2022年钠离子电池行业产业现状及未来发展分析

1、2022年钠离子电池行业产业现状及未来开展分析.技术简介：钠离子电池的前世今生基本概念与历史背景：锂电的“李生兄弟”近年来，开展清洁能源成为世界多数国家的共识，我国 更提出了“碳达峰、碳中和”的宏伟目标，太阳能、风能、潮 汐能等清洁能源发电技术得到了快速开展，但这些自然能源 具有间歇性、随机性的特点，以及较强的地理依赖性。为解 决新能源发电在时间和空间上的局限，提高新能源的利用率, 储能技术的重要性日益凸显。按照对电能的转化和储存方式， 储能技术分为物理储能、化学储能与电化学储能。其中，电 化学储能包括二次电池技术和超级电容器等，具有能量转换 效率高、响应速度快的特点。尤其是二次电池技术，还具

2、有 能量密度高，易模块化的优势。二次电池，也称可充电电池或蓄电池，是一种利用可逆 化学反响，能够反复屡次充放电，使电能与化学能互相转换, 以实现能量储存的装置。二次电池储存能量的能力，用能量 密度（也称比能量）来表达，即单位质量或体积的电池能够 输出的总能量，它是比容量与平均放电电压的乘积。比容量 子电导率很低，这极大限制了其倍率性能，必须通过添加导电 剂或者纳米化进行改性。此外，该材料的比容量普遍较低。 目前，最典型的聚阴离子材料主要是磷酸盐，以橄榄石型的 NaFeP04 和 NASICON 型 的 Na3V2(PO4)3 为代表。NaFeP04 的结构与磷酸铁锂相同，但合成必须依赖复杂的离

3、子交换法, 本钱较高。Na3V2(PO4)3具有极好的倍率性能和循环寿命， 但比容量较橄榄石型材料低。此外，还有焦磷酸盐、硫酸盐、 钳酸盐等新型聚阴离子材料也在研究中，这些体系在工作电压、 倍率性能上有所提升，但仍然存在实际比容量低、循环可逆 性差等诸多缺陷。氟化物类：材料较廉价，实用化困难过渡金属氟化物具有类似氧化物的高还原电位，通过过 渡金属离子的化合价变换来实现钠离子的嵌脱，因此也是潜 在的正极材料。这类材料的最大问题是电阻率太高，严重影 响其倍率性能，而且实际比容量普遍很低。迄今为止，具有 较大比容量的氟化物材料是铁基氟化物，典型代表是NaFeF3 (实际128mAh/g,理论197m

4、Ah/g)。此外，某些水合氟化 铁材料具有很高的比容量，例如Fe2F5H2O (初始251 mAh/g),但是循环性能还较差。有机化合物类：不依赖矿产资源，尚处于研究阶段某些具有丰富共轲体系和孤对电子的有机化合物可以发 生可逆的氧化还原反响，因此也可以用来开发正极材料。此 类材料的优点是：无需依赖过渡金属元素资源，结构和性能 容易设计调控，因此具有一定的潜力。但现阶段还存在显著 缺陷：电导率普遍较低，且容易发生溶解。目前，主要有共 轲体系导电聚合物（例如改性的聚苯胺、聚叱咯等）、共轲跋 基化合物（例如芳煌衍生物的酚钠、竣酸钠）等。（2）负极材料：碳基材料最成熟，有望率先产业化负极材料在充电时发

5、生还原反响，放电时发生氧化反响, 一般具有较低的还原电势。理想的正极材料应满足还原电势 低（但必须高于金属钠的沉积电势）、可逆容量大、循环性 能稳定、电子和离子电导率高、结构稳定且不怕空气、平安 性高、价格低廉。对于钠离子电池而言，负极材料起着负载 和释放钠离子的重要作用，其直接影响电池整体的动力学性 能，例如倍率性能、功率密度等。目前，钠离子电池的负极材 料主要分为五种类型：碳基材料、钛基材料、合金材料、有 机化合物类、其他体系，其中碳基材料的技术成熟度最高， 资源丰富，有望率先实现产业化。图9:钠离子电池负极材料X/TiegX/Tiegnc(z(BNBN s)出tfNiCoA(CjNbsn

6、ONaJiiO,O钛基材料O有机类材料O ：碳基树4O合金类材料金属氧化物及硫化物100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1600 2000比容量（mAh/g）碳基材料：软碳硬碳各有千秋，石墨负极尚在研究根据碳原子的微观结构，碳基负极材料分为石墨类材料、 无定形碳材料、纳米碳材料。与其他碱金属离子不同，钠离 子在碳酸酯类溶剂中难以对石墨层间进行有效嵌脱，这主要 是钠离子-石墨嵌入反响的AG0所致。因此，在锂离子电池 中广泛应用的石墨负极，在碳酸酯作溶剂的钠离子电池中难 以使用。其实在醒类溶剂中，石墨也能有效嵌脱钠离子，但是 电解液的稳定性削弱，易与正极

7、发生反响，有待进一步研究。 无定形碳材料具有较高的储钠比容量，也是目前最接近产业 化的负极材料。按照热处理石墨化难易程度，分为软碳和硬 碳。软碳在2800以上能完全石墨化，硬碳在高温下也难以 石墨化。软、硬碳差异在于微观结构中碳层的交联相互作用, 根本取决于所用碳化前驱体的结构和形状。一般来说，热塑 性前驱体（石化原料及副产品）容易形成软碳，热固性前驱体 （生物质、树脂聚合物等）容易形成硬碳。相对而言，软碳 的制造本钱较低，工艺易于控制，但比容量不及硬碳；硬碳 的比容量较高，但首周效率往往较低，且其性能依赖于所用 前驱体和和处理工艺，产碳率较低。值得一提的是，目前人 们对硬碳材料的储钠机理仍未

8、彻底弄清，还有较大的提升空 间。纳米碳材料主要有石墨烯、碳纳米管，钠离子主要以吸附 的方式储存在其外表和缺陷处，这类材料的理论比容量较大, 但首周库仑效率低，反响电势高，而且价格昂贵。钛基材料：潜在优势独特，短期难以商用四价钛的还原电势普遍较低，其化合物空气稳定，且不 同晶体结构的钛化合物储钠电势不同，因此被用来开发负极 材料。目前，钛基材料主要是一些钛的氧化物和聚阴离子化 合物。氧化物包括层状的Na2Ti3O7、Na0.6Cr0.6Ti0.402以 及尖晶石型的Li4Ti5O12 （也被用于锂离子电池负极）等，聚 阴离子化合物包括正交型的NaTiOPO4、NASICON型的 NaTi2（PO

9、4）30这些材料的比容量普遍不高，但具有很多独特 的优势，例如Li4Ti5O12是一种无应变材料， Na0.6Cr0.6Ti0.402可以同时充当正负极 材料，NaTi2（PO4）3 可以用于水系钠离子电池。H：Na2Ti3O7负极材料晶体结构及首周充放电曲线合金材料：理论比容量巨大，技术难题待克服金属钠能与Sn、Sb、In等多种金属形成合金，可作为钠 离子电池的负极，与锂离子电池的硅基负极类似。这类材料 的优势是理论比容量很高，且反响电势很低，因此有望制造 高能量密度、高电压的钠离子电池。但是这类材料的反响动 力学性能较差，而且钠脱嵌前后的体积变化可达数倍，伴随 巨大的应力，使活性材料容易从

10、集流体外表脱落，比容量快速 衰减。有机化合物类：合成条件温和，尚处研究阶段有机负极材料的优缺点与有机正极材料类似，目前种类 主要包括：跋基化合物、Schiff碱化合物、有机自由基化合物 和有机硫化物等，尚处于实验室研究阶段。其他体系：多为过渡金属的V、VI族化合物，尚处研究阶段某些过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化 物也具有可逆储钠的电化学活性，这类材料往往同时伴随转 换反响和合金化反响，因此其理论比容量可超过相应的合金 类负极材料，但也更多的技术难题。(3)电解质材料：液态电解质为主，形式与锂电相同电解质是正负极之间物质传输的桥梁，用来传输离子以 形成闭合回路，是维持电化学反响的重

11、要保障，不仅直接影 响电池的倍率、循环寿命、自放电等性能，还是决定电池稳 定性和平安性的核心因素之一。按照物理形态，钠离子电池 的电解质可分为液态电解质和固态电解质。液态电解质：与锂电类似，锂盐变钠盐液态电解质常被称为电解液，一般由溶剂、溶质和添加 剂组成。由于水的电化学窗口上限不超过2V,因此溶剂是一 些极性的非质子有机溶剂，既能大量溶解钠盐，又不能释放 质子氢，还要有一定的抗氧化-还原能力，最好还具有较低的 粘度。因此，一般将高介电常数、高粘度的碳酸酯类和低介 电常数、低粘度的醵类混合使用，故电解液高度易燃。溶质主 要为具有大半径阴离子的钠盐，分为无机钠盐和有机钠盐， 前者有六氟磷酸钠、高

12、氯酸钠等，后者主要包括氟磺酸类钠 盐、氟磺酰亚胺类钠盐等。一般来说，有机钠盐的稳定性更 高，而无机钠盐的价格更廉价。目前有望实现产业化应用的主要是六氟磷酸钠，其具有相对最正确的电导率，但是对水高 度敏感。添加剂在电解液中的含量在5%以下，主要是一些钠 盐、酯类、月青类、醛类等化合物，起到辅助SEI膜、CEI膜形 成，过充保护，以及阻燃等作用。3 13：液态电解质组分及要求固态电解质：面向固态钠电，尚处研究阶段固态电解质材料主要包括三种类型：无机固态电解质、 聚合物固态电解质、复合固态电解质。由于防止了易燃易爆 的有机溶剂，电池的平安性得到了实质性提升，并且大大拓 宽了电化学窗口，使得高电势正极

13、材料和金属钠负极的使用 成为可能，继而大幅提升全电池能量密度。此外，由于正负 极之间有刚性的固态电解质阻隔，因而不再需要单独设置隔膜,再配合双极性电极工艺，电池的系统能量密度还能进一步提升。此类材料目前面临室温电导率较低、界面阻抗很大等难题，其产业化尚需时日。1.22非活性材料：隔膜、集流体、导电剂、黏结剂钠离子电池中的非活性材料主要包括隔膜、集流体、导 电剂、黏结剂等，它们并不直接参与电化学反响，但是必不 可少的辅助性材料，其与活性材料的兼容性等因素会对电池 性能产生重要影响。3 14：钠离子电池非活性材料四免宗弟皆厚(1)隔膜：与锂离子电池通用隔膜的作用是对正负极进行物理分隔，防止二者直接

14、接 触反响，同时还要确保溶剂分子的浸润和渗透，允许溶剂化 钠离子的快速通过。理想的隔膜材料应具有良好的电子绝缘 性和离子导电性，机械强度高且厚度尽量薄，很高的化学惰 性(既不与电解液反响，也不与正负极反响)，良好的热稳 定性。锂离子电池中广泛应用的是聚烯烧类聚合物隔膜，例如 PE、PP以及复合膜等，这些隔膜材料都可直接移植到钠离子 电池体系。未来在全固态钠离子电池体系中，隔膜材料将不 再需要。(2)集流体：正负极均采用铝箔集流体是正负极活性材料附着的基底构件，约占电池重 量的1013%,用以汇集电极材料产生的电流，并对外释放传 导。集流体虽不参与电极反响，但却是电极材料发挥性能的 根本保障，其

15、纯度、厚度、应力等参数间接影响电极实际工 作性能。用作集流体的材料须具备优良的导电性，与活性物 质的接触电阻小，很高的化学惰性(不与电解液及正负极反 应)，加工性能好且力学性能稳定。在锂离子电池中，正极 集流体为铝箔，负极集流体为铜箔，以防止低电势条件下铝 与锂发生合金化。在钠离子电池中，由于钠与铝不发生合金 化反响，因而正负极集流体都可使用铝箔，防止了相对昂贵 的铜箔。(3)导电剂：与锂离子电池相同电极材料在实际使用时，还需要添加导电剂，其主要有 三方面作用：减轻电极材料的自身极化，降低活性材料颗粒间以及与集流体之间的接触电阻，吸附电解液并改善电极的 浸润效果。常用的导电剂为比外表积大、导电

16、性好的碳材料, 如炭黑、石墨粉、碳纳米管、石墨烯等。（4）黏结剂：与锂离子电池相同黏结剂的功能是将电极材料、导电剂、集流体三者结合, 制成可供使用的完整极片，其用量占比很少，但对电极性能 有重要影响。用作黏结剂的材料须具有良好的稳定性，易加 工，本钱低。钠离子电池常用黏结剂与锂离子电池相似，多 为强极性聚合物，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）、海藻酸钠（SA）、聚丙烯酸（PAA）、羚甲基纤维素钠（CMC）、聚 四氟乙烯（PTFE）等等。1.3.制造工艺与路线：与锂电一脉相承131.电极材料合成：仅普鲁士蓝较为特殊钠离子电池正极材料合成方法应根据具体材料类别而定, 主要分为固相反响法和液相合成法，普

17、鲁士蓝类材料一般采 用液相合成法，具有一定特殊性。氧化物类和聚阴离子类材 料既可采用固相反响法也可采用液相合成法，合成工艺基本 与锂离子电池的对应材料相同，因此生产线可在一定程度上 兼容。目前，工业上最广泛使用固相反响法，该方法制备的 产品均匀度有一定局限性，但操作简单、工艺流程短，适合规 模化生产。液相合成法的产品均匀度高，但相对昂贵，对设理论上由参与电极反响物质的摩尔质量和得失电子数决定， 因此电荷载体的荷质比越大，那么电池的理论比容量越大。放电 电压理论上主要由正负极材料的电势差和内阻所决定，因此 正极电势越高、负极电势越低、电池内阻越小，那么放电电压 越大。其次，电荷载体必须具有较好的

18、输运能力和反响动力 学活性，这直接影响电池的倍率性能以及功率密度。最后， 电极反响的可逆性和副反响等因素决定了二次电池的循环性 能和寿命。以锂为代表的碱金属具有最低的氧化还原电极电势, 离子荷质比拟大且去溶剂化能较低，因此早在20世纪60年 代就被尝试用于二次电池的负极材料。早期锂离子电池以金 属锂或锂合金为负极，过渡金属卤化物（如AgCl、CuCh NiF2等）为正极，但此类正极材料导电性差、易溶解、充放 电体积剧变，且难以解决。60年代末，以TiS2为代表的过渡 金属-硫族化合物被发现具有层间嵌脱能力，可以作为锂离子 电池的正极材料，且具有高电导率和电化学反响活性，与金属 锂配合电压为2.

19、2 V,具有实用价值。但金属锂的高度活泼性 使得该电池事故频发，迫使人们将负极也改用嵌锂化合物（如 嵌锂石墨），这就是“摇椅式电池”的概念：用低嵌入电势化 合物作为负极，高嵌入电势化合物作为正极，防止了碱金属 枝晶问题。由于嵌锂化合物负极的电势比金属锂更高，导致备要求高，且废水较多。此外，还有溶胶凝胶法、微波合成 法、喷雾干燥法、离子交换法等技术，普遍本钱较高，暂不 适用于工业生产。图15:正极材料合成及电极制造工艺轻压真空干燥轻压真空干燥活性材料.导电剂、粘 分散好的浆科涂覆在铝 涂布后的板片压实至一 侬后极片鼻空干燥， 极片模切成工艺要求的结剂在溶剂中均匀分散 箔上并烘干制成极片 定厚度除

20、去极片水分尺寸成浆料生东来雪库电池装配成组：装配工艺和外观分类与锂离子电池 相同与锂离子电池类似，钠离子电池的生产同样要经历制浆、 涂覆、装配、注液、化成等工艺。其中，装配环节主要是将 制完的正负极片通过隔膜夹层组合在一起，建立电池内部的 钠离子通路，并隔绝正负极以防内短路。装配工艺沿用锂离 子电池技术，分为卷绕和叠片工艺，前者又分为圆柱卷绕和 方形卷绕。此外，钠离子电池产品的结构设计和封装工艺也 基本沿袭了锂离子电池，外观大致也分为圆柱、软包和方形硬 壳三大类，各有优缺点。.横向比拟：钠电vs锂电、液流、铅酸随着钠离子电池产业化推进，势必将对其他二次电池技 术产生不同程度的影响。首当其冲的是

21、锂离子电池，以及市场关注度较高的液流电池和早已广泛应用的铅酸电池。本节 我们通过对钠离子电池与以上三种电池技术的横向比照，对 其未来竞争格局作简要预测。图18:钠离子电池与锂离子电池、液流电池、铅蓄电池各有优缺点钠离子电池 - +钠离子电池 - +负极材料正极材料液流电池平安性能量效率负极电解液粼t密度）本钱优势殍命钠电vs锂电：性能媲美磷酸铁锂，综合性价比或更 高钠离子电池是对锂离子电池的补充和延拓，并非完全替 代关系。首先，从性能看，现有锂离子电池体系并不完美： 三元正极电池能量密度高，但循环寿命较差；磷酸铁锂正极 电池循环寿命高，但能量密度较低；镒酸锂正极电池工作电 压高，但能量密度和循

22、环寿命都较差。此外，锂离子电池在 低温下易发生严重的容量衰减，需要一套温度控制系统，这将 消耗电池系统至少5 %的能量，且增加了制造本钱。相比之下, 现有钠离子电池体系的能量密度已逼近磷酸铁锂；循环寿命 虽不及磷酸铁锂，但显著优于三元材料和镒酸锂。其次，从平安性看，由于钠离子电池的热失控起始温度 略高于锂离子电池，因此电芯层面的平安性有所提升，但这 两种电池都需使用高度易燃的有机电解液，都存在热失控情 形下的爆燃风险。从目前的电芯穿刺等破坏性实验看，钠离 子电池实际平安性可能与磷酸铁锂电池相近。最后，从本钱看，钠离子电池能有效降低原材料本钱。 其一，活性材料（正极、电解质）中的锂化合物整体被钠

23、化 合物替代，铁、镒等廉价金属大量替代了正极中较贵的钻、 银等金属；其二，金属钠不与金属铝形成低共熔合金，正负 极集流体均可采用廉价的铝箔，替代了原先锂离子电池中较 贵的铜制负极集流体；其三，由于钠离子的斯托克斯半径小于 锂离子，因此电解质中溶质用量可大大减少。未来，钠离子电 池有可能与磷酸铁锂电池形成较强的竞争关系，尤其是在高 寒地区的应用；锂离子电池那么继续向高能量密度、高工作电 压的方向开展，逐步向全固态电池等新技术迭代。图19:钠离子电池BOM本钱校磷酸铁锂电池降低三成以上磷酸铁锂本钱钠离子电池本钱本钱贰少30%正极材料负极材料电解液 隔膜集流体式桑勤充尧蜀庠钠电vs液流：优缺点呈高度

24、互补，或并立于储能市 场钠离子电池与液流电池具有很强的互补性，前者适用于 小型灵活储能，后者适用于大中型规模储能。液流电池是一 种液相（水相体系为主）的电化学储能装置，其特点在于活 性工作物质溶解在电解液中，通过改变活性物质的氧化价态 实现能量的存储与释放，典型代表有全机液流电池、铁铝液 流电池、锌澳液流电池等。液流电池的最大优势在于其水相体 系的本征平安性，以及超长的循环寿命，特别适用于中大型 的电化学储能设施，但缺点那么是能量密度低、工作温区窄， 因此很难小型化或应用于高寒地区。相比之下，钠离子电池 的能量密度约是液流电池的3倍以上，可耐受-40C的低温， 但本征平安性和循环寿命那么不及液

25、流电池。未来，钠离子电 池和液流电池在有望在储能领域实现优势互补。例如，户用和 移动式小型储能设备对能量密度要求较高，适合使用钠离子电 池；大中型的电化学储能电站对平安性的要求较高，适合使 用液流电池。钠电vs铅酸：逐步替代传统铅酸，倒逼后者迭代升 级钠离子电池有望逐步替代传统铅酸电池，倒逼铅炭电池 等新技术研发。铅酸电池产业化应用的时间超过一个半世纪, 其“生产-消费-回收”的产业闭环已高度完备，优点是低本钱、 易回收、平安性好，缺点是能量密度小、循环寿命短、充电 耗时较长。目前，铅酸电池仍然在不断开展升级，最具代表 性的是融合了超级电容器技术的“铅炭电池”，其循环寿命高 达3000次以上，

26、具备快充能力，并且保存了原铅酸电池的安 全性等优点，但能量密度进一步降低，且制造本钱也相应升 高。相比之下，钠离子电池的多数性能优于传统铅酸电池， 未来随着本钱进一步降低，有望实现对传统铅酸电池的逐步 替代。同时，钠离子电池的崛起可能会间接地加快传统铅酸 电池向铅炭电池升级迭代的进程，未来的铅蓄电池可能将以 铅炭电池等形式焕发新生，而非完全退出历史舞台。.钠离子电池产业现状：群雄并起，百舸争流当前，全球范围内涉足钠离子电池产业的企业有接近30家。由于技术路线的优劣尚无定论，也无统一标准，因此不 同企业的竞争本质上就是不同技术路线的竞争。虽然钠离子 电池的研究历史长达半个世纪，但其真正高速开展却

27、是最近 的十年，得益于电极材料研发所取得的重要突破。我们认为, 该产业在未来3年内仍将处于导入期向成长期过渡的阶段。产业结构：类似锂离子电池 钠离子电池产业链与锂离子电池类似，包含上游、中游、下游三个局部。上游：原材料供给和电极材料合成，主要原 材料包括纯碱、铝箔、镒矿等，以及各类辅材，涉及基础化 工和有色金属等产业。中游：电芯封装、电池系统构建与集 成等，涉及各类耗材和电子元器件。下游：终端应用市场, 主要包括储能和低速电动交通工具等。图21:钠离子电池产业链结构上游上游中游下游主材:辅材:电芯:电池组:储能：电动交通工具：正极原料（碳酸钠、鼠化 钠、我化帙、氧 化任、氧化机、氧化拥等）集流

28、体（铝箔）极片BMS家庭储能电动自行车外壳ECU工业储能电动三轮车负极原料（无烟煤、生物质原料、合成树脂等）黏结剂（PVDF、CMC、PAA 等）极耳传感器后备电源物流车电解液原料（六京碑酸钠、碳酸酯、醍类等）导电剂（炭黑、石墨 份、碳纳米管等）胶带功率器件通信基站观光车隔膜原料（聚乙坤、聚丙坤等）阻燃剂（氯代碳酸酯、衣代烷基醍等）绝缘材料保护器件数据中心电动船主要企业：全球已超二十余家，中国企业独领风骚国内外的钠离子电池相关企业都是在2010年以后成立 （或进入该领域），目前全球已有超过20家相关企业，主要 分布在中国、美国、欧洲以及日本，大都为初创型企业，以 技术研发和战略布局为主，尚未形

29、成规模。国内：中科海钠厚积薄发，宁德时代先声夺人我国的钠离子电池研究和产业化世界领先，国内钠离子 电池企业可分为两类：一类是科研院所自研技术转化创立的 初创企业，以中科海钠为代表；另一类是锂离子电池成熟企 业，切入钠离子电池赛道参与竞争，以宁德时代为代表。中科海钠成立于2017年，是国内首家专注钠离子电池开 发与制造的高新技术企业，由中国科学院物理研究所孵化， 拥有陈立泉院士、胡勇胜研究员带着的研发团队，历经10余 年探索与积累，是少数拥有钠离子电池全领域核心专利技术 的电池企业之一，已推出多个示范工程，并开建首条IGWh 规模产线。作为中科院物理所孵化的科技企业，中科海钠创 新能力强劲，掌握

30、从活性材料的基础研发到放大生产、从材 料到电芯、从单体电池到电池模块、从电池组件到应用端的 全领域技术。贲安能源成立于2017年，是一家主要从事水系钠离子电 池研发和生产的高科技跨国企业。公司在新加坡、中国及美国设有全球研发中心，开展水系钠离子电池的材料、电芯和 结构的研发；在中国、美国及澳大利亚设有区域公司，负责 电池材料的生产制造以及区域市场业务。公司专注于固定式 储能应用领域，产品具有本征平安性高、环保无毒的特点， 特别适用于人口密集的城市区域储能电站，同时适用于室内 环境布置；也适合长时间浮充运行，可广泛应用于工业备电 系统。国外：大多数为初创企业，规模小而前瞻性强国外的钠离子电池企业

31、主要分布欧美和日本等兴旺国家, 各种材料体系和技术路线均有公司采用，这些企业大都创立 时间较短且生产规模有限，但是技术前瞻性很强。英国Faradion公司主推层状氧化物正极。公司成立于 2011年，是全球第一家商品化钠离子电池企业，目前共拥有 31项钠离子电池专利，覆盖电池材料、电池基础设施、电池 平安与运输等。公司对产品的本钱和能量密度十分重视，最 终目标是以铅酸般的价格提供锂电般的性能。2021年底，公 司被印度信实新能源太阳能（RNESL）以1亿英镑 的价格收购，后者还将投资2500万英镑作为增长资本，以加 速钠离子电池的商业推广。美国Natron Energy公司主推水系钠离子电池。公

32、司成立 于2012年，是一家研发生产水系钠离子电池的企业，主推普鲁士蓝正极材料。公司高度注重钠离子电池的平安性，不使 用有机溶剂电解质，其产品平安性极高、循环寿命很长，功 率密度仅略低于锂离子电池，但能量密度仅与铅蓄电池相当, 主要面向静态储能应用（数据中心、叉车和电动汽车的快速 充电站）。目前，其钠离子电池已经初步实现商业化，在加 利福尼亚州圣克拉拉运营着一条试点生产线。下一步目标是 扩大生产，形成钠离子电池产业链。.钠离子电池未来开展：充分发挥钠电资源禀赋和比拟优 势当前问题：材料欠佳、本钱偏高、标准未定材料研究有待深入：硬碳机理，性能提升，平安评 估目前学术界对于硬碳的储钠机理尚存诸多争

33、议，并未完 全说明。为改善现有硬碳负极首周效率较低等缺陷，必须深 入理解其储钠的动力学机制，为技术研发提供最根本的理论 指导。现有钠离子电池的材料性能尚有较大的改良空间。总 体而言，现阶段的钠离子电池的能量密度与理论值存在较大 差距，而且其循环性能也需要进一步提升。一方面，需要对 活性材料进行不断改进。另一方面，也需要考虑其整体系统 的设计和集成管理。对钠离子电池的实际运行平安性需要审 慎评估。当前，对钠离子电池的平安测试实验是在电芯层面,结果显示虽平安性较高，但实际运行后的平安性那么亟待观察， 不宜盲目乐观。尤其是普鲁士蓝正极，其在热失控情况下会 释放出氢氟酸、氧气等剧毒气体。本钱优势有待实

34、现：技术研发和规模效应缺一不可 钠离子电池本钱的降低依赖于持续技术迭代对可变本钱 的削减，以及规模化量产对固定本钱的摊薄。理论上，钠离 子电池确实具有很大的材料本钱优势，但目前产品的实际总 本钱在1元/Wh以上，还高于磷酸铁锂，这主要是由于现阶 段的技术成熟度不够而且尚未出现规模效应。一方面，电极 材料的种类、制造工艺等都未标准化，而前驱体也缺乏稳定可 靠的供应链，这导致电极材料的良率、一致性偏低，实际成 本较高，这只能通过持续的技术探索改进。另一方面，生产 设备的价格较高且折旧损耗较大，约占制造本钱的2030%, 这只能通过规模化量产进行摊薄。技术标准有待制定：规范市场秩序，促进健康开展钠离

35、子电池行业需要建立科学的统一标准，以规范企业 的生产活动，促进产业健康有序开展。现阶段，从事钠离子 电池研发生产的厂商的技术路线各不相同，孰优孰劣存在较 大争议。目前，厂商主要是参照锂离子电池，结合钠离子电 池特性和产业开展情况，制定适合各自企业的标准或产品规 范，并以此指导产品设计及制造工艺、确保产品的良率和一致电池整体的电压和能量密度降低，又迫使人们寻找新的正极材 料，并陆续发现了钻酸锂、镒酸锂和磷酸铁锂等正极材料。钠离子电池的本钱和倍率性能相对锂离子电池具有优势。 钠与锂处周期表同族，价电子数相同，化学性质更活泼，由 于钠的原子质量和半径远大于锂，故而钠离子电池的能量密 度显然难以与锂离

36、子电池媲美，但钠元素的自然界丰度是锂 的一千多倍，而且钠离子的去溶剂化能远低于锂离子。钠离 子电池几乎与锂离子电池同时问世于70年代，但二者的研究 历程略有不同。当时率先出现的钠二次电池是钠硫电池，以单 质硫和金属钠为正负极，隹氧化铝快离子导体为固态电解质, 工作温度在300-350o这种高温钠硫电池的能量密度较高（150240Wh/kg）,循环 寿命达2500次，而与之相似的锂 硫电池那么循环寿命仅不到10次。为了提高钠二次电池的平安 性，人们对室温钠离子电池进行了研发，采用了与锂离子电 池类似的思路，正极材料经历了层状过渡金属硫化物（TiS2） 到层状氧化物（NaxCoO2）和磷酸盐（Na

37、3M2（PO4）3,M为过 渡金属）的历程。但到了 80年代末期，钠离子电池的研究遇 冷，相关研究几乎停滞。究其原因有三点：第一，难以找到 合适的负极材料（能在酯类溶剂中高效储锂的石墨却难以储 钠）；第二，研究条件有限（系统水氧含量较高，难以用金性，这导致了不同企业之间的产品性能和技术水平参差不齐。 行业技术标准的统一制定，能起到较好的行业引领作用，是 实现规模效应的必要保障。尤其是平安标准，更是约束产品 质量的重要依据，也是规范市场秩序和促进产业健康可持续 开展的重要手段。技术展望：增强平安性，提高比能量水系钠离子电池：本征平安的钠离子电池以水溶液电解质替换有机电解质，能从根本上提高钠离 子

38、电池的平安性。当前的钠离子电池延续了锂离子电池的有 机电解液体系，因此无法从根本上规避爆燃风险，假设将其替 换为水溶液，不仅能大大提高平安性，还能简化生产工艺， 同时降低生产过程中的环境污染。目前人们已经报道了大量 的水系钠离子电池体系方案，其中普鲁士蓝体系的循环性能最 佳，已经开始产业化尝试，代表性企业有Natron Energy、贲 安能源等。长期来看，水系钠离子电池是一个非常有前景的 方向，尤其适用于储能领域。22:水系钠离子电池Natrons Cell固态钠离子电池：高能量密度钠离子电池以固态电解质材料替换液态有机电解质，能够制造出固 态钠离子电池。由于防止了易燃易爆的有机溶剂，电池的

39、安 全性得到了实质性提升，并且大大拓宽了电化学窗口，使得 高电势正极材料和金属钠负极的使用成为可能，继而大幅提 升全电池能量密度。此外，由于正负极之间有刚性的固态电 解质阻隔，因而不再需要单独设置隔膜，再配合双极性电极工 艺，电池的系统能量密度还能进一步提升。此类材料目前面临 室温电导率较低、界面阻抗很大等难题，其产业化尚需时日。多客体共嵌负极：石墨作为普适性负极石墨负极在“多客体共嵌反响”中同样可以实现络合钠离 子的有效嵌脱。由于钠离子-石墨嵌入反响的AG0,因此钠 离子在碳酸酯类溶剂中难以对石墨层间进行有效嵌脱，故而 难以使用石墨负极。事实上，在醵类溶剂中，钠离子与醵氧原子形成配位键，能以

40、配位离子的形式共同嵌入石墨层间。 这种“多客体共嵌反响”具有重要的启发意义。一方面，这意味 着石墨负极也可能作为钠离子电池负极，从而与锂离子电池共 用材料产线，有利于规模化降本钱。另一方面，这为设计新 一代多电荷离子电池提供了可能性。但是，醛类电解液的稳 定性偏弱，易与正极发生反响，有待进一步深入研究。多客体共嵌入反响甚至未来管库甚至未来管库属钠作为基准电极开展材料评估实验）；第三，锂离子电池 独占鳌头（大量的研究者把方向锚定在锂离子电池上）。3 2:锂离子电池与钠离子电池几乎同时问世键离子电池开展历程键离子电池开展历程发现石SS可用于UB负吸设计了摇椅式原理的UB硅基负极创造LIB吨量密度进

41、一步攫升Sony首次商业化LIBLMO. LFP.三元正极陆续发现UB大规横应用整资源供给成为担忧1990s锂离子电油（LIB）初步研发 发现UMeO?正极设计了高温的电池未发现适用于SIB的负极钠扃子电池（SIB）初步研发 发现NaMeO?正极S旧研发投入大幅降低 开展出高温ZEBRA电池钠离子电池2000s2010sSIB研究II新振兴尝试小规横应用发现硬碳（负极）储钠设计出幅椅式ad的球元兴皆庠直到21世纪，钠离子电池迎来了转机。2000年，人们发 现由葡萄糖热解得到的硬碳材料具有高达300mA-h/g的储钠 比容量，为钠离子电池提供了一种至关重要的负极材料。2007年，聚阴离子正极材料

42、Na2FePO4F被发现，该材料的嵌 脱体积形变率仅3.7%,几乎没有应变。在2000年至2010年 间，钠离子电池的研究速度较为平缓，主要集中在少数几个 实验团队。2010年后，钠离子电池研究进入了春天，新的材 料体系不断涌现，并逐步尝试产业化。12工作原理与材料：与锂电大同小异钠离子电池的工作原理与锂离子电池完全相同，即在一 定的电势条件下，客体碱金属离子在宿主材料中的可逆脱出和嵌入，其中嵌入电势较高的作为正极，嵌入电势较低的作 为负极，整个电池的充放电循环过程就是碱金属离子在正负 极之间的往返定向迁移过程，这种工作机制的电池就是M. Armand所提出的“摇椅式电池”。钠离子电池的组成结构与锂 离子也完全相同，主要都包括正极、负极、电解质、隔膜和 集流体等。按照材料主体是否直接参与电化学反响过程，可 将它们分为活性材料与非活性材料。4:钠离子电池工作原理与锂电池类似铝箔 负极 MR 电解质 正极弘霜演三弟皆厚121.活性材料：正极、负极、电解质钠离子电池的活性材料包括正极材料、负极材料和电解 质材料，它们直接参与电化学反响，因此决定了电池的本征 特性。由于钠离子的半径和电子结构与锂离子相差较大，导 致两者在反响的热力学和动力学行为上迥然不同，因此钠离 子电池活性材料的研发并不能完全仿照锂离子电池。(1)正极材料：氧化