理與結(jié)構(gòu)

在元素周期表中，鈉（Na）元素和鋰（Li）元素同屬第ⅠA族堿金屬元素，化學(xué)性質(zhì)相似，理論上都可以作為二次電池的金屬離子載體。就電池結(jié)構(gòu)而言，鈉離子電池與鋰離子電池相同，包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體等；工作原理也與鋰離子電池相似，鈉離子電池的充放電過(guò)程就是鈉離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的高電位正極（相對(duì)Na+/Na約3.0V）上發(fā)生鈉離子的脫嵌反應(yīng)，隨后自由鈉離子經(jīng)過(guò)電解液和隔膜運(yùn)動(dòng)到電位較低的負(fù)極（相對(duì)Na+/Na約1.0V）。而負(fù)極的碳材料有很多微孔結(jié)構(gòu)，達(dá)到負(fù)極的鈉離子首先就嵌入到碳層所形成的微孔中，其后嵌入的鈉離子越多，充電容量越高。由于鈉離子和鋰離子半徑大小不同，鈉離子在石墨中不能有效嵌入和脫嵌，因此鋰離子電池中的石墨負(fù)極并不適用于鈉離子電池。鈉離子電池不同電極材料的相對(duì)電勢(shì)如圖所示，雖然硬碳是一種適合鈉離子電池的負(fù)極材料，但是需要進(jìn)一步的研究工作來(lái)探索鈉電中更理想的負(fù)極材料，這將在后續(xù)負(fù)極材料的技術(shù)路徑中作詳細(xì)討論。電池放電的過(guò)程是充電的逆過(guò)程，電池充放電過(guò)程具有這種可以循環(huán)的特性，因此又被稱為“搖椅式電池”。

由于鋰離子和鈉離子在離子半徑上的差異，二者在正負(fù)極材料選擇上存在較大不同，下面對(duì)鈉離子電池結(jié)構(gòu)所用的材料做一個(gè)簡(jiǎn)要的介紹。

3.1 正極材料

正極材料的作用是給電池提供離子源，決定了電池的能量密度和成本，因此選擇合適的正極材料是鈉離子電池走向商業(yè)化的關(guān)鍵。目前正極材料的主要路線有四種：過(guò)渡金屬氧化物、普魯士化合物（鐵氰化物）、聚陰離子型化合物（磷酸鹽或硫酸鹽）和非晶態(tài)材料，其中過(guò)渡金屬氧化物和普魯士化合物是產(chǎn)業(yè)化嘗試較多的兩類材料，比容量可達(dá)160mAh/g，與現(xiàn)有的磷酸鐵鋰電池正極材料相當(dāng)。

3.2 負(fù)極材料

負(fù)極材料是電池在充放電過(guò)程中離子和電子的載體，起著能量的儲(chǔ)存與釋放的作用，其比容量也是實(shí)現(xiàn)較高電池能量密度的關(guān)鍵。鈉離子電池負(fù)極材料主要包括無(wú)定形碳、金屬化合物和合金類材料，其中無(wú)定型碳是目前負(fù)極材料的主流，比容量可達(dá)200-450mAh/g，具備優(yōu)異的循環(huán)性能，整體性能指標(biāo)與鋰電池的石墨相當(dāng)；而金屬化合物容量普遍較低，合金類材料工作過(guò)程中體積變化較大、循環(huán)性能較差。

3.3 電解液

電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體，與電極的接觸界面狀態(tài)決定了電池的整體性能，因此選擇適合的電解液對(duì)鈉電的發(fā)展也至關(guān)重要。電解液由電解質(zhì)，溶劑和添加劑構(gòu)成。在電解質(zhì)方面，鈉離子電池和鋰離子電池相似，鋰鹽換成鈉鹽，如高氯酸鈉（NaClO4）、六氟磷酸鈉（NaPF6）等，比相關(guān)的鋰鹽成本更低。溶劑包括水系和非水系兩大類，目前鈉電主流研發(fā)機(jī)構(gòu)沿用了鋰電中的酯類有機(jī)溶劑，而水系溶劑具有安全性高、電導(dǎo)率高和對(duì)濕度不敏感從而降低成本等優(yōu)點(diǎn)，也是未來(lái)的發(fā)展方向之一。在添加劑層面，鋰鹽傳統(tǒng)通用的添加劑體系沒(méi)有發(fā)生明顯變化。

3.4 隔膜

隔膜在電池中的作用主要有兩個(gè)：一方面隔開(kāi)電池的正、負(fù)極，防止正、負(fù)極接觸形成短路；另一方面薄膜中的微孔能夠讓離子通過(guò)，形成充放電回路。鈉離子電池和鋰離子電池的隔膜技術(shù)類似，對(duì)孔隙率的要求有一定差異。

3.5 集流體

集流體的作用是通過(guò)涂覆將粉狀的活性物質(zhì)連接起來(lái)，將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質(zhì)。在石墨基鋰離子電池中，鋰可以與鋁反應(yīng)形成合金，因此鋁不能用作負(fù)極的集流體，只能用銅替代。與鋰電池不同的是，鈉離子電池的正負(fù)極集流體都為鋁箔，價(jià)格更低。

3.6 其它

在外形封裝和封裝工藝方面，鈉離子電池與鋰離子電池區(qū)別不大，包括圓柱、軟包和方形三種路線，有利于鈉離子電池沿用鋰電的現(xiàn)成設(shè)備和工藝快速投入商業(yè)化生產(chǎn)。

4. 技術(shù)路徑分析

正極和負(fù)極材料的選取和工藝技術(shù)的優(yōu)化決定了鈉離子電池的性能和成本。目前鈉電的主流正極材料是層狀過(guò)渡金屬氧化物、普魯士類化合物和聚陰離子型化合物，負(fù)極材料應(yīng)用較多的是無(wú)定型碳，下面主要介紹幾種主流材料各自的特點(diǎn)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

4.1 正極材料

層狀過(guò)渡金屬氧化物[5, 6]

層狀過(guò)渡金屬氧化物NaxMO2（M為過(guò)渡金屬元素，如 Mn、Ni、Cr、Fe、Ti 和 V 及其復(fù)合材料），具有易于加工、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和高比容量等優(yōu)點(diǎn)，且與鋰離子電池的正極材料在合成以及電池制造方面有許多相似性，因此有很大的商業(yè)化潛力。不同的是，Li+只能嵌入LiCoO2和LiNiO2中，而Na+離子可以可逆地嵌入近乎全部的過(guò)渡金屬氧化物中；與 Li+離子相比，Na+離子尺寸較大，其和過(guò)渡金屬氧化物之間的無(wú)序性非常低。NaxMO2化合物的性質(zhì)可以通過(guò)摻雜的方式進(jìn)行微調(diào)，因此過(guò)渡金屬氧化物可以進(jìn)一步劃分成單金屬氧化物、二元金屬氧化物、三元金屬氧化物和多金屬氧化物。參照鋰電中用得較多的LiCoO2，鈉電最早的金屬氧化物研究是基于NaxCoO2的單層過(guò)渡金屬氧化物，然而，單層過(guò)渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在Na+離子嵌入和脫出過(guò)程中由于相變導(dǎo)致電池容量快速下降；且Co元素稀缺，成本高。為了克服這些問(wèn)題，Mn、Fe、Ni、Ti、Mg和Cu等多種元素被摻入到單層過(guò)渡金屬氧化物形成二元或三元金屬氧化物，或者通過(guò)正極材料表面包覆的方式，使其具有較高的可逆容量及較好的循環(huán)壽命。這些改性方式使得過(guò)渡金屬氧化物具有較高的能量密度和循環(huán)壽命，但是成本較其它幾種鈉電正極材料的成本高。目前產(chǎn)業(yè)界的進(jìn)展，英國(guó)Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元層狀氧化物正極材料，電池能量密度超過(guò)160Wh/kg，循環(huán)壽命在3000次以上，未來(lái)有進(jìn)一步提升的空間；中科海鈉采用了Cu-Fe-Mn三元層狀氧化物正極材料，電池能量密度達(dá)到135Wh/kg；鈉創(chuàng)新能源采用Fe-Ni-Mn三元層狀氧化物具有較高的比容量（超過(guò)130mAh/g）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。

普魯士類化合物

普魯士類化合物是過(guò)渡金屬六氰基鐵酸鹽NaxMa[Mb(CN)6] (Ma為 Fe、Mn或Ni等元素，Mb為Fe或Mn)，具有開(kāi)放框架結(jié)構(gòu)，有利于鈉離子的快速遷移；氧化還原活性位點(diǎn)較多，具有較高的理論容量，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)。這些結(jié)構(gòu)特征和較低的成本使得普魯士類化合物近年來(lái)成為一種很有商業(yè)前景的鈉電正極材料。然而，普魯士類化合物的性能受晶體缺陷，例如空位和水分子，的影響較大。材料在制備過(guò)程中存在結(jié)構(gòu)水含量難以控制等問(wèn)題，結(jié)合水會(huì)阻礙Ｎa+的遷移，空位還會(huì)引起晶格扭曲發(fā)生相變，從而降低材料的比容量和庫(kù)侖效率。因此，普魯士類正極材料在大規(guī)模量產(chǎn)前需要解決低放電容量、循環(huán)穩(wěn)定性差和庫(kù)侖效率低等缺點(diǎn)。瑞典的Altris AB、美國(guó)的Natron Energy和我國(guó)的星空鈉電都在努力推動(dòng)普魯士類化合物正極材料的產(chǎn)業(yè)化，寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)的普魯士白（NaxMn[Fe(CN)6]）材料，能夠很好的控制結(jié)合水的形成，鈉電樣品的能量密度達(dá)到160Wh/kg。

聚陰離子型化合物

聚陰離子型化合物NaxMy[(XOm)n-]z (M為可變價(jià)態(tài)的金屬離子如Fe、V 等，X為P、S 等元素)是一類含有一系列四面體陰離子結(jié)構(gòu)單元及其衍生物的化合物，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及多樣性是它的一大優(yōu)勢(shì)，其中NASICON型NaxM2(PO4)3和無(wú)定形NaFePO4具有較好的電化學(xué)活性而在鈉電中應(yīng)用較多。聚陰離子型化合物具有工作電壓高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)，但電子電導(dǎo)率低，限制了電池的比容量，常見(jiàn)的改善方式是通過(guò)碳包覆或者摻入氟元素提升導(dǎo)電性和容量。現(xiàn)階段以聚陰離子正極材料作為技術(shù)路線的企業(yè)是法國(guó)Tiamat和中國(guó)的鈉創(chuàng)新能源，而中科院大連物化所已實(shí)現(xiàn)三氟磷酸釩鈉的高效合成和應(yīng)用。

4.2 負(fù)極材料

負(fù)極材料是鈉離子電池的關(guān)鍵部分之一，占了電芯成本的14%左右。理想的負(fù)極材料需滿足以下幾個(gè)條件：（1）環(huán)保且具有經(jīng)濟(jì)效益，并保持較高的離子和電子導(dǎo)電率；（2）具有惰性，在電解液中沒(méi)有任何溶解或者反應(yīng)傾向；（3）與金屬鈉一樣有較高的工作電位，且電位不能隨鈉離子的嵌入脫出而波動(dòng)較大；（4）密度低且單位質(zhì)量能盡量容納較多的鈉離子；（5）具備良好的可循環(huán)性，并在多次循環(huán)后保持穩(wěn)定良好的體積和重量容量。

滿足以上條件的負(fù)極材料中探索較多的是碳基材料、鈦酸鹽、合金和金屬氧化物/硫化物等各種材料，其中碳基材料具有最佳的性能。碳基材料主要包含石墨，軟碳和硬碳。由于鈉鹽石墨僅能在低電位下保持穩(wěn)定，因此傳統(tǒng)的石墨負(fù)極在鈉電中容量很低；軟碳在高溫下可以完全石墨化，導(dǎo)電性能優(yōu)良；而硬碳在高溫下不能完全石墨化，但其碳化后得到的碳材料儲(chǔ)鈉比容量和首周效率相對(duì)較高，其在鈉電的容量（200-450mAh/g）與石墨在鋰電的容量（375mAh/g）相當(dāng)，因此目前負(fù)極材料應(yīng)用較多的是硬碳。由于具有較寬的層間距，硬碳在鈉電中表現(xiàn)出較大的可逆容量和優(yōu)異的可循環(huán)性。然而，硬碳在鈉電中的應(yīng)用依然需要攻克兩個(gè)問(wèn)題：一方面，較寬的層間距使離子擴(kuò)散距離長(zhǎng)，倍率性能有所削弱；另一方面，硬碳平臺(tái)電位較低，在高倍率下電池有不安全的風(fēng)險(xiǎn)。最近的一些研究表明，雜質(zhì)原子（硫和氮）的摻雜可以改善鈉離子的嵌入從而提升倍率性能和比容量，但有可能帶來(lái)較低的內(nèi)部庫(kù)倫效率。因此，硬碳負(fù)極材料在未來(lái)商業(yè)化的道路上有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

硬碳可以由多種前驅(qū)體制備而成，但目前成本較高（10-20 萬(wàn)元/噸），未來(lái)隨著工藝優(yōu)化和規(guī)模化生產(chǎn)，生產(chǎn)成本有望大幅度降低。在商業(yè)化層面，日本公司Kuraray的硬碳產(chǎn)品可以同時(shí)供給鋰電和鈉電使用，且在鈉電的應(yīng)用上已經(jīng)是行業(yè)標(biāo)桿；國(guó)內(nèi)的負(fù)極材料廠商璞泰來(lái)、貝特瑞和杉杉股份等均有相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備。中科海鈉分別以價(jià)格低廉的無(wú)煙煤（1.5萬(wàn)元/噸）和瀝青為前驅(qū)體，開(kāi)發(fā)的鈉電負(fù)極材料的可逆比容量分別為220 mAh/g和300mAh/g；進(jìn)一步地，利用酚醛樹(shù)脂作為前驅(qū)體、乙醇作為造孔劑，得到的硬碳負(fù)極可逆比容量約為410mAh/g，甚至超過(guò)了石墨的儲(chǔ)鋰容量。寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料，其具有易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性，比容量高達(dá)350mAh/g。

5. 產(chǎn)業(yè)鏈分析

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈與鋰離子電池類似，主要包括上游的原材料、中游的電芯和電池，以及下游的應(yīng)用。在上游材料環(huán)節(jié)，負(fù)極材料、電解液和隔膜基本保持鋰電上游材料的競(jìng)爭(zhēng)格局，差異在于正極材料和集流體（不再需要銅箔）。中游電芯廠商的技術(shù)路線也不同，該部分的競(jìng)爭(zhēng)格局會(huì)在下一節(jié)作進(jìn)一步介紹。

正極材料主要是過(guò)渡金屬氧化物、普魯士化合物和聚陰離子化合物。過(guò)渡金屬氧化物的主流體系是錳/鐵/鈷/鎳/銅的氧化物，錳酸鈉由于性能和成本的綜合表現(xiàn)比較好，是目前發(fā)展較快的材料，生產(chǎn)上游MnO2材料的廠商主要有湘潭電化、南方錳業(yè)、廣西桂柳化工、貴州紅星發(fā)展、普瑞斯礦業(yè)、西南能礦等。普魯士化合物主要由亞鐵氰化鈉組成，由于氰化物有毒，企業(yè)生產(chǎn)需要嚴(yán)格的生產(chǎn)和環(huán)保資質(zhì)，因此小型公司不易進(jìn)入。目前生產(chǎn)氰化物的公司主要在海外，國(guó)內(nèi)有安慶曙光化工、重慶紫光化工等公司從事氰化物生產(chǎn)。

硬碳是鈉電目前的主流負(fù)極材料，相比石墨，硬碳主要是在微觀結(jié)構(gòu)和制備工藝上進(jìn)行改進(jìn)，鋰電主要的負(fù)極材料企業(yè)均有儲(chǔ)備相關(guān)的技術(shù)，仍以璞泰來(lái)、貝特瑞、杉杉股份和中科電氣等負(fù)極廠商為主。正極或者負(fù)極材料通常摻入導(dǎo)電劑來(lái)提升電極材料和集流體之間的導(dǎo)電性，常用的導(dǎo)電劑有炭黑和碳納米管等，其中碳納米管在導(dǎo)電劑領(lǐng)域滲透率不斷提升，行業(yè)玩家主要有天奈科技、三順納米和青島昊鑫等。在電解液方面，鈉電較鋰電最大改變是將電解質(zhì)更換為六氟磷酸鈉，其制備過(guò)程與六氟磷酸鋰基本相同，現(xiàn)階段多氟多和天賜材料均已具備六氟磷酸鈉的量產(chǎn)能力，且均已向?qū)幍聲r(shí)代小批量供貨。鈉電與鋰電在隔膜上差異不大，因此基本保持鋰電隔膜的競(jìng)爭(zhēng)格局，玩家主要是恩捷股份和星源材質(zhì)等。鋁箔集流體的廠家主要有鼎勝新材和華北鋁業(yè)等。

6. 競(jìng)爭(zhēng)格局

在中游電芯環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)外有超過(guò)二十家公司正在布局鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化，我國(guó)一些企業(yè)在鈉電性能上已處于領(lǐng)先地位。海外的公司包括英國(guó)的Faradion，美國(guó)的Natron Energy、Aquion Energy，法國(guó)的Tiamat和瑞士的Altris AB，國(guó)內(nèi)的公司主要包括初創(chuàng)公司中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電和鋰電產(chǎn)業(yè)巨頭寧德時(shí)代。其中Faradion是全球首家從事鈉離子電池研究的公司，成立于2011年，采用鎳基層狀氧化物/硬碳/有機(jī)電解液技術(shù)路線，能量密度高達(dá)160Wh/kg，循環(huán)壽命3000次以上；中科海鈉是國(guó)內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)的公司，成立于2017年，采用鈉銅錳鐵氧化物/無(wú)煙煤基軟碳/有機(jī)電解液技術(shù)路線，能量密度超過(guò)135Wh/kg；國(guó)內(nèi)另一家技術(shù)較為領(lǐng)先的初創(chuàng)公司鈉創(chuàng)新能源成立于2018年，采用鐵酸鈉基三元氧化物/硬碳/有機(jī)電解液技術(shù)路線，能量密度120Wh/kg，循環(huán)3000周保持80%以上；寧德時(shí)代從2015年開(kāi)始研發(fā)鈉離子電池，2021年7月推出第一代鈉離子電池，采用普魯士白/改性硬碳/有機(jī)電解液技術(shù)路線，能量密度160Wh/kg，常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上。各公司采用的材料體系和工藝均有差異，其中以普魯士白為正極材料的寧德時(shí)代和以層狀氧化物為正極材料的Faradion和中科海鈉，在電池性能上兼具較高的能量密度和循環(huán)壽命。另一方面，幾乎所有的初創(chuàng)公司技術(shù)來(lái)源于實(shí)力較強(qiáng)的科研院所團(tuán)隊(duì)，像鈉電這種新技術(shù)驅(qū)動(dòng)型的行業(yè)，需要較強(qiáng)的技術(shù)研發(fā)實(shí)力和工程化能力，才有機(jī)會(huì)把鈉電推向量產(chǎn)。當(dāng)下的鈉離子電池處于產(chǎn)業(yè)化早期，材料和工藝上有優(yōu)化空間，競(jìng)爭(zhēng)格局未定，有技術(shù)實(shí)力和工程化能力的新入局者依然有較大的發(fā)展機(jī)會(huì)。各公司選用的材料體系及性能參數(shù)如下：

總結(jié)及展望

在二次電池巨大需求和上游鋰礦資源“先天不足”的矛盾日益突出的背景下，鈉離子電池在材料資源、電池性能和成本等方面的優(yōu)勢(shì)，使其在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的發(fā)展突飛猛進(jìn)。從材料選型來(lái)看，層狀過(guò)渡金屬氧化物、普魯士類化合物和聚陰離子型化合物為正極材料的發(fā)展方向，負(fù)極材料則以硬碳為主，集流體均采用鋁材料，其它材料則是在鋰電相關(guān)材料的基礎(chǔ)上做微調(diào)；從工藝路徑來(lái)看，鈉離子電池與鋰離子電池工藝相似，能沿用鋰電現(xiàn)有的產(chǎn)線，轉(zhuǎn)換成本低。當(dāng)下鈉離子電池仍處于產(chǎn)業(yè)化初期，技術(shù)有優(yōu)化空間，產(chǎn)業(yè)鏈也有待完善，預(yù)計(jì)到2025年，鈉離子電池在儲(chǔ)能、中低速車和電動(dòng)二輪車的潛在市場(chǎng)空間約750-1000億元左右。目前最好的鈉離子電池在能量密度上已經(jīng)與成熟的磷酸鐵鋰電池相仿，未來(lái)隨著鈉電能量密度的提升、原材料和電芯的大規(guī)模生產(chǎn)，鈉電的度電成本有望降到0.2-0.3元/Wh，將使其在儲(chǔ)能和新能源車的部分市場(chǎng)比鋰電更具成本優(yōu)勢(shì)。當(dāng)下鈉電正處于行業(yè)拐點(diǎn)前夕，在競(jìng)爭(zhēng)格局未定的局面下，一些有技術(shù)實(shí)力且產(chǎn)業(yè)化能力較強(qiáng)的初創(chuàng)企業(yè)依然有較大的發(fā)展機(jī)會(huì)，也是創(chuàng)投機(jī)構(gòu)投資鈉電的絕佳時(shí)機(jī)。

作者：曹杰 來(lái)源：東方富海