钠离子电池技术

一、什么是钠离子电池

1、发展背景

在现有电池技术中，锂离子电池（LIB）具有无与伦比的能量密度和多功能性。自其首次商业化以来，便携式设备一直在推动其高速增长。近年，电动汽车和固定式储能应用开始兴起。由于锂离子电池原材料的储量分布和价格波动，这些大规模应用为锂离子电池价值链带来了前所未有的压力，进而推动了替代锂离子技术的开发。钠离子电池（SIB）化学是最有前景的“超越锂”电池技术之一。据麦姆斯咨询介绍，英国知名研究公司IDTechEx在本报告中，全面探讨了钠离子电池的商业化前景和主要挑战。

钠离子电池是一种新兴的电池技术，正处于商业化风口。与锂离子电池相比，钠离子电池具有可观的成本、安全、可持续及性能优势。钠离子电池可以使用广泛易得且廉价的原材料，以及现有的锂离子电池生产方法，有望实现快速扩张。

2、钠离子电池定义及分类

严格来讲，钠离子电池并非新技术。十九世纪七十年代，钠离子电池和锂离子电池同时被提出，但由于锂离子电池优异的性能使科学家们纷纷放弃了对钠离子电池的研究，几乎全部投入锂离子电池的研发中。直到2010年，钠离子电池才迎来了属于它的研发热潮。借助锂电池技术和材料的研究基础以及储能需求日益增长，低成本储能电池技术的需求愈发紧迫，近十几年来钠离子电池的相关研究迎来的井喷式的增长。

钠离子电池是“摇椅式电池”的一种，与锂离子电池工作原理类似，其工作原理：在充电过程中，钠离子从正极脱出并嵌入负极，嵌入负极的钠离子越多，充电容量越高；放电时过程相反，回到正极的钠离子越多，放电容量越高。

钠离子电池工作原理

钠离子电池主要分为四种，其中钠硫电池和钠-氯化钠电池为高温钠离子电池，水系钠离子电池和溶剂系钠离子电池为常温钠离子电池。目前已开始小批量应用的主要是常温钠离子电池，尤其是以溶剂系钠离子电池为主。

目前国内外已有超过二十家企业正在进行钠离子产业化的相关布局，不同企业采用的电化学体系各有不同。其中正极材料体系需要具有良好的电化学性、安全性、化学稳定性和热稳定性，从而具备较高的理论比容量和电池循环寿命，主要包括层状氧化物（如铜铁锰和镍铁锰三元材料）、聚阴离子型化合物（如氟磷酸钒钠）、普鲁士蓝类和液态钠等；负极材料体系一般具有嵌入钠离子的能力高、体积变形小、扩散通道好、化学稳定性好等特点，主要材料包括碳基材料、钛基负极材料和硫磺等。

3、哪些企业在布局钠离子电池

宁德时代公司的主营业务为新能源汽车动力电池系统、储能系统的研发、生产和销售。2021 年 7 月 29 日，宁德时代举办发布会，公布了研发的第一代钠离子电池。该电池具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。在发布会上，公司表示，在制造工艺方面，钠离子电池与锂离子电池生产设备、工艺的兼容较好，产线可进行快速切换，快速布局产能。目前，宁德时代已启动钠离子电池产业化布局，2023 年将形成基本产业链。

国轩高科位于安徽合肥，主营业务为新能源汽车用动力锂离子电池(组)自主研发、生产和销售。针对钠离子电池技术，公司正积极和海内外院校及机构合作进行相关技术的开发和应用，也在进行钠电池样品的开发和生产。

派能科技位于上海，公司的主营业务为磷酸铁锂电芯、模组及储能电池系统的研发、生产和销售。公司第一代钠离子电池产品已于 2022 年上半年初步达成了能量密度和循环寿命的关键技术目标，现已顺利进入中试验证阶段。公司开发出的第一代钠离子电池正极材料基于层状氧化物，与现有技术相比具有更优异的低温和安全性能。同时，公司正在进行正极材料开发，预计总投资 1500 万元，实现比磷酸铁锂更高的压实、更低的成本和更高的安全性。

欣旺达位于广东深圳，公司主要从事锂离子电池模组研发制造业务，主要产品为锂离子电池模组，目前正在开发一种新型钠离子电池，正在对钠离子电池的正极材料、负极材料、寿命技术和电池制造工艺四个方面进行技术验证，公司预期该项目将使得公司获得长寿命、高能量密度、高循环性能、低成本的钠离子电池，并使之大规模生产应用。

中国长城集团位于深圳，公司核心业务覆盖自主发展关键基础设施及解决方案、军工电子、重要行业信息化等领域。公司旗下子公司武汉中原长江科技发展有限公司于 2016 年开始进行钠离子电池产业布局，拥有包括钠离子电池材料预处理技术、柔性电极制备技术、功能添加剂技术、电解液体系开发技术等技术。

鹏辉能源位于广州，为中国较大的电池生产厂家之一，主营业务为绿色高性能电池的研发、生产及销售。主要生产聚合物锂离子、锂离子、镍氢等二次充电电池，锂铁、锂锰、锂亚硫酰氯、锌空等一次电池。公司为了布局钠离子电池硬碳负极材料，曾于 2021 年 10 月投资成都佰思格公司。公司目前有三个团队在做钠离子电池的研发工作，包括层状氧化物、聚阴离子体系等正极路线，公司钠电池产品性能优异。理论上钠离子电池产品成本比锂离子电池低，有望明年实现上游材料和钠电池大批量生产。

中科海钠是一家专注于新一代储能体系-钠离子电池研发与生产的高新技术型企业。公司现拥有以中国科学院物理研究所陈立泉院士，胡勇胜研究员为技术带头人的研究开发团队。企业拥有多项钠离子电池核心专利。

钠创新能源位于浙江绍兴，公司主要业务聚焦于钠离子电池技术创新与工程化，目标是研发、生产与销售新一代动力与储能电池系统。公司目前的主要核心产品包括钠离子电池前驱体及正极材料中的铁基三元材料前驱体、铁酸钠基三元正极材料和磷酸钒钠，三元钠电池、普鲁士蓝系钠电池和磷酸钒钠系钠电池用的电解液，以及钠离子电池。公司在浙江绍兴规划了“年产 4 万吨钠离子电池正极材料项目”，目前工程一期已经顺利建成投产，全部工程公司预计在 2023 年建成投产。

多氟多是国内首家商业化量产六氟磷酸钠的企业，具备年产 1000 吨六氟磷酸钠的生产能力，拥有从六氟磷酸锂产线快速切换六氟磷酸钠产线的工艺技术，目前公司六氟磷酸钠正常供应国内包括中科海钠在内的多家企业。六氟磷酸钠的技术壁垒主要在原材料的生产技术储备上，公司已经具备其上游必需原材料高纯氟化钠成熟的生产技术。公司依托自产关键电解质六氟磷酸钠及核心技术储备，对比业内同期水平有成本优势。公司钠离子电池的正极材料中试线已经建成，小批量产品陆续下线，小试的钠离子电池测试指标良好；2023年钠离子电池一期将形成约1GWH的产能，完成5000 吨/年正极以及 2000 吨/年负极产线的投产。

振华新材公司钠电正极材料目前是第二代产品，目前已吨级送样，客户反馈比较好，公司预计批量供货后钠离子电池正极材料的盈利能力不会弱于三元材料，最先使用场景是两轮车和中低续航里程的电动车。公司研发的钠离子电池正极材料具有高压实密度、高容量、低 pH 值和低游离钠的优势。其中，高压实密度、高容量有助于提升电池的能量密度；低 pH 值、低游离钠能够有效提高电稳定性。钠电正极材料的循环次数还有提升空间，但能满足目前最先面世的应用场景。

蔚蓝锂芯公司的优势是电池制程应用技术，构成了竞争力很强的成本控制能力。目前已经在做大电池的深度评测，量产大致要到 2023 年下半年。目前在第一工厂有大概 1GWh 跟铁锂电池共线的钠电池产能。淮安工厂二期有约 9GWh 公司预计 2024 年初投产，也是钠电池和锂电池共线的产能。2025 年的下半年，马来西亚工厂 10GWh 产能将逐步开始投放出来。公司与中科海钠以约定的产品开发为载体，全方位的合作进行圆柱钠离子电池联合开发、量产、应用推广和迭代开发。

传艺科技目前采用正负极一体化降本，公司布局主要包括正极、负极、电解液、电芯，由于早期相关环节的配套满足不了生产经营的需要所以自建。项目建设分为一阶段（0.1GWh 中试线）、I 期（2GWh 钠离子电池）及 II 期（8GWh 钠离子电池）三个阶段，一阶段项目建设计划投资 5000 万元人民币，2023 年初 I 期项目计划投资 10 亿元人民币，II 期项目计划投资 40 亿元人民币。

维科技术是以新能源锂电池为主业、以 3C 数码电池和动力电池为核心业务的 A 股上市公司，于 2022 年增资南昌维科电池有限公司，拟以钠电池为产品方向生产小型动力电池，并与浙江钠创签订《战略框架协议》及《增资协议》，对浙江钠创投资约 3000 万元，持股比例 1.2348%。

国外也有多家企业布局钠离子电池，这些公司包括英国 FARADION 公司、美国 Natron Energy 公司、法国 NAIADES 组织和日本丰田等。

二、钠离子电池技术路线

钠离子电池和锂离子电池的理论基础电池结构都非常接近，液态钠离子电池（和固态锂离子电池一样固态钠离子电池也已经在被研究中）也是由正极负极集流体电解液隔膜构成。

其中电解液和隔膜基本沿用锂离子电池体系；集流器正负极均可以用铝箔而锂离子电池负极需要用铜箔，（因为钠离子在负极不会和铝离子发生化学反应）这也减少了钠离子电池集流器的成本。

由于钠离子和锂离子的特性差异钠离子的正负极材料需要选用适用于钠离子迁移的材料，这也是钠离子电池技术的核心，目前的钠离子电池正极材料主要有三类：层状过渡金属钠离子氧化物、普鲁士蓝、聚阴离子类钠离子化合物；负极材料主要分为四类：碳负极材料转化型负极材料钛酸酯类负极材料以及合金类负极材料。

1.正极材料

（1）层状金属氧化物

层状金属氧化物因为其制造方法简单具有较高的比容量特点，因此受到研究者的青睐，和锂电池类似层状氧化物正极材料也是钠离子电池中极具商业应用前景的正极材料。

目前英国的钠离子电池生产商Faradion和中国的钠离子电池生产商中科海钠（HiNA）采用了层状金属氧化物作为正极，并且Faradion和中科海钠均有商业化产品其中Faradion和澳大利亚的 ICM Australia 签了供应钠离子储能电池的订单；和印度IPLTech公司签订了供应商用车钠离子电池的订单，中科海钠和华阳股份生产出了世界首个1MWH的钠离子电池储能系统并与华阳股份合资成立了钠离子电池正负极生产线（今年年底投产），进军储能和其他应用场景（比如两轮电动车A级电动车）领域。

（2）普鲁士蓝

普鲁士蓝其框架结构可以使钠离子快速的嵌入和脱出，具有很好的结构稳定性和倍率性能，虽然普鲁士蓝类材料展现出较大的应用前景，但是目前其商业化应用仍然存在一些问题，最主要是结晶水和空位的存在会对材料性能产生影响结晶水会阻碍钠离子的扩散，而且由于水会分解使得电池的电化学性能进一步降低同时造成其倍率性能下降，空位则会导致材料的电子传导性变差，而且由于空位的存在材料的晶体框架在循环过程中容易坍塌，因此规模化生产目前还面临较大难度。

目前瑞典的钠离子电池公司 Altris AB美国的钠离子电池公司Natron Energy以及国内的宁德时代使用了普鲁士蓝作为正极，这三家公司尚未见到有商业化产品问世，宁德时代近日的发布会宣称他们正在积极推动钠离子电池进入产业化的快速通道，并将在2023年形成产业链。

（3）聚阴离子

聚阴离子型材料具有开放的框架使其具有开阔的钠离子扩散通道和较高的工作电压，同时较强的共价键使得材料的热稳定性较好以及在高电压时的抗氧化性，目前研究比较多的聚阴离子型材料主要有磷酸盐氟磷酸盐和硫酸盐。

目前法国的Tiamat采取了这个技术路线他们使用氟化钒基聚阴离子作为正极，提供了优异的电池输出功率能力但牺牲了能量密度（100-120WH/KG）和原材料的易获取性，今年五月Tiamat Energy宣布将提高其电池生产规模并与Plastic Omnium集团在针对混合动力汽车上钠离子电池应用进行大规模测试。

需要说明的是钠离子电池有较完善的专利保护，因此各个钠离子电池生产商选择的技术路线和避开已有其他厂商的专利有一定的关系。

2. 负极材料

锂离子电池常用的负极材料为石墨，其理论容量高达372mAh/g锂离子可以在石墨层中嵌入与脱出，但是科研人员通过实验和密度泛函理论计算证明在传统的碳酸酯类电解液中钠离子较大的离子半径和石墨较小的晶格间距使得钠离子很难形成像锂离子和石墨那样类似的钠与石墨相互作用的物质，真实实验也发现使用石墨做为钠离子电池的负极表现的容量较低。

目前用在钠离子电池上负极材料主要为无定型的碳材料（硬碳）。该类材料具有纳米尺寸的孔洞和较大的层间距用于钠离子的存储和可逆的嵌入与脱出，因此该类材料相对于石墨而言在用于钠离子电池负极时具有较高的容量其可逆容量已经可做到300 mAh/ｇ左右。

合金类负极材料是一个新的发展方向目前的研究主要通过纳米化方式对合金类材料结构进行调控等工作以提高合金材料稳定性并提高循环次数。

3. 集流体

由于钠离子不会和负极的铝离子发生化学反应因此钠离子电池的负极集流体可以用铝箔替代铜箔这样有三个优势：1成本低；2集流器更轻帮助降低电池重量；3在运输环节中可以实现0V运输相比之下有效地降低了运输风险，因为锂电池处于低电压时铜箔易氧化会导致电池性能衰减及电池失效，所以锂电池在运输前一般需要把电量冲到80%以上会有一定的运输风险。

4. 电解液隔膜电池组

钠离子电池的电解液隔膜均可以沿用锂离子电池的体系，但其电解液还有针对钠离子电池的改进空间电池组装方法基本上和锂离子电池一致，因此现有的锂离子电池组装生产线可以直接用来组装生产钠离子电池和锂离子电池通用部分产业链组装方法基本一致，这两个因素也是钠离子电池能够在较短时间内大规模生产和商业化的一个重要有利因素。

三、钠离子电池优劣势

1.可预期成本优势明显

锂资源的全球储量有限，锂元素在地壳中的含量仅为0.0065%。随着储能和新能源汽车的发展，对电池的需求大幅上升，加之近些年锂电池原材料价格暴涨，资源端的瓶颈逐渐显现，成本较高限制了锂离子电池的大规模应用。而钠资源储量非常丰富，地壳丰度为2.64%，是锂资源的440倍。且钠资源分布广泛、提炼简单，价格低廉。与锂离子电池三元正极材料相比，采用铁锰镍基正极材料，原材料成本降低一半；根据研究数据显示，钠离子电池比锂离子电池的材料成本降幅高达30～40%，其中成本优势主要体现在正极材料和集流体。

2.耐候性具有明显优势

钠离子电池的工作温度范围-40℃～80℃，目前商业化产品可以做到-20℃时容量保持率88%的水平，相较于铅酸电池和磷酸铁锂电池60%～70%的容量保持率具有明显优势，在气候寒冷地区展现出良好的应用场景。

3.倍率性能好

钠离子的溶剂化能显著低于锂离子，从而在电解液中具有更快的动力学，离子界面扩散能力更强；同时钠离子的斯托克斯半径更小，相同浓度的电解液中离子电导率更高；高电导率及优秀的离子界面扩散能力赋予钠离子电池出色的倍率性能，具备较好的快充潜力，在储能调频等高功率场景具有较大的应用场景。

4.电芯安全性能优异

钠电池热失控温度高于锂离子电池，电芯层面的安全性有所提升，其原因在于钠离子电池内阻稍高于锂离子电池，在安全性实验中产生的瞬发热量少、电芯温升有限且目前商业化应用的钠电正极材料的热稳定性高于三元锂材料，在过充、过放、短路、针刺等电芯安全测试中均未发生起火爆炸现象。实际运行安全性有待观察，对于普鲁士蓝正极材料在热失控情况下释放氢氰酸、氰气等有毒气体的问题尚需技术攻关。

尽管拥有诸多优点，但钠离子电池也有较为突出的缺点亟待解决：

5.能量密度有提升空间

相较于锂离子电池，钠离子电池能量密度稍低，原因有三点：1）钠离子拥有更大的离子半径，影响反应过程中相的稳定性、离子输运及扩散较慢；2）钠离子的质荷比较大，降低材料的理论质量比容量；3）钠具有较高的标准电极电势。

钠离子电池能量密度高于铅酸电池，低于锂离子电池。目前商业化钠离子电池的能量密度在90～160Wh/kg,远高于铅酸电池的50～70Wh/kg，循环寿命相较于铅酸电池具有明显的优势，且环保性更佳，未来可能对铅酸电池进行全面的替代。与锂离子电池相比，钠电的能量密度已接近于磷酸铁锂电池120～180Wh/kg的水平，但与三元电池相比有较大能量密度差距。