1、2022年鈉離子電池行業(yè)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及未來開展分析.技術簡介：鈉離子電池的前世今生基本概念與歷史背景：鋰電的“李生兄弟”近年來，開展清潔能源成為世界多數(shù)國家的共識，我國 更提出了“碳達峰、碳中和”的宏偉目標，太陽能、風能、潮 汐能等清潔能源發(fā)電技術得到了快速開展，但這些自然能源 具有間歇性、隨機性的特點，以及較強的地理依賴性。為解 決新能源發(fā)電在時間和空間上的局限，提高新能源的利用率, 儲能技術的重要性日益凸顯。按照對電能的轉(zhuǎn)化和儲存方式， 儲能技術分為物理儲能、化學儲能與電化學儲能。其中，電 化學儲能包括二次電池技術和超級電容器等，具有能量轉(zhuǎn)換 效率高、響應速度快的特點。尤其是二次電池技術，還具

2、有 能量密度高，易模塊化的優(yōu)勢。二次電池，也稱可充電電池或蓄電池，是一種利用可逆 化學反響，能夠反復屢次充放電，使電能與化學能互相轉(zhuǎn)換, 以實現(xiàn)能量儲存的裝置。二次電池儲存能量的能力，用能量 密度（也稱比能量）來表達，即單位質(zhì)量或體積的電池能夠 輸出的總能量，它是比容量與平均放電電壓的乘積。比容量 子電導率很低，這極大限制了其倍率性能，必須通過添加導電 劑或者納米化進行改性。此外，該材料的比容量普遍較低。 目前，最典型的聚陰離子材料主要是磷酸鹽，以橄欖石型的 NaFeP04 和 NASICON 型 的 Na3V2(PO4)3 為代表。NaFeP04 的結構與磷酸鐵鋰相同，但合成必須依賴復雜的離

3、子交換法, 本錢較高。Na3V2(PO4)3具有極好的倍率性能和循環(huán)壽命， 但比容量較橄欖石型材料低。此外，還有焦磷酸鹽、硫酸鹽、 鉗酸鹽等新型聚陰離子材料也在研究中，這些體系在工作電壓、 倍率性能上有所提升，但仍然存在實際比容量低、循環(huán)可逆 性差等諸多缺陷。氟化物類：材料較廉價，實用化困難過渡金屬氟化物具有類似氧化物的高還原電位，通過過 渡金屬離子的化合價變換來實現(xiàn)鈉離子的嵌脫，因此也是潛 在的正極材料。這類材料的最大問題是電阻率太高，嚴重影 響其倍率性能，而且實際比容量普遍很低。迄今為止，具有 較大比容量的氟化物材料是鐵基氟化物，典型代表是NaFeF3 (實際128mAh/g,理論197m

4、Ah/g)。此外，某些水合氟化 鐵材料具有很高的比容量，例如Fe2F5H2O (初始251 mAh/g),但是循環(huán)性能還較差。有機化合物類：不依賴礦產(chǎn)資源，尚處于研究階段某些具有豐富共軻體系和孤對電子的有機化合物可以發(fā) 生可逆的氧化還原反響，因此也可以用來開發(fā)正極材料。此 類材料的優(yōu)點是：無需依賴過渡金屬元素資源，結構和性能 容易設計調(diào)控，因此具有一定的潛力。但現(xiàn)階段還存在顯著 缺陷：電導率普遍較低，且容易發(fā)生溶解。目前，主要有共 軻體系導電聚合物（例如改性的聚苯胺、聚叱咯等）、共軻跋 基化合物（例如芳煌衍生物的酚鈉、竣酸鈉）等。（2）負極材料：碳基材料最成熟，有望率先產(chǎn)業(yè)化負極材料在充電時發(fā)

5、生還原反響，放電時發(fā)生氧化反響, 一般具有較低的還原電勢。理想的正極材料應滿足還原電勢 低（但必須高于金屬鈉的沉積電勢）、可逆容量大、循環(huán)性 能穩(wěn)定、電子和離子電導率高、結構穩(wěn)定且不怕空氣、平安 性高、價格低廉。對于鈉離子電池而言，負極材料起著負載 和釋放鈉離子的重要作用，其直接影響電池整體的動力學性 能，例如倍率性能、功率密度等。目前，鈉離子電池的負極材 料主要分為五種類型：碳基材料、鈦基材料、合金材料、有 機化合物類、其他體系，其中碳基材料的技術成熟度最高， 資源豐富，有望率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。圖9:鈉離子電池負極材料X/TiegX/Tiegnc(z(BNBN s)出tfNiCoA(CjNbsn

6、ONaJiiO,O鈦基材料O有機類材料O ：碳基樹4O合金類材料金屬氧化物及硫化物100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1600 2000比容量（mAh/g）碳基材料：軟碳硬碳各有千秋，石墨負極尚在研究根據(jù)碳原子的微觀結構，碳基負極材料分為石墨類材料、 無定形碳材料、納米碳材料。與其他堿金屬離子不同，鈉離 子在碳酸酯類溶劑中難以對石墨層間進行有效嵌脫，這主要 是鈉離子-石墨嵌入反響的AG0所致。因此，在鋰離子電池 中廣泛應用的石墨負極，在碳酸酯作溶劑的鈉離子電池中難 以使用。其實在醒類溶劑中，石墨也能有效嵌脫鈉離子，但是 電解液的穩(wěn)定性削弱，易與正極

7、發(fā)生反響，有待進一步研究。 無定形碳材料具有較高的儲鈉比容量，也是目前最接近產(chǎn)業(yè) 化的負極材料。按照熱處理石墨化難易程度，分為軟碳和硬 碳。軟碳在2800以上能完全石墨化，硬碳在高溫下也難以 石墨化。軟、硬碳差異在于微觀結構中碳層的交聯(lián)相互作用, 根本取決于所用碳化前驅(qū)體的結構和形狀。一般來說，熱塑 性前驅(qū)體（石化原料及副產(chǎn)品）容易形成軟碳，熱固性前驅(qū)體 （生物質(zhì)、樹脂聚合物等）容易形成硬碳。相對而言，軟碳 的制造本錢較低，工藝易于控制，但比容量不及硬碳；硬碳 的比容量較高，但首周效率往往較低，且其性能依賴于所用 前驅(qū)體和和處理工藝，產(chǎn)碳率較低。值得一提的是，目前人 們對硬碳材料的儲鈉機理仍未

8、徹底弄清，還有較大的提升空 間。納米碳材料主要有石墨烯、碳納米管，鈉離子主要以吸附 的方式儲存在其外表和缺陷處，這類材料的理論比容量較大, 但首周庫侖效率低，反響電勢高，而且價格昂貴。鈦基材料：潛在優(yōu)勢獨特，短期難以商用四價鈦的還原電勢普遍較低，其化合物空氣穩(wěn)定，且不 同晶體結構的鈦化合物儲鈉電勢不同，因此被用來開發(fā)負極 材料。目前，鈦基材料主要是一些鈦的氧化物和聚陰離子化 合物。氧化物包括層狀的Na2Ti3O7、Na0.6Cr0.6Ti0.402以 及尖晶石型的Li4Ti5O12 （也被用于鋰離子電池負極）等，聚 陰離子化合物包括正交型的NaTiOPO4、NASICON型的 NaTi2（PO

9、4）30這些材料的比容量普遍不高，但具有很多獨特 的優(yōu)勢，例如Li4Ti5O12是一種無應變材料， Na0.6Cr0.6Ti0.402可以同時充當正負極 材料，NaTi2（PO4）3 可以用于水系鈉離子電池。H：Na2Ti3O7負極材料晶體結構及首周充放電曲線合金材料：理論比容量巨大，技術難題待克服金屬鈉能與Sn、Sb、In等多種金屬形成合金，可作為鈉 離子電池的負極，與鋰離子電池的硅基負極類似。這類材料 的優(yōu)勢是理論比容量很高，且反響電勢很低，因此有望制造 高能量密度、高電壓的鈉離子電池。但是這類材料的反響動 力學性能較差，而且鈉脫嵌前后的體積變化可達數(shù)倍，伴隨 巨大的應力，使活性材料容易從

10、集流體外表脫落，比容量快速 衰減。有機化合物類：合成條件溫和，尚處研究階段有機負極材料的優(yōu)缺點與有機正極材料類似，目前種類 主要包括：跋基化合物、Schiff堿化合物、有機自由基化合物 和有機硫化物等，尚處于實驗室研究階段。其他體系：多為過渡金屬的V、VI族化合物，尚處研究階段某些過渡金屬氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化 物也具有可逆儲鈉的電化學活性，這類材料往往同時伴隨轉(zhuǎn) 換反響和合金化反響，因此其理論比容量可超過相應的合金 類負極材料，但也更多的技術難題。(3)電解質(zhì)材料：液態(tài)電解質(zhì)為主，形式與鋰電相同電解質(zhì)是正負極之間物質(zhì)傳輸?shù)臉蛄海脕韨鬏旊x子以 形成閉合回路，是維持電化學反響的重

11、要保障，不僅直接影 響電池的倍率、循環(huán)壽命、自放電等性能，還是決定電池穩(wěn) 定性和平安性的核心因素之一。按照物理形態(tài)，鈉離子電池 的電解質(zhì)可分為液態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)。液態(tài)電解質(zhì)：與鋰電類似，鋰鹽變鈉鹽液態(tài)電解質(zhì)常被稱為電解液，一般由溶劑、溶質(zhì)和添加 劑組成。由于水的電化學窗口上限不超過2V,因此溶劑是一 些極性的非質(zhì)子有機溶劑，既能大量溶解鈉鹽，又不能釋放 質(zhì)子氫，還要有一定的抗氧化-還原能力，最好還具有較低的 粘度。因此，一般將高介電常數(shù)、高粘度的碳酸酯類和低介 電常數(shù)、低粘度的醵類混合使用，故電解液高度易燃。溶質(zhì)主 要為具有大半徑陰離子的鈉鹽，分為無機鈉鹽和有機鈉鹽， 前者有六氟磷酸鈉、高

12、氯酸鈉等，后者主要包括氟磺酸類鈉 鹽、氟磺酰亞胺類鈉鹽等。一般來說，有機鈉鹽的穩(wěn)定性更 高，而無機鈉鹽的價格更廉價。目前有望實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用的主要是六氟磷酸鈉，其具有相對最正確的電導率，但是對水高 度敏感。添加劑在電解液中的含量在5%以下，主要是一些鈉 鹽、酯類、月青類、醛類等化合物，起到輔助SEI膜、CEI膜形 成，過充保護，以及阻燃等作用。3 13：液態(tài)電解質(zhì)組分及要求固態(tài)電解質(zhì)：面向固態(tài)鈉電，尚處研究階段固態(tài)電解質(zhì)材料主要包括三種類型：無機固態(tài)電解質(zhì)、 聚合物固態(tài)電解質(zhì)、復合固態(tài)電解質(zhì)。由于防止了易燃易爆 的有機溶劑，電池的平安性得到了實質(zhì)性提升，并且大大拓 寬了電化學窗口，使得高電勢正極

13、材料和金屬鈉負極的使用 成為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外，由于正負 極之間有剛性的固態(tài)電解質(zhì)阻隔，因而不再需要單獨設置隔膜,再配合雙極性電極工藝，電池的系統(tǒng)能量密度還能進一步提升。此類材料目前面臨室溫電導率較低、界面阻抗很大等難題，其產(chǎn)業(yè)化尚需時日。1.22非活性材料：隔膜、集流體、導電劑、黏結劑鈉離子電池中的非活性材料主要包括隔膜、集流體、導 電劑、黏結劑等，它們并不直接參與電化學反響，但是必不 可少的輔助性材料，其與活性材料的兼容性等因素會對電池 性能產(chǎn)生重要影響。3 14：鈉離子電池非活性材料四免宗弟皆厚(1)隔膜：與鋰離子電池通用隔膜的作用是對正負極進行物理分隔，防止二者直接

14、接 觸反響，同時還要確保溶劑分子的浸潤和滲透，允許溶劑化 鈉離子的快速通過。理想的隔膜材料應具有良好的電子絕緣 性和離子導電性，機械強度高且厚度盡量薄，很高的化學惰 性(既不與電解液反響，也不與正負極反響)，良好的熱穩(wěn) 定性。鋰離子電池中廣泛應用的是聚烯燒類聚合物隔膜，例如 PE、PP以及復合膜等，這些隔膜材料都可直接移植到鈉離子 電池體系。未來在全固態(tài)鈉離子電池體系中，隔膜材料將不 再需要。(2)集流體：正負極均采用鋁箔集流體是正負極活性材料附著的基底構件，約占電池重 量的1013%,用以匯集電極材料產(chǎn)生的電流，并對外釋放傳 導。集流體雖不參與電極反響，但卻是電極材料發(fā)揮性能的 根本保障，其

15、純度、厚度、應力等參數(shù)間接影響電極實際工 作性能。用作集流體的材料須具備優(yōu)良的導電性，與活性物 質(zhì)的接觸電阻小，很高的化學惰性(不與電解液及正負極反 應)，加工性能好且力學性能穩(wěn)定。在鋰離子電池中，正極 集流體為鋁箔，負極集流體為銅箔，以防止低電勢條件下鋁 與鋰發(fā)生合金化。在鈉離子電池中，由于鈉與鋁不發(fā)生合金 化反響，因而正負極集流體都可使用鋁箔，防止了相對昂貴 的銅箔。(3)導電劑：與鋰離子電池相同電極材料在實際使用時，還需要添加導電劑，其主要有 三方面作用：減輕電極材料的自身極化，降低活性材料顆粒間以及與集流體之間的接觸電阻，吸附電解液并改善電極的 浸潤效果。常用的導電劑為比外表積大、導電

16、性好的碳材料, 如炭黑、石墨粉、碳納米管、石墨烯等。（4）黏結劑：與鋰離子電池相同黏結劑的功能是將電極材料、導電劑、集流體三者結合, 制成可供使用的完整極片，其用量占比很少，但對電極性能 有重要影響。用作黏結劑的材料須具有良好的穩(wěn)定性，易加 工，本錢低。鈉離子電池常用黏結劑與鋰離子電池相似，多 為強極性聚合物，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）、海藻酸鈉（SA）、聚丙烯酸（PAA）、羚甲基纖維素鈉（CMC）、聚 四氟乙烯（PTFE）等等。1.3.制造工藝與路線：與鋰電一脈相承131.電極材料合成：僅普魯士藍較為特殊鈉離子電池正極材料合成方法應根據(jù)具體材料類別而定, 主要分為固相反響法和液相合成法，普

17、魯士藍類材料一般采 用液相合成法，具有一定特殊性。氧化物類和聚陰離子類材 料既可采用固相反響法也可采用液相合成法，合成工藝基本 與鋰離子電池的對應材料相同，因此生產(chǎn)線可在一定程度上 兼容。目前，工業(yè)上最廣泛使用固相反響法，該方法制備的 產(chǎn)品均勻度有一定局限性，但操作簡單、工藝流程短，適合規(guī) ?；a(chǎn)。液相合成法的產(chǎn)品均勻度高，但相對昂貴，對設理論上由參與電極反響物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和得失電子數(shù)決定， 因此電荷載體的荷質(zhì)比越大，那么電池的理論比容量越大。放電 電壓理論上主要由正負極材料的電勢差和內(nèi)阻所決定，因此 正極電勢越高、負極電勢越低、電池內(nèi)阻越小，那么放電電壓 越大。其次，電荷載體必須具有較好的

18、輸運能力和反響動力 學活性，這直接影響電池的倍率性能以及功率密度。最后， 電極反響的可逆性和副反響等因素決定了二次電池的循環(huán)性 能和壽命。以鋰為代表的堿金屬具有最低的氧化還原電極電勢, 離子荷質(zhì)比擬大且去溶劑化能較低，因此早在20世紀60年 代就被嘗試用于二次電池的負極材料。早期鋰離子電池以金 屬鋰或鋰合金為負極，過渡金屬鹵化物（如AgCl、CuCh NiF2等）為正極，但此類正極材料導電性差、易溶解、充放 電體積劇變，且難以解決。60年代末，以TiS2為代表的過渡 金屬-硫族化合物被發(fā)現(xiàn)具有層間嵌脫能力，可以作為鋰離子 電池的正極材料，且具有高電導率和電化學反響活性，與金屬 鋰配合電壓為2.

19、2 V,具有實用價值。但金屬鋰的高度活潑性 使得該電池事故頻發(fā)，迫使人們將負極也改用嵌鋰化合物（如 嵌鋰石墨），這就是“搖椅式電池”的概念：用低嵌入電勢化 合物作為負極，高嵌入電勢化合物作為正極，防止了堿金屬 枝晶問題。由于嵌鋰化合物負極的電勢比金屬鋰更高，導致備要求高，且廢水較多。此外，還有溶膠凝膠法、微波合成 法、噴霧干燥法、離子交換法等技術，普遍本錢較高，暫不 適用于工業(yè)生產(chǎn)。圖15:正極材料合成及電極制造工藝輕壓真空干燥輕壓真空干燥活性材料.導電劑、粘 分散好的漿科涂覆在鋁 涂布后的板片壓實至一 儂后極片鼻空干燥， 極片模切成工藝要求的結劑在溶劑中均勻分散 箔上并烘干制成極片 定厚度除

20、去極片水分尺寸成漿料生東來雪庫電池裝配成組：裝配工藝和外觀分類與鋰離子電池 相同與鋰離子電池類似，鈉離子電池的生產(chǎn)同樣要經(jīng)歷制漿、 涂覆、裝配、注液、化成等工藝。其中，裝配環(huán)節(jié)主要是將 制完的正負極片通過隔膜夾層組合在一起，建立電池內(nèi)部的 鈉離子通路，并隔絕正負極以防內(nèi)短路。裝配工藝沿用鋰離 子電池技術，分為卷繞和疊片工藝，前者又分為圓柱卷繞和 方形卷繞。此外，鈉離子電池產(chǎn)品的結構設計和封裝工藝也 基本沿襲了鋰離子電池，外觀大致也分為圓柱、軟包和方形硬 殼三大類，各有優(yōu)缺點。.橫向比擬：鈉電vs鋰電、液流、鉛酸隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化推進，勢必將對其他二次電池技 術產(chǎn)生不同程度的影響。首當其沖的是

21、鋰離子電池，以及市場關注度較高的液流電池和早已廣泛應用的鉛酸電池。本節(jié) 我們通過對鈉離子電池與以上三種電池技術的橫向比照，對 其未來競爭格局作簡要預測。圖18:鈉離子電池與鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池各有優(yōu)缺點鈉離子電池 - +鈉離子電池 - +負極材料正極材料液流電池平安性能量效率負極電解液粼t密度）本錢優(yōu)勢殍命鈉電vs鋰電：性能媲美磷酸鐵鋰，綜合性價比或更 高鈉離子電池是對鋰離子電池的補充和延拓，并非完全替 代關系。首先，從性能看，現(xiàn)有鋰離子電池體系并不完美： 三元正極電池能量密度高，但循環(huán)壽命較差；磷酸鐵鋰正極 電池循環(huán)壽命高，但能量密度較低；鎰酸鋰正極電池工作電 壓高，但能量密度和循

22、環(huán)壽命都較差。此外，鋰離子電池在 低溫下易發(fā)生嚴重的容量衰減，需要一套溫度控制系統(tǒng)，這將 消耗電池系統(tǒng)至少5 %的能量，且增加了制造本錢。相比之下, 現(xiàn)有鈉離子電池體系的能量密度已逼近磷酸鐵鋰；循環(huán)壽命 雖不及磷酸鐵鋰，但顯著優(yōu)于三元材料和鎰酸鋰。其次，從平安性看，由于鈉離子電池的熱失控起始溫度 略高于鋰離子電池，因此電芯層面的平安性有所提升，但這 兩種電池都需使用高度易燃的有機電解液，都存在熱失控情 形下的爆燃風險。從目前的電芯穿刺等破壞性實驗看，鈉離 子電池實際平安性可能與磷酸鐵鋰電池相近。最后，從本錢看，鈉離子電池能有效降低原材料本錢。 其一，活性材料（正極、電解質(zhì)）中的鋰化合物整體被鈉

23、化 合物替代，鐵、鎰等廉價金屬大量替代了正極中較貴的鉆、 銀等金屬；其二，金屬鈉不與金屬鋁形成低共熔合金，正負 極集流體均可采用廉價的鋁箔，替代了原先鋰離子電池中較 貴的銅制負極集流體；其三，由于鈉離子的斯托克斯半徑小于 鋰離子，因此電解質(zhì)中溶質(zhì)用量可大大減少。未來，鈉離子電 池有可能與磷酸鐵鋰電池形成較強的競爭關系，尤其是在高 寒地區(qū)的應用；鋰離子電池那么繼續(xù)向高能量密度、高工作電 壓的方向開展，逐步向全固態(tài)電池等新技術迭代。圖19:鈉離子電池BOM本錢校磷酸鐵鋰電池降低三成以上磷酸鐵鋰本錢鈉離子電池本錢本錢貳少30%正極材料負極材料電解液 隔膜集流體式桑勤充堯蜀庠鈉電vs液流：優(yōu)缺點呈高度

24、互補，或并立于儲能市 場鈉離子電池與液流電池具有很強的互補性，前者適用于 小型靈活儲能，后者適用于大中型規(guī)模儲能。液流電池是一 種液相（水相體系為主）的電化學儲能裝置，其特點在于活 性工作物質(zhì)溶解在電解液中，通過改變活性物質(zhì)的氧化價態(tài) 實現(xiàn)能量的存儲與釋放，典型代表有全機液流電池、鐵鋁液 流電池、鋅澳液流電池等。液流電池的最大優(yōu)勢在于其水相體 系的本征平安性，以及超長的循環(huán)壽命，特別適用于中大型 的電化學儲能設施，但缺點那么是能量密度低、工作溫區(qū)窄， 因此很難小型化或應用于高寒地區(qū)。相比之下，鈉離子電池 的能量密度約是液流電池的3倍以上，可耐受-40C的低溫， 但本征平安性和循環(huán)壽命那么不及液

25、流電池。未來，鈉離子電 池和液流電池在有望在儲能領域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢互補。例如，戶用和 移動式小型儲能設備對能量密度要求較高，適合使用鈉離子電 池；大中型的電化學儲能電站對平安性的要求較高，適合使 用液流電池。鈉電vs鉛酸：逐步替代傳統(tǒng)鉛酸，倒逼后者迭代升 級鈉離子電池有望逐步替代傳統(tǒng)鉛酸電池，倒逼鉛炭電池 等新技術研發(fā)。鉛酸電池產(chǎn)業(yè)化應用的時間超過一個半世紀, 其“生產(chǎn)-消費-回收”的產(chǎn)業(yè)閉環(huán)已高度完備，優(yōu)點是低本錢、 易回收、平安性好，缺點是能量密度小、循環(huán)壽命短、充電 耗時較長。目前，鉛酸電池仍然在不斷開展升級，最具代表 性的是融合了超級電容器技術的“鉛炭電池”，其循環(huán)壽命高 達3000次以上，

26、具備快充能力，并且保存了原鉛酸電池的安 全性等優(yōu)點，但能量密度進一步降低，且制造本錢也相應升 高。相比之下，鈉離子電池的多數(shù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸電池， 未來隨著本錢進一步降低，有望實現(xiàn)對傳統(tǒng)鉛酸電池的逐步 替代。同時，鈉離子電池的崛起可能會間接地加快傳統(tǒng)鉛酸 電池向鉛炭電池升級迭代的進程，未來的鉛蓄電池可能將以 鉛炭電池等形式煥發(fā)新生，而非完全退出歷史舞臺。.鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：群雄并起，百舸爭流當前，全球范圍內(nèi)涉足鈉離子電池產(chǎn)業(yè)的企業(yè)有接近30家。由于技術路線的優(yōu)劣尚無定論，也無統(tǒng)一標準，因此不 同企業(yè)的競爭本質(zhì)上就是不同技術路線的競爭。雖然鈉離子 電池的研究歷史長達半個世紀，但其真正高速開展卻

27、是最近 的十年，得益于電極材料研發(fā)所取得的重要突破。我們認為, 該產(chǎn)業(yè)在未來3年內(nèi)仍將處于導入期向成長期過渡的階段。產(chǎn)業(yè)結構：類似鋰離子電池 鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈與鋰離子電池類似，包含上游、中游、下游三個局部。上游：原材料供給和電極材料合成，主要原 材料包括純堿、鋁箔、鎰礦等，以及各類輔材，涉及基礎化 工和有色金屬等產(chǎn)業(yè)。中游：電芯封裝、電池系統(tǒng)構建與集 成等，涉及各類耗材和電子元器件。下游：終端應用市場, 主要包括儲能和低速電動交通工具等。圖21:鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈結構上游上游中游下游主材:輔材:電芯:電池組:儲能：電動交通工具：正極原料（碳酸鈉、鼠化 鈉、我化帙、氧 化任、氧化機、氧化擁等）集流

28、體（鋁箔）極片BMS家庭儲能電動自行車外殼ECU工業(yè)儲能電動三輪車負極原料（無煙煤、生物質(zhì)原料、合成樹脂等）黏結劑（PVDF、CMC、PAA 等）極耳傳感器后備電源物流車電解液原料（六京碑酸鈉、碳酸酯、醍類等）導電劑（炭黑、石墨 份、碳納米管等）膠帶功率器件通信基站觀光車隔膜原料（聚乙坤、聚丙坤等）阻燃劑（氯代碳酸酯、衣代烷基醍等）絕緣材料保護器件數(shù)據(jù)中心電動船主要企業(yè)：全球已超二十余家，中國企業(yè)獨領風騷國內(nèi)外的鈉離子電池相關企業(yè)都是在2010年以后成立 （或進入該領域），目前全球已有超過20家相關企業(yè)，主要 分布在中國、美國、歐洲以及日本，大都為初創(chuàng)型企業(yè)，以 技術研發(fā)和戰(zhàn)略布局為主，尚未形

29、成規(guī)模。國內(nèi)：中科海鈉厚積薄發(fā)，寧德時代先聲奪人我國的鈉離子電池研究和產(chǎn)業(yè)化世界領先，國內(nèi)鈉離子 電池企業(yè)可分為兩類：一類是科研院所自研技術轉(zhuǎn)化創(chuàng)立的 初創(chuàng)企業(yè)，以中科海鈉為代表；另一類是鋰離子電池成熟企 業(yè)，切入鈉離子電池賽道參與競爭，以寧德時代為代表。中科海鈉成立于2017年，是國內(nèi)首家專注鈉離子電池開 發(fā)與制造的高新技術企業(yè)，由中國科學院物理研究所孵化， 擁有陳立泉院士、胡勇勝研究員帶著的研發(fā)團隊，歷經(jīng)10余 年探索與積累，是少數(shù)擁有鈉離子電池全領域核心專利技術 的電池企業(yè)之一，已推出多個示范工程，并開建首條IGWh 規(guī)模產(chǎn)線。作為中科院物理所孵化的科技企業(yè)，中科海鈉創(chuàng) 新能力強勁，掌握

30、從活性材料的基礎研發(fā)到放大生產(chǎn)、從材 料到電芯、從單體電池到電池模塊、從電池組件到應用端的 全領域技術。賁安能源成立于2017年，是一家主要從事水系鈉離子電 池研發(fā)和生產(chǎn)的高科技跨國企業(yè)。公司在新加坡、中國及美國設有全球研發(fā)中心，開展水系鈉離子電池的材料、電芯和 結構的研發(fā)；在中國、美國及澳大利亞設有區(qū)域公司，負責 電池材料的生產(chǎn)制造以及區(qū)域市場業(yè)務。公司專注于固定式 儲能應用領域，產(chǎn)品具有本征平安性高、環(huán)保無毒的特點， 特別適用于人口密集的城市區(qū)域儲能電站，同時適用于室內(nèi) 環(huán)境布置；也適合長時間浮充運行，可廣泛應用于工業(yè)備電 系統(tǒng)。國外：大多數(shù)為初創(chuàng)企業(yè)，規(guī)模小而前瞻性強國外的鈉離子電池企業(yè)

31、主要分布歐美和日本等興旺國家, 各種材料體系和技術路線均有公司采用，這些企業(yè)大都創(chuàng)立 時間較短且生產(chǎn)規(guī)模有限，但是技術前瞻性很強。英國Faradion公司主推層狀氧化物正極。公司成立于 2011年，是全球第一家商品化鈉離子電池企業(yè)，目前共擁有 31項鈉離子電池專利，覆蓋電池材料、電池基礎設施、電池 平安與運輸?shù)?。公司對產(chǎn)品的本錢和能量密度十分重視，最 終目標是以鉛酸般的價格提供鋰電般的性能。2021年底，公 司被印度信實新能源太陽能（RNESL）以1億英鎊 的價格收購，后者還將投資2500萬英鎊作為增長資本，以加 速鈉離子電池的商業(yè)推廣。美國Natron Energy公司主推水系鈉離子電池。公

32、司成立 于2012年，是一家研發(fā)生產(chǎn)水系鈉離子電池的企業(yè)，主推普魯士藍正極材料。公司高度注重鈉離子電池的平安性，不使 用有機溶劑電解質(zhì)，其產(chǎn)品平安性極高、循環(huán)壽命很長，功 率密度僅略低于鋰離子電池，但能量密度僅與鉛蓄電池相當, 主要面向靜態(tài)儲能應用（數(shù)據(jù)中心、叉車和電動汽車的快速 充電站）。目前，其鈉離子電池已經(jīng)初步實現(xiàn)商業(yè)化，在加 利福尼亞州圣克拉拉運營著一條試點生產(chǎn)線。下一步目標是 擴大生產(chǎn)，形成鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈。.鈉離子電池未來開展：充分發(fā)揮鈉電資源稟賦和比擬優(yōu) 勢當前問題：材料欠佳、本錢偏高、標準未定材料研究有待深入：硬碳機理，性能提升，平安評 估目前學術界對于硬碳的儲鈉機理尚存諸多爭

33、議，并未完 全說明。為改善現(xiàn)有硬碳負極首周效率較低等缺陷，必須深 入理解其儲鈉的動力學機制，為技術研發(fā)提供最根本的理論 指導。現(xiàn)有鈉離子電池的材料性能尚有較大的改良空間?？?體而言，現(xiàn)階段的鈉離子電池的能量密度與理論值存在較大 差距，而且其循環(huán)性能也需要進一步提升。一方面，需要對 活性材料進行不斷改進。另一方面，也需要考慮其整體系統(tǒng) 的設計和集成管理。對鈉離子電池的實際運行平安性需要審 慎評估。當前，對鈉離子電池的平安測試實驗是在電芯層面,結果顯示雖平安性較高，但實際運行后的平安性那么亟待觀察， 不宜盲目樂觀。尤其是普魯士藍正極，其在熱失控情況下會 釋放出氫氟酸、氧氣等劇毒氣體。本錢優(yōu)勢有待實

34、現(xiàn)：技術研發(fā)和規(guī)模效應缺一不可 鈉離子電池本錢的降低依賴于持續(xù)技術迭代對可變本錢 的削減，以及規(guī)模化量產(chǎn)對固定本錢的攤薄。理論上，鈉離 子電池確實具有很大的材料本錢優(yōu)勢，但目前產(chǎn)品的實際總 本錢在1元/Wh以上，還高于磷酸鐵鋰，這主要是由于現(xiàn)階 段的技術成熟度不夠而且尚未出現(xiàn)規(guī)模效應。一方面，電極 材料的種類、制造工藝等都未標準化，而前驅(qū)體也缺乏穩(wěn)定可 靠的供應鏈，這導致電極材料的良率、一致性偏低，實際成 本較高，這只能通過持續(xù)的技術探索改進。另一方面，生產(chǎn) 設備的價格較高且折舊損耗較大，約占制造本錢的2030%, 這只能通過規(guī)?；慨a(chǎn)進行攤薄。技術標準有待制定：規(guī)范市場秩序，促進健康開展鈉離

35、子電池行業(yè)需要建立科學的統(tǒng)一標準，以規(guī)范企業(yè) 的生產(chǎn)活動，促進產(chǎn)業(yè)健康有序開展?，F(xiàn)階段，從事鈉離子 電池研發(fā)生產(chǎn)的廠商的技術路線各不相同，孰優(yōu)孰劣存在較 大爭議。目前，廠商主要是參照鋰離子電池，結合鈉離子電 池特性和產(chǎn)業(yè)開展情況，制定適合各自企業(yè)的標準或產(chǎn)品規(guī) 范，并以此指導產(chǎn)品設計及制造工藝、確保產(chǎn)品的良率和一致電池整體的電壓和能量密度降低，又迫使人們尋找新的正極材 料，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了鉆酸鋰、鎰酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料。鈉離子電池的本錢和倍率性能相對鋰離子電池具有優(yōu)勢。 鈉與鋰處周期表同族，價電子數(shù)相同，化學性質(zhì)更活潑，由 于鈉的原子質(zhì)量和半徑遠大于鋰，故而鈉離子電池的能量密 度顯然難以與鋰離

36、子電池媲美，但鈉元素的自然界豐度是鋰 的一千多倍，而且鈉離子的去溶劑化能遠低于鋰離子。鈉離 子電池幾乎與鋰離子電池同時問世于70年代，但二者的研究 歷程略有不同。當時率先出現(xiàn)的鈉二次電池是鈉硫電池，以單 質(zhì)硫和金屬鈉為正負極，隹氧化鋁快離子導體為固態(tài)電解質(zhì), 工作溫度在300-350o這種高溫鈉硫電池的能量密度較高（150240Wh/kg）,循環(huán) 壽命達2500次，而與之相似的鋰 硫電池那么循環(huán)壽命僅不到10次。為了提高鈉二次電池的平安 性，人們對室溫鈉離子電池進行了研發(fā)，采用了與鋰離子電 池類似的思路，正極材料經(jīng)歷了層狀過渡金屬硫化物（TiS2） 到層狀氧化物（NaxCoO2）和磷酸鹽（Na

37、3M2（PO4）3,M為過 渡金屬）的歷程。但到了 80年代末期，鈉離子電池的研究遇 冷，相關研究幾乎停滯。究其原因有三點：第一，難以找到 合適的負極材料（能在酯類溶劑中高效儲鋰的石墨卻難以儲 鈉）；第二，研究條件有限（系統(tǒng)水氧含量較高，難以用金性，這導致了不同企業(yè)之間的產(chǎn)品性能和技術水平參差不齊。 行業(yè)技術標準的統(tǒng)一制定，能起到較好的行業(yè)引領作用，是 實現(xiàn)規(guī)模效應的必要保障。尤其是平安標準，更是約束產(chǎn)品 質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和促進產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù) 開展的重要手段。技術展望：增強平安性，提高比能量水系鈉離子電池：本征平安的鈉離子電池以水溶液電解質(zhì)替換有機電解質(zhì)，能從根本上提高鈉離 子

38、電池的平安性。當前的鈉離子電池延續(xù)了鋰離子電池的有 機電解液體系，因此無法從根本上規(guī)避爆燃風險，假設將其替 換為水溶液，不僅能大大提高平安性，還能簡化生產(chǎn)工藝， 同時降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染。目前人們已經(jīng)報道了大量 的水系鈉離子電池體系方案，其中普魯士藍體系的循環(huán)性能最 佳，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化嘗試，代表性企業(yè)有Natron Energy、賁 安能源等。長期來看，水系鈉離子電池是一個非常有前景的 方向，尤其適用于儲能領域。22:水系鈉離子電池Natrons Cell固態(tài)鈉離子電池：高能量密度鈉離子電池以固態(tài)電解質(zhì)材料替換液態(tài)有機電解質(zhì)，能夠制造出固 態(tài)鈉離子電池。由于防止了易燃易爆的有機溶劑，電池的

39、安 全性得到了實質(zhì)性提升，并且大大拓寬了電化學窗口，使得 高電勢正極材料和金屬鈉負極的使用成為可能，繼而大幅提 升全電池能量密度。此外，由于正負極之間有剛性的固態(tài)電 解質(zhì)阻隔，因而不再需要單獨設置隔膜，再配合雙極性電極工 藝，電池的系統(tǒng)能量密度還能進一步提升。此類材料目前面臨 室溫電導率較低、界面阻抗很大等難題，其產(chǎn)業(yè)化尚需時日。多客體共嵌負極：石墨作為普適性負極石墨負極在“多客體共嵌反響”中同樣可以實現(xiàn)絡合鈉離 子的有效嵌脫。由于鈉離子-石墨嵌入反響的AG0,因此鈉 離子在碳酸酯類溶劑中難以對石墨層間進行有效嵌脫，故而 難以使用石墨負極。事實上，在醵類溶劑中，鈉離子與醵氧原子形成配位鍵，能以

40、配位離子的形式共同嵌入石墨層間。 這種“多客體共嵌反響”具有重要的啟發(fā)意義。一方面，這意味 著石墨負極也可能作為鈉離子電池負極，從而與鋰離子電池共 用材料產(chǎn)線，有利于規(guī)?；当惧X。另一方面，這為設計新 一代多電荷離子電池提供了可能性。但是，醛類電解液的穩(wěn) 定性偏弱，易與正極發(fā)生反響，有待進一步深入研究。多客體共嵌入反響甚至未來管庫甚至未來管庫屬鈉作為基準電極開展材料評估實驗）；第三，鋰離子電池 獨占鰲頭（大量的研究者把方向錨定在鋰離子電池上）。3 2:鋰離子電池與鈉離子電池幾乎同時問世鍵離子電池開展歷程鍵離子電池開展歷程發(fā)現(xiàn)石SS可用于UB負吸設計了搖椅式原理的UB硅基負極創(chuàng)造LIB噸量密度進

41、一步攫升Sony首次商業(yè)化LIBLMO. LFP.三元正極陸續(xù)發(fā)現(xiàn)UB大規(guī)橫應用整資源供給成為擔憂1990s鋰離子電油（LIB）初步研發(fā) 發(fā)現(xiàn)UMeO?正極設計了高溫的電池未發(fā)現(xiàn)適用于SIB的負極鈉扃子電池（SIB）初步研發(fā) 發(fā)現(xiàn)NaMeO?正極S舊研發(fā)投入大幅降低 開展出高溫ZEBRA電池鈉離子電池2000s2010sSIB研究II新振興嘗試小規(guī)橫應用發(fā)現(xiàn)硬碳（負極）儲鈉設計出幅椅式ad的球元興皆庠直到21世紀，鈉離子電池迎來了轉(zhuǎn)機。2000年，人們發(fā) 現(xiàn)由葡萄糖熱解得到的硬碳材料具有高達300mA-h/g的儲鈉 比容量，為鈉離子電池提供了一種至關重要的負極材料。2007年，聚陰離子正極材料

42、Na2FePO4F被發(fā)現(xiàn)，該材料的嵌 脫體積形變率僅3.7%,幾乎沒有應變。在2000年至2010年 間，鈉離子電池的研究速度較為平緩，主要集中在少數(shù)幾個 實驗團隊。2010年后，鈉離子電池研究進入了春天，新的材 料體系不斷涌現(xiàn)，并逐步嘗試產(chǎn)業(yè)化。12工作原理與材料：與鋰電大同小異鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池完全相同，即在一 定的電勢條件下，客體堿金屬離子在宿主材料中的可逆脫出和嵌入，其中嵌入電勢較高的作為正極，嵌入電勢較低的作 為負極，整個電池的充放電循環(huán)過程就是堿金屬離子在正負 極之間的往返定向遷移過程，這種工作機制的電池就是M. Armand所提出的“搖椅式電池”。鈉離子電池的組成結構與鋰 離子也完全相同，主要都包括正極、負極、電解質(zhì)、隔膜和 集流體等。按照材料主體是否直接參與電化學反響過程，可 將它們分為活性材料與非活性材料。4:鈉離子電池工作原理與鋰電池類似鋁箔 負極 MR 電解質(zhì) 正極弘霜演三弟皆厚121.活性材料：正極、負極、電解質(zhì)鈉離子電池的活性材料包括正極材料、負極材料和電解 質(zhì)材料，它們直接參與電化學反響，因此決定了電池的本征 特性。由于鈉離子的半徑和電子結構與鋰離子相差較大，導 致兩者在反響的熱力學和動力學行為上迥然不同，因此鈉離 子電池活性材料的研發(fā)并不能完全仿照鋰離子電池。(1)正極材料：氧化