鈉離子電池行業(yè)深度研究

1、1、 鈉離子電池與鋰離子電池孿生，具備良好產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)、 鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)原理類(lèi)似鈉離子電池是一種類(lèi)似鋰離子電池的搖椅式二次電池。鈉離子電池與鋰離子電池同屬搖椅式電池（Rocking Chair Battery），主要包括正極、負(fù)極、電解液、隔膜、集流體五個(gè)部分，技術(shù)的重難點(diǎn)集中于正極、負(fù)極材料。其工作原理為鈉離子在正極、負(fù)極材料中的嵌入脫嵌，以實(shí)現(xiàn)能量的充入與釋放。電池充電時(shí)，鈉離子透過(guò)隔膜從正極向負(fù)極遷移，正極中的部分鈉離子脫嵌進(jìn)入電解液，電解液中的部分鈉離子嵌入石墨或硬碳材料的晶格間隙中。放電時(shí)相反，負(fù)極鈉離子脫嵌，正極鈉離子嵌入，鈉離子從負(fù)極向正極遷移。圖 1：鋰離子電池與鈉離

2、子電池充放電原理對(duì)比資料來(lái)源：Challenges and benefits of post-lithium-ion batteries鈉、鋰元素物化性質(zhì)有所差異，電池性能各有所長(zhǎng)。其一，鈉離子離子半徑大于鋰離子，這使其更難嵌入/脫出層狀正負(fù)極材料。在常見(jiàn)的層狀金屬氧化物材料中，鈉離子只能嵌入八面體空隙，而鋰離子可以同時(shí)嵌入四面體和八面體間隙，這使得鈉離子正極材料在能量密度方面有所欠缺；同時(shí)鈉離子難以嵌入負(fù)極石墨片層間，使得鈉離子電池需要采用其他負(fù)極材料。其二，鈉離子第一電離能更低，這使得鈉離子更穩(wěn)定，在低溫下不易析出枝晶，為鈉離子電池帶來(lái)更加優(yōu)異的安全性、穩(wěn)定性與低溫性能。其三，鈉離子摩爾電

3、導(dǎo)率更高，使鈉離子電池所需電解液濃度更低，對(duì)添加劑要求更低，鈉離子電池電化學(xué)性能也略?xún)?yōu)于鋰離子電池。表 1：鈉鋰元素物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)比項(xiàng)目鈉 Na鋰 Li原子序數(shù)113原子半徑/1.541.34離子半徑/1.160.90電負(fù)性0.980.93第一電離能/kJmol-1496520離子摩爾電導(dǎo)率/m-1m2mol-15.0113.869資料來(lái)源：PubChem，ThoughtCo，Chemistry LibreTexts，WebLogoGraphic，SlidePlayer，（原子半徑等數(shù)據(jù)由于各測(cè)量方式差異導(dǎo)致結(jié)果不同，此處選取常見(jiàn)數(shù)值）鈉離子電池與鋰離子電池技術(shù)工藝接近，研產(chǎn)投入小。一方面，鈉

4、離子電池與鋰離子電池在多個(gè)環(huán)節(jié)技術(shù)相似，生產(chǎn)線可以相互轉(zhuǎn)換，所需額外成本更小。鈉離子電池層狀氧化物正極材料與三元鋰正極材料均采用燒結(jié)工藝，設(shè)備可以通用；同時(shí)，在隔膜、電芯方面兩者的制造工藝也十分類(lèi)似。另一方面，鋰離子電池發(fā)展多年，行業(yè)技術(shù)積累深厚，多種材料為鈉離子電池材料提供創(chuàng)新思路，可以使其研發(fā)成本比同階段的鋰離子電池更低。、 碳酸鋰價(jià)格居高不下，鈉電原料易于獲取成本低廉鈉資源供需關(guān)系穩(wěn)定，價(jià)格波動(dòng)小。鈉在地殼中含量很高，地殼豐度為鋰元素的1000 倍以上。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格持續(xù)上漲。WIND數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2022 年以來(lái)碳酸鋰平均單價(jià)高于 40 萬(wàn)/噸，而與之對(duì)應(yīng)的

5、鈉離子電池原料輕質(zhì)純堿維持在 0.2-0.4 萬(wàn)元/噸，不到前者的 1%。由于下游鋰電產(chǎn)能激增，碳酸鋰供需關(guān)系持續(xù)緊張，未來(lái)受低品位鋰礦開(kāi)采成本的上升，鋰價(jià)格將持續(xù)攀高。在碳酸鋰供給緊張的情況下，鋰電池正極材料及電解液產(chǎn)量將極易受到上游原材料價(jià)格變動(dòng)帶來(lái)的沖擊。相反，純堿資源極為豐富，且涉及行業(yè)眾多，開(kāi)采成本在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)也不會(huì)有所上升，因而鈉資源的供需關(guān)系更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)供給缺口，鈉離子電池下游生產(chǎn)商的原材料貨源有充分保障。圖 2：世界鋰資源供需關(guān)系資料來(lái)源：Benchmark Mineral Intelligence圖 3：電池級(jí)碳酸鋰、輕質(zhì)純堿均價(jià)對(duì)比（元/噸）600,000500,00

6、0400,000300,000200,000100,0002021-01-312021-02-282021-03-312021-04-302021-05-312021-06-302021-07-312021-08-312021-09-302021-10-312021-11-302021-12-312022-01-312022-02-282022-03-312022-04-302022-05-3106,0005,0004,0003,0002,0001,0000電池級(jí)碳酸鋰（國(guó)內(nèi)）輕質(zhì)純堿（國(guó)內(nèi)）資料來(lái)源：Wind，世界鈉資源分布均衡，避免卡脖子問(wèn)題的不利影響。鈉資源在全球范圍內(nèi)以氯化鈉，即食鹽的

7、形式廣泛存在，而鋰礦則正在全球范圍內(nèi)成為稀缺資源，以鹽湖和鋰礦的形式存在。其中鹽湖分布在南美各國(guó)，而鋰礦主要分布在西澳大利亞。國(guó)內(nèi)鋰礦規(guī)模較小，鋰礦一旦上升為戰(zhàn)略資源將可能成為卡脖子問(wèn)題，下游生產(chǎn)將可能受到國(guó)際形勢(shì)的影響；鈉鹽則是海洋中取之不盡用之不竭的資源，可以大量開(kāi)采而不受?chē)?guó)際關(guān)系影響，國(guó)內(nèi)企業(yè)亦可掌握原材料采購(gòu)的主動(dòng)權(quán)。圖 4：2020 年各國(guó)鋰礦已探明儲(chǔ)量、產(chǎn)量（萬(wàn)噸）02004006008001000智利澳大利亞阿根廷 中國(guó)美國(guó)津巴布韋巴西葡萄牙01234562021鋰當(dāng)量產(chǎn)量2021已探明鋰當(dāng)量?jī)?chǔ)量資料來(lái)源：Statista，、 鈉離子電池近年屢見(jiàn)技術(shù)突破，新材料助力性?xún)r(jià)比提升鈉離

8、子電池歷史悠久，近十年發(fā)展迅猛。上世紀(jì) 70 年代，鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)被發(fā)現(xiàn)，隨后幾十年鈉離子電池進(jìn)展較為緩慢。2010 年后，學(xué)界開(kāi)始逐漸重視鈉離子電池相關(guān)材料的研究，論文數(shù)量不斷攀升，在 2020 年前后達(dá)到頂峰，期間多種類(lèi)型的正負(fù)極材料及其工藝路線的研究起頭并進(jìn)。2020 年后，鈉離子研究熱度開(kāi)始下降，表現(xiàn)出技術(shù)成熟與初步商業(yè)化的特征。2011 年，全球首家主營(yíng)鈉離子電池的公司 Faradion 在英國(guó)成立；2017 年，國(guó)內(nèi)第一家鈉離子電池專(zhuān)業(yè)制造商中科海鈉成立，隨后不斷取得商業(yè)化成果，為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化開(kāi)辟了道路。圖 5：鈉離子電池發(fā)展歷程資料來(lái)源：中科海鈉官網(wǎng)，北極星儲(chǔ)

9、能網(wǎng)，AEIA，CNPowder，Capital Whale，同花順，各環(huán)節(jié)技術(shù)不斷突破，鈉離子電池性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)凸顯。近年來(lái)，鈉離子電池各環(huán)節(jié)在基礎(chǔ)技術(shù)層面屢見(jiàn)突破。寧德時(shí)代優(yōu)化普魯士藍(lán)正極工藝，選用最佳材料粒徑并進(jìn)行碳包覆，提高了放電功率；中科院物理所團(tuán)隊(duì)發(fā)明銅基正極材料，探索下一代高熵正極材料，通過(guò)無(wú)煙煤裂解技術(shù)獲得軟碳負(fù)極材料；過(guò)程所團(tuán)隊(duì)使用鋁代替聚陰離子正極材料中的釩元素，提高其性能的同時(shí)降低了成本。2、 鈉電池成本低廉，正負(fù)極與鋰電存在差異、 鈉離子電池價(jià)格低廉且性能良好鈉離子電池相較鋰電子電池成本更低廉。鈉電池由于嵌入效率低，能量密度受影響，但成本優(yōu)勢(shì)顯著。鈉離子電池正極材料無(wú)須價(jià)格

10、較高的鋰鹽，也可以使用銅基正極材料以避免價(jià)格較高的過(guò)渡金屬元素化合物，據(jù)中科海鈉數(shù)據(jù)顯示，鈉離子電池銅基正極成本相比磷酸鐵鋰正極可降低近 60%；同時(shí)，由于鈉與鋁不易發(fā)生合金化反應(yīng)，集流體可以全部使用鋁箔代替銅箔，成本可降低近 70%。另外，鈉離子電池負(fù)極材料可以使用價(jià)格較低的無(wú)煙煤加工獲得，隔膜與鋰離子電池類(lèi)似，兩者基本維持與鋰離子電池相近的成本。根據(jù)中科海鈉的綜合測(cè)算，鈉離子電池成本相比性能接近的磷酸鐵鋰電池可降低約 30%-40%；目前，鈉離子電池制造工藝尚未完全成熟，制造規(guī)模較小，其制造成本約為 1 元/Wh，與三元鋰電池相當(dāng)；而據(jù)中科海鈉預(yù)測(cè)，在規(guī)模效應(yīng)的加持下，鈉離子電池成本有望進(jìn)

11、一步壓縮至 0.20.3 元/Wh。表 2：鈉離子電池與主流二次電池性能對(duì)比項(xiàng)目鈉離子電池鋰離子電池鉛酸電池質(zhì)量能量密度100-200Wh/kg120-300Wh/kg30-50Wh/kg體積能量密度180-280Wh/L200-300Wh/L60-100Wh/L工作電壓2.8V3.5V3.0V4.2V2.0V循環(huán)次數(shù)2000-4500 次4000-6000 次低于 1000 次低溫性能-20放電效率 90%-20放電效率 70%75%-20放電效率小于 60%充電速度15 分鐘 80%以上20-30 分鐘 80%約 1 小時(shí) 80%，快充易損傷電池其他性能優(yōu)勢(shì)耐過(guò)放電性能好，安全性好倍率性能

12、好-資料來(lái)源：21SPV，鉅大鋰電，SMM 資訊，ElecFans，瑞達(dá)電源官網(wǎng)，前瞻網(wǎng)，中科院物理所官網(wǎng)，Mysteel，有駕網(wǎng)，汽車(chē)維修技術(shù)網(wǎng)，圖 6：鈉離子電池與鋰離子電池成本對(duì)比資料來(lái)源：中科海鈉官網(wǎng)、 鈉電池三大正極材料路線各有所長(zhǎng)鈉離子電池正極材料主要包括層狀過(guò)渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍(lán)類(lèi)似物三大路線。已發(fā)現(xiàn)的層狀金屬氧化物正極材料包括 NaFeO2 等 O3 構(gòu)型材料， Na2/3MnO2 等 P2 構(gòu)型材料，以及具有更復(fù)雜構(gòu)型的混合材料；普魯士藍(lán)類(lèi)似物主要包括普魯士藍(lán)、鐵基/錳基普魯士白等；聚陰離子類(lèi)正極材料分為 Na4MnV(PO4)3 等 NASICON 型材料

13、，以及 Na3(VOPO4)2F 等氟磷酸鹽型材料。已經(jīng)商業(yè)化的正極材料覆蓋各個(gè)類(lèi)型，其性能、成本各不相同。從性能角度來(lái)看，普魯士藍(lán)類(lèi)似物和層狀氧化物的理論能量密度更高；從成本看，層狀氧化物材料價(jià)格最為低廉。其余幾類(lèi)材料中，隧道型氧化物、非晶態(tài)化合物理論能量密度較低，實(shí)用性差；有機(jī)正極如 Na2C6O6，其能量密度很高，但工作電壓很低，阻礙了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。表 3：已發(fā)現(xiàn)的具有代表性的鈉離子電池正極材料（部分）大類(lèi)細(xì)分類(lèi)型分子式理論最高能量密度(Wh/kg)已有產(chǎn)品能量密度(Wh/kg)單價(jià)（萬(wàn)元/噸）層狀過(guò)渡金屬氧化物O3 構(gòu)型NaNiO2360120-140-NaFeO2281120-

14、NaCrO2330-P2 構(gòu)型Na0.74CoO2363-Na0.67MnO2347-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2483-4-5Na2/3Fe1/2Mn1/2O2520-NaCuFeMnO3241452.9普魯士藍(lán)類(lèi)似物鐵基NaFeFe(CN)6405-2-3非鐵基Na2MnFe(CN)65251602-3Na1.85CoFe(Cn6)0.99535-聚陰離子類(lèi)化合物NASICONNa3V2(PO4)3391-15NaFe2(MoO4)3234-氟磷酸鹽Na3V2(PO4)2F343590-Na3V2 (PO4)2FO2495-隧道型氧化物隧道型氧化物Na0.44MnO2352-Na0.

15、54Mn0.50Ti0.51O2319-橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鐵鈉NaFePO4345-非晶態(tài)化合物磷酸鐵鈉NaFePO4365-有機(jī)物玫棕酸鈉Na2C6O6726-資料來(lái)源：Recent Advances in SodiumIon Battery Materials，Recent advances in high energy-density cathode materialsfor sodium-ion batteries，（摘選其中較典型或性能參數(shù)較高的材料）、 層狀過(guò)渡金屬氧化物原材料易得、成本低層狀氧化物材料譜系廣泛，性能潛力空間大。過(guò)渡金屬氧化物是一類(lèi)最為常見(jiàn)的鋰離子電池正極材料，三元鋰電

16、正極材料即屬此類(lèi)。過(guò)渡金屬氧化物分為隧道型和層狀型兩種，前者性能潛力遠(yuǎn)不如后者，主要系層狀結(jié)構(gòu)利于鈉/鋰離子更好地嵌入金屬氧化物，從而提升其比容量和能量密度?；谂c三元鋰離子電池正極材料相同的原理，鈉離子電池可以采用類(lèi)似結(jié)構(gòu)的材料 NaxMO2，其中 M 一般為鎳、鈷、錳等過(guò)渡金屬元素。根據(jù)材料的晶胞構(gòu)造與鈉離子嵌入形式，該類(lèi)材料又可細(xì)分為 O3、P2、P3 三個(gè)亞型及混合型，其中 O3、P2 構(gòu)型最為常見(jiàn)。由于不同過(guò)渡元素的配比可誕生極多種材料構(gòu)型，可挖掘潛力大，層狀金屬氧化物一直以來(lái)都是科學(xué)研究的重點(diǎn)。層狀氧化物路線可變因素較多，潛力空間大。據(jù)胡勇勝團(tuán)隊(duì)研究顯示，P2 構(gòu)型的Na0.72L

17、i0.24Mn0.76O2 材料具有高可逆氧變價(jià)特性，理論最高能量密度可達(dá) 700Wh/kg，最高可逆比容量 270mAh/g。圖 7：三種層狀氧化物構(gòu)型示意圖圖 8：高可逆氧變價(jià) P2 層狀金屬氧化物資料來(lái)源：Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of Research資料來(lái)源：鈉離子電池及其關(guān)鍵材料，中科院物理所層狀氧化物材料譜系豐富，原材料易得。英國(guó)鈉離子電池生產(chǎn)商 Faradion 是世界最早開(kāi)始鈉離子電池商業(yè)化的公司之一，始終采用層狀正極氧化物路線，擁有AxMyMiziO2-d 過(guò)渡元素型層狀金屬氧化物專(zhuān)利，其中 A 為以鈉為主導(dǎo)的堿金屬

18、合金， M 為鎳、錳、鐵、鈷之一，Mi 可能為鎳、鐵、鈷、錳、鈦等幾十種元素的組合，其中較為常用的如 NaNi0.5Ti0.5O2-d 等。Faradion 的專(zhuān)利內(nèi)容也充分體現(xiàn)了層狀氧化物材料譜系豐富的特點(diǎn)，其元素組成靈活多變，性能各異，一方面有望為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供各種解決方案，另一方面通過(guò)所用金屬元素的改進(jìn)可以不斷降低成本。同時(shí)，層狀氧化物制備方法簡(jiǎn)單，主要為燒結(jié)等熱處理工藝，該工藝與三元正極制備方法十分類(lèi)似。圖 9：層狀氧化物常見(jiàn)配方與合成方法資料來(lái)源：國(guó)際專(zhuān)利 WO 2016/103649 A1銅基氧化物路線，性能可控同時(shí)實(shí)現(xiàn)低成本。中科海鈉研發(fā)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)銅離子Cu2+/Cu

19、3+氧化還原在層狀氧化物中高度可逆，其發(fā)布的鈉離子電池創(chuàng)造性地選用銅基層狀氧化物材料 NaCuFeMnO，其中銅、鐵、錳價(jià)格都低于鈷、鎳等常用于此類(lèi)化合物的過(guò)渡金屬元素。該材料在降低成本的同時(shí)保持了足夠的性能，電池能量密度可達(dá) 145Wh/kg，循環(huán)次數(shù)可達(dá) 4500 次。圖 10：新型低成本銅基層狀金屬氧化物正極材料資料來(lái)源：鈉離子電池及其關(guān)鍵材料，中科院物理所、 普魯士藍(lán)類(lèi)似物能量密度高普魯士藍(lán)類(lèi)似物潛力突出，能量密度比肩磷酸鐵鋰。普魯士藍(lán)類(lèi)似物開(kāi)放式的三維結(jié)構(gòu)和豐富的鈉離子儲(chǔ)存位點(diǎn)為其帶來(lái)了優(yōu)異的電化學(xué)性能及較高的能量密度。根據(jù) Tang et al.于 2020 年的工作，普魯士藍(lán)正極

20、材料在實(shí)驗(yàn)室中可測(cè)得能量密度為 111Wh/kg 以上；S. He（2022）等人的研究則表明一種新型鐵基普魯士白（NaMHCF）的能量密度至少可達(dá) 182Wh/kg。據(jù)寧德時(shí)代鈉離子電池發(fā)布 會(huì)披露，目前商用鈉離子電池最高單體能量密度可達(dá) 160Wh/kg，與主流磷酸鐵 鋰正極材料性能基本相當(dāng)；下一代鈉離子正極材料能量密度有望達(dá)到 200Wh/kg，已迎頭趕上主流磷酸鐵鋰正極材料的發(fā)展規(guī)劃。圖 11：一種普魯士藍(lán)材料的晶體結(jié)構(gòu)示意圖圖 12：普魯士白 NaMHCF 性能曲線資料來(lái)源：Reversible structural evolution of sodium-rich rhombohe

21、dral Prussian blue for sodium-ion batteries資料來(lái)源：Solvent-free mechanochemical synthesis of Na- rich Prussian white cathodesfor high-performance Na-ion batteries普魯士藍(lán)原料價(jià)格低廉，生產(chǎn)技術(shù)成熟后有望進(jìn)一步降本。普魯士藍(lán)原料易于制備，價(jià)格低廉，但普通的普魯士藍(lán)材料內(nèi)部含有大量結(jié)晶水，對(duì)電池的放電性能、安全性和穩(wěn)定性都帶來(lái)了較大危害。因此，在原料的基礎(chǔ)上，還需要增加導(dǎo)電高分子包覆等工藝，或使微觀呈多孔納米立方結(jié)構(gòu)，以改善材料性能。普魯士藍(lán)類(lèi)

22、似物加工工藝的改進(jìn)空間較大，未來(lái)尚有降本空間。、 聚陰離子化合物穩(wěn)定性高，倍率性能有待改善聚陰離子化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全性高，倍率性能限制實(shí)際應(yīng)用。相比其它正極材料，聚陰離子化合物(含有四面體或者八面體陰離子結(jié)構(gòu)單元(XOm)n-(X=P、Si、 B 等)的一系列化合物總稱(chēng)）由于陰離子框架網(wǎng)絡(luò)高度的穩(wěn)定性而具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性能。但聚陰離子型化合物最大的缺點(diǎn)就是電子導(dǎo)電率和離子擴(kuò)散系數(shù)都很低，致使電化學(xué)反應(yīng)極化大，降低了倍率性能，限制了實(shí)際應(yīng)用。圖 13：一種聚陰離子化合物材料的晶體結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：Recent Advances in Phosphate Cathode Materials

23、 for Sodium-ion Batteries實(shí)驗(yàn)室階段鋁元素代替釩，新材料效能顯著提升。2021 年，趙君梅團(tuán)隊(duì)突破性地研發(fā)了三元磷酸鹽正極材料Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3，隨后又通過(guò)使用鋁元素代替釩，進(jìn)一步降低成本。據(jù)該團(tuán)隊(duì)介紹，磷酸鋁錳釩鈉材料成本較磷酸釩鈉降低44%，較磷酸錳釩鈉降低 10%。同時(shí)，兩種磷酸鋁錳釩鈉材料的能量密度分別達(dá)到了 224 Wh/kg 和 232Wh/kg，遠(yuǎn)超前人研究結(jié)果，打開(kāi)了磷酸鹽系聚陰離子化合物的應(yīng)用之窗。、 負(fù)極材料以碳基為主，有待技術(shù)突破鈉離子電池負(fù)極材料以碳基為主，鐵基材料及鈦酸鈉兼具潛力。Fang et al.等人完成的綜述顯示，

24、鈉離子電池的負(fù)極材料以各種硬碳、軟碳材料為主，另外還包括三鈦酸鈉等嵌入型化合物、四氧化三鐵等轉(zhuǎn)化型化合物、金屬單質(zhì)及合金材料等等。在所有已發(fā)現(xiàn)的負(fù)極材料中，除碳基、鐵基負(fù)極外的其他材料可能具有更高的可逆容量和能量密度，但單價(jià)過(guò)高，暫不適合商業(yè)化應(yīng)用。其中，鐵基材料如硫化亞鐵、四氧化三鐵等價(jià)格較低，偶見(jiàn)商用，但其技術(shù)成熟度不如碳基材料。碳基材料中，鋰離子電池常用的石墨材料無(wú)法有效嵌入鈉離子，改進(jìn)的石墨材料尚處實(shí)驗(yàn)室研究階段，暫未得到應(yīng)用；目前主流的碳基負(fù)極材料主要為各類(lèi)硬碳材料，其價(jià)格、性能與鋰離子電池的石墨負(fù)極基本相當(dāng)。表 4：已發(fā)現(xiàn)的鈉離子電池負(fù)極材料（部分）大類(lèi)名稱(chēng)理論能量密度(Wh/kg

25、)理論可逆容量(mAh/g)單價(jià)(萬(wàn)元/噸)軟碳石墨2142001.5硬碳硬碳29236110-20嵌入型TiO22023003-6Na2Ti3O12155145-NaTi3O7171230-NaTi2(PO4)386130-轉(zhuǎn)化型MoS21805046-16Fe3O4176450-FeS2225800-轉(zhuǎn)化型合金SnO229450020Sn4P3288850-Sb2S32268352-3單質(zhì)/合金Sn32280820-40SnSb27954410-15資料來(lái)源：Recent Advances in SodiumIon Battery Materials，（摘選其中較典型或性能參數(shù)較高的材料）

26、、 硬碳性能肩比石墨硬碳路線性能卓越，價(jià)格降低后更具應(yīng)用潛力。2003 年，Dahn 等人利用葡萄糖 碳化得到了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)序的硬碳材料。鈉離子可以嵌入材料中的納米空洞中，形成所謂“紙牌屋結(jié)構(gòu)”，可逆比容量達(dá) 300mAhg-1。隨著硬碳材料的不斷發(fā)展， 其比容量不斷上升，已知最高可達(dá) 478mAhg-1。然而，由于硬碳加工要求高于石墨，其價(jià)格偏高，一般約 10-20 萬(wàn)/噸，常作為高性能負(fù)極材料應(yīng)用于鈉離子電池。未來(lái)，硬碳價(jià)格仍有較大下降空間，這為其提供更加廣闊的應(yīng)用前景。圖 14：一類(lèi)高性能硬碳材料的關(guān)鍵參數(shù)資料來(lái)源：BTRChina，、 新型軟碳材料具備用于鈉離子負(fù)極可行性軟碳路線另辟

27、蹊徑，新型高比容量軟負(fù)極材料面世。根據(jù) Asenbauer 等人完成的研究，軟碳材料（Soft Carbon）中最具代表性的石墨材料已被廣泛應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極，理論上鋰離子填充石墨片層間形成化合物 LiC6 時(shí)，克容量最大，為 372mAh/g。由于鈉離子體積更大，難以嵌入石墨層間間隙，因而石墨無(wú)法被直接用于鈉離子電池負(fù)極。1994 年，Doeff 提出了一種熱處理工藝，可以將石油焦炭或乙炔炭黑代替石墨用于鈉離子電池負(fù)極，填充鈉離子后分別形成 NaC30和 NaC15，鈉離子在化合物中的密度均優(yōu)于對(duì)照組的石墨材料（NaC70），雖遜于鋰電池石墨材料，但也初步具備了應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極的可行性

28、。圖 15：有序嵌入石墨片層的鋰離子圖 16：鈉離子無(wú)序嵌入硬碳形成“紙牌屋”結(jié)構(gòu)資料來(lái)源：Comprehensive elucidation of crystal structures of lithium intercalated graphite資料來(lái)源：Sodium and Sodium-Ion Batteries: 50 Years of Research軟碳材料價(jià)格低廉，將顯著降低鈉離子電池成本。據(jù)東方財(cái)富網(wǎng)報(bào)道，目前鋰電用石墨負(fù)極材料價(jià)格在 4 萬(wàn)元/噸左右。而由于焦炭、炭黑等原料價(jià)格低廉，熱處理工藝簡(jiǎn)單，以無(wú)煙煤裂解材料為代表的鈉電負(fù)極軟碳材料價(jià)格十分低廉。據(jù)金融外匯網(wǎng)報(bào)道，其

29、價(jià)格預(yù)計(jì)低于 1.5 萬(wàn)/噸，遠(yuǎn)低于現(xiàn)有鋰離子電池石墨負(fù)極材料的價(jià)格，以及現(xiàn)有主流硬碳材料 10-20 萬(wàn)/噸的價(jià)格，軟碳材料的應(yīng)用可使鈉離子電池成本進(jìn)一步下降。3、 鈉離子電池市場(chǎng)空間廣，涵蓋儲(chǔ)能乘用兩輪、 電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)空間巨大電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展迅猛，2025 年鈉離子電池需求將催生 200 多億元大市場(chǎng)。據(jù) CNESA 統(tǒng)計(jì)，2020 年全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目新增裝機(jī)規(guī)模達(dá) 4.7GWh，2021 年 7 月，國(guó)家發(fā)改委、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)，提出到 2025 年實(shí)現(xiàn)累計(jì)裝機(jī)量 30GWh 的目標(biāo)。假設(shè) 2021-2025 年均復(fù)合增長(zhǎng) 60%，我們預(yù)計(jì) 2025

30、 年國(guó)內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能總規(guī)模將超過(guò) 34GWh。假設(shè)（1）搖椅式二次電池（鋰/鈉離子電池）在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域占比與 2020 年占比持平，約為 92%；（2）鈉離子電池滲透率 100%；（3）鈉離子電池成本與毛利率與現(xiàn)有磷酸鐵鋰電池接近，其中成本 0.6 元/Wh，毛利率 20%；則可以由此推算，2025年鈉離子儲(chǔ)能電池市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 230 億元。圖 17：電化學(xué)儲(chǔ)能總裝機(jī)量40000.035000.030000.025000.020000.015000.010000.05000.00.0153.5%91.2%21425.075.0%67.4%60.0%13390.653.4%59.4%8369.

31、222.7%48.1%5230.727.1%40.750.074.1 129.6 164.8 275.9423.23269.21072.7 1709.634280.0180%160%140%120%100%80%60%40%20%0%2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E總裝機(jī)量GWhYoY資料來(lái)源：CNESA，ChinaIRN，電池性?xún)r(jià)比高，鈉離子電池有望全面滲透儲(chǔ)能市場(chǎng)?，F(xiàn)階段，鈉離子電池因其較低的能量密度而難以被應(yīng)用在性能要求較高的乘用車(chē)領(lǐng)域，但依然可以用于電動(dòng)兩輪車(chē)、

32、A00 級(jí)汽車(chē)等動(dòng)力性能較低的交通工具。據(jù)中研網(wǎng)報(bào)道，2021 年全國(guó)電動(dòng)兩輪車(chē)社會(huì)保有量接近 3 億輛，由于鋰離子電池成本較高，鉛酸電池依然是兩輪車(chē)電瓶的主要類(lèi)型，而鉛酸電池也存在笨重、續(xù)航較低的問(wèn)題。鈉離子電池成本低廉、重量輕、續(xù)航優(yōu)于鉛酸電池，是電動(dòng)兩輪車(chē)的理想電池類(lèi)型。另外，對(duì)于 A00 級(jí)車(chē)而言，由于其微薄的利潤(rùn)，勢(shì)必在性能指標(biāo)滿足要求的情況下選用成本更低的電池，在此種應(yīng)用場(chǎng)景下，鈉離子電池也具備自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池電化學(xué)性能穩(wěn)定，安全性更佳。鈉與鋰同為第一主族元素，特點(diǎn)是一價(jià)正離子穩(wěn)定性較好，溶液電導(dǎo)率較高。對(duì)比而言，鈉元素原子序數(shù)更高，原子和離子半徑更大，電負(fù)性與第一電離能

33、更低，這使得鈉離子穩(wěn)定性更好，離子電導(dǎo)率更高。鈉離子的穩(wěn)定性和高電導(dǎo)率還為鈉離子電池帶來(lái)了更好的快充、低溫運(yùn)行性能。鈉離子的摩爾離子電導(dǎo)率更高，使得充電效率更高；同時(shí)鈉離子更高的穩(wěn)定性使得鈉離子電池可以以更大功率進(jìn)行充電，而不易導(dǎo)致電池?fù)p壞或安全事故；另外，鈉離子電池在運(yùn)行時(shí)內(nèi)電阻稍高，若遭遇短路，發(fā)熱量更小，溫升更低，減少了事故發(fā)生率。鈉離子的穩(wěn)定性還使得鈉更難以在低溫下析出，使其具備優(yōu)于鋰離子電池的低溫安全性；據(jù)寧德時(shí)代鈉離子電池發(fā)布會(huì)披露，在零下二十度的高寒環(huán)境下，鈉離子電池的放電保持率可以接近 90%，而據(jù)鉅大鋰電描述，鋰離子電池在零下二十度往往只能獲得 70%75%的放電。在高寒地區(qū)

34、或冬季使用鈉離子電池可以保證電動(dòng)車(chē)的最高速度、續(xù)航里程，也可以加強(qiáng)儲(chǔ)能電站對(duì)氣溫干擾的抵抗能力，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性。、 鈉電池在 A00 級(jí)及兩輪車(chē)領(lǐng)域亦有看點(diǎn)電動(dòng)兩輪車(chē)領(lǐng)域性能成本不輸鉛酸電池。傳統(tǒng)電動(dòng)兩輪車(chē)市場(chǎng)主流電池為鉛蓄電池，近年來(lái)由于鋰電池成本的下降，其滲透率正逐年上升。據(jù)艾瑞咨詢(xún)統(tǒng)計(jì)，兩輪車(chē)用鋰電滲透率已連續(xù) 5 年每年至少提高 2 個(gè)百分點(diǎn)，2021 年滲透率為23.4%。參考EVTank 相關(guān)預(yù)測(cè)，在鋰電滲透率持續(xù)增長(zhǎng)的情況下，用于電動(dòng)兩輪車(chē)的鋰電規(guī)模將穩(wěn)步上升；基于上文相關(guān)假設(shè)，我們預(yù)測(cè) 2025 年兩輪車(chē)用鋰電總需求量將超 27GWh，其市場(chǎng)規(guī)模將接近 200 億元。鈉離子

35、電池的出現(xiàn)使得鉛蓄電池的成本和鋰離子電池的性能得以兼顧，未來(lái)有望成為電動(dòng)兩輪車(chē)市場(chǎng)主流產(chǎn)品，催生百億規(guī)模的鈉離子電池市場(chǎng)。圖 18：電動(dòng)兩輪車(chē)鋰電需求量30.0 27.4100%25.020.015.010.05.00.05.63.560.0%91.1%24.3%10.720.7%22.5%13.316.319.723.490%80%70%60%50%40%18.9%30%17.1%20%10%0%20182019202020212022E2023E2024E2025E兩輪車(chē)用鋰電規(guī)模GWhYoY資料來(lái)源：EVTank，A00 級(jí)純電乘用車(chē)銷(xiāo)量飆升，鈉離子電池有望加速滲透這一重性?xún)r(jià)比領(lǐng)域。20

36、18年以來(lái)，新能源車(chē)基本占領(lǐng)了 A00 級(jí)乘用車(chē)市場(chǎng)，且 A00 級(jí)乘用車(chē)占新能源車(chē)出貨量的比例越來(lái)越高。WIND 數(shù)據(jù)顯示，2021 年隨著新能源乘用車(chē)銷(xiāo)量強(qiáng)勢(shì)上漲，A00 級(jí)純電乘用車(chē)銷(xiāo)量也同步上漲，且其占純電汽車(chē)銷(xiāo)量的比例由 2019年的 27%，2020 年的 33%再次上升，達(dá)到 36%，充分說(shuō)明了 A00 級(jí)乘用車(chē)產(chǎn)品在新能源汽車(chē)市場(chǎng)中的重要地位。由于 A00 級(jí)乘用車(chē)對(duì)動(dòng)力要求較低，鈉離子電池完全可以滿足，未來(lái) A00 級(jí)純電汽車(chē)中使用低成本鈉離子電池的比例將不斷上升。2021 年 A00 級(jí)新能源車(chē)市場(chǎng)規(guī)模約 300-400 億元，其中 A00 純電市場(chǎng)近 100 億元，鈉離子

37、電池大有可為。圖 19：新能源乘用車(chē)分類(lèi)型銷(xiāo)量統(tǒng)計(jì)98.99175.9931.7122.9261.9864.3856.3221.2321.09350.00300.00250.00200.00150.00100.0050.000.00201920202021非純電非A00純電A00純電（萬(wàn)輛）資料來(lái)源：Wind，4、 鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化加速，先行者將受益鈉電產(chǎn)業(yè)化提速，鈉離子電池產(chǎn)品接連發(fā)布。目前我們統(tǒng)計(jì)到至少 9 家公司已經(jīng)研發(fā)出可用的鈉離子電池產(chǎn)品，其中以中科海鈉、寧德時(shí)代的技術(shù)為最領(lǐng)先。據(jù)超凡網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，截止 2021 年 11 月已生效的鈉離子電池專(zhuān)利中，中科院物理所擁有 67 個(gè)，中科海鈉

38、18 個(gè)，寧德時(shí)代 32 個(gè)。按類(lèi)型來(lái)看，最重要的正極材料部分專(zhuān)利數(shù)量最多為 79 個(gè)，其中中科院物理所與中科海鈉偏重過(guò)渡金屬氧化物，共申請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)利 25 個(gè)；寧德時(shí)代目前傾向于普魯士藍(lán)類(lèi)似物路線，相關(guān)專(zhuān)利共16 個(gè)，另有其他正極相關(guān)專(zhuān)利 9 個(gè)。圖 20：主要企業(yè)與研究所專(zhuān)利布局80706050403020100中科院物理所中科海鈉寧德時(shí)代正極負(fù)極電解液其他資料來(lái)源：天極網(wǎng)，依托中科院物理所技術(shù)的中科海鈉公司于 2017 年推出首款鈉離子電池，該電池以成本優(yōu)勢(shì)見(jiàn)長(zhǎng)。一方面，通過(guò)銅基正極的研發(fā)，盡可能避免了過(guò)渡元素化合物的使用，進(jìn)一步降低了正極成本；另一方面，使用無(wú)煙煤裂解生產(chǎn)軟碳負(fù)極，解決了

39、鈉離子電池負(fù)極成本比例偏高的問(wèn)題；同時(shí)，將負(fù)極集流體替換為鋁箔，減少了使用銅箔帶來(lái)的成本。寧德時(shí)代于 2021 年 7 月公布的第一代鈉離子電池則使用了已知理論能量密度最高的錳基普魯士白材料，實(shí)現(xiàn)了最高的有效能量密度。寧德時(shí)代認(rèn)為層狀氧化物和普魯士白兩種正極材料最具商業(yè)前景，正同步推進(jìn)兩條技術(shù)路徑。其中以普魯士白為正極的第一代鈉離子電池除比肩磷酸鐵鋰電池的質(zhì)量能量密度外，還包括以下優(yōu)勢(shì)性能。第一，電池具有優(yōu)秀的低溫放電保持率，即在-20的低溫下仍可保持 90%以上的放電率；第二，良好的快充性能，常溫下 15 分鐘可充電 80%；第三，較高的系統(tǒng)集成效率，系統(tǒng)集成率達(dá) 80%；第四，與鋰電池的兼

40、容性，其提出的 AB 電池方案可以綜合鈉鋰電池的優(yōu)勢(shì)，在低溫等場(chǎng)景下提高鈉離子電芯的使用強(qiáng)度，在其余場(chǎng)景下提高鋰離子電芯的使用強(qiáng)度，降低電池成本的同時(shí)不影響電池整體性能。表 5：已研發(fā)完成鈉離子電池產(chǎn)品的公司公司工藝路線已知參數(shù)與性能寧德時(shí)代正極：錳基普魯士白、層狀氧化物，負(fù)極：硬碳能量密度 160Wh/kg，-20放電保持率 90%中科海鈉正極：銅基層狀氧化物，磷酸鈉鹽，氟磷酸鈉鹽，負(fù)極：軟碳能量密度 145Wh/kg，循環(huán)次數(shù) 4500 次鵬輝能源正極：磷酸釩鈉，負(fù)極：硬碳-浙江鈉創(chuàng)正極：鐵酸鈉，負(fù)極：硬碳能量密度 120Wh/kg，循環(huán)次數(shù) 4000 次湖南立方正極：層狀氧化物，負(fù)極：硬

41、碳能量密度 140Wh/h，循環(huán)次數(shù) 2000 次以上賁安能源正極：普魯士藍(lán)，負(fù)極：鈦酸鹽-星空鈉電正極：普魯士藍(lán)，負(fù)極：硬碳-山東章鼓正極：磷酸釩鈉，負(fù)極：硫化亞鐵工作溫度范圍-30-55江蘇眾鈉正極：硫酸鐵鈉；負(fù)極：硬碳資料來(lái)源：CATL 公眾號(hào)，東方財(cái)富網(wǎng)，同花順，證券時(shí)報(bào)，Mysteel，鉅大鋰電，CBC 金屬網(wǎng)，格隆匯，上市公司積極布局鈉離子電池，覆蓋正極負(fù)極等多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前已有多家上市公司存在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)布局，包括電芯電池、正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、補(bǔ)鈉技術(shù)、電池生產(chǎn)設(shè)備等各個(gè)環(huán)節(jié)。電芯方面，三峽能源與中科海鈉合作已建成全球首條 1GWh 級(jí)規(guī)模化生產(chǎn)線；正極材料方面，振華新材已具備層狀氧化物材料千噸級(jí)生產(chǎn)能力；容百科技也已具備噸級(jí)生產(chǎn)能力，正與下游客戶繼續(xù)合作開(kāi)發(fā)。負(fù)極材料方面，杉杉股份的硬碳石墨復(fù)合材料已進(jìn)入中試階段。表 6：國(guó)內(nèi)上市公司在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的布局公司名稱(chēng)細(xì)分領(lǐng)