鈉離子電池發展歷程

 

　　鈉離子電池具備成鋰離子電池互補方案的天然優勢

 

　　鈉元素儲量豐富分布均勻，是鋰離子電池可期互補方案 。鋰離子電池較早開始商業化進程，主要是由于鋰相對原子質量小、標準電極電位低、比容量高。而鈉元素儲量豐富、分 布更均勻，且能兼容已有的鋰電產線，從資源供應保障、成本角度考慮，鈉離子電池是鋰離子電池的優選互補方案。

 

　　鈉離子電池研究發源已久，即將進入爆發期

 

　　萌芽期：1967年從高溫鈉硫電池出發。 停滯期：在1979年法國Armand提出“搖 椅電池”概念后，由于鋰離子電池體系中 應用較為廣泛的石墨負極儲鈉能力欠缺， 對鈉離子電池的研究幾乎停滯。 重啟期：直至2000年加拿大Dahn等發現 硬碳負極具備優異的可逆儲鈉能力，學界 才繼續推進。 復興期：到2010年，隨鋰離子電池研究和 產業鏈建設趨于成熟，以及對鋰資源的擔 憂，鈉離子電池的研究和產業化進程，進 入復興時期，海內外出現產業化公司和零 星商業化應用。 爆發期：直至2021年7月，寧德時代發布 第一代鈉離子電池，宣布計劃2023年形成 基本產業鏈，疊加鋰價在2021年底-2022 年年初快速上漲，引發全產業鏈對互補、 替代方案——鈉離子電池的高度重視，涌 現數十家推動鈉離子電池及原材料量產的 企業。當前碳酸鋰價格突破60萬元/噸， 更近一步加速鈉離子電池產業化進程。

 

電池及材料技術路線對比
 

　　電池：工藝與鋰離子電池類似

 

　　鈉離子電池與鋰離子電池生產工藝基本類似，傳 統鋰離子電池產線可調試轉產。鈉離子電池生產工序主要包括極片制作（制漿-涂 布-輥壓-模切）和電芯的組裝（卷繞/疊片、入殼 、封裝、化成、分容），整體生產工藝與鋰離子 電池類似，僅在負極集流體上換用鋁箔、以及配 方調整。目前鋰離子電池產線基本在調試之后可 切換成鈉離子電池產線，不需要額外設備投資。 與鋰離子電池類似，鈉離子電池也可制成軟包、 圓柱、方殼形態。

 

　　正極：三條路線各有千秋，層狀氧化物有望率先應用

 

　　層狀氧化物（基本已攻克，量產首選方案）：結構類似鋰離子電池三 元正極材料，比容量相對較高、綜合性能好，通過調整過渡金屬元素 選擇和比例，可以兼顧動力、儲能等多場景需求。工藝成熟（工藝流 程和設備和鋰電三元材料相似），配套企業基本為成熟三元正極材料 廠商，能夠提供一致性好、性能穩定的樣品、量產原料，是近期產業 化首選方案。

 

　　普魯士藍白（攻克中）：過渡金屬可僅使用成本較低的Fe或Mn，理 論能量密度較高，合成溫度低（能耗成本低），是初期熱門路線，但 由于量產時結晶水控制較難（影響循環和安全性），當前穩定性較差， 待未來工藝控制成熟后有望成為高能量密度+低成本優選方案。

 

　　聚陰離子（儲備方案）： 圖表：鈉離子電池正極技術路線性能 類似磷酸鐵鋰的橄欖石 結構，結構穩定性高， 從而具備最長的理論循 環壽命，更適合用于儲 能市場。但導電性較差， 能量密度較低。其中摻 釩路線成本較高、摻鐵 路線能量密度表現較差， 當前主要作為儲備方案。

 

　　層狀氧化物：工藝流程與三元正極類似，配方可調節性較高

 

　　常見的是八面體位置（O3，初始鈉含量更高，容量更高）和三棱柱位置（P2，層間距更大，提升傳輸速率（倍率性）和結構穩定性）兩種排列 方式。 由于鈉比鋰更容易與過渡金屬分離形成層狀結構，目前僅發現鎳鈷錳形成的鋰層狀氧化物可以可逆充放電，而鈉的選擇還包括Ti、V、Cr、Fe 、Cu等。不同配方對結構影響很大，除了通過對合成出的材料進行物理表征以確定其具體構型外，目前還沒有一種方法能夠直接預測層狀材料 的堆疊結構，進而指導設計制備。 產業化進展：主要生產步驟分為前驅體混合和正極燒結，改性措施包括包覆、摻雜等，基本可與鋰離子電池三元正極產線兼容，燒結氣氛沒有 強制要求純氧，密閉性要求較低，燒結次數一般為2次，中低鎳產線基本滿足要求，按高鎳要求設計的產線有超產比例（產能彈性來源于燒結時 長和次數）。

 

　　普魯士類：比容量高、理論成本低但工藝難度大

 

　　普魯士材料呈三維立方體結構，Na+具備合適擴散通道，理論倍率性能和循環性能好（通過選擇不同的過渡金屬可以調控 電壓和比容量，具備很高的材料設計靈活性）。根據Na+含量不同，x＜1稱為普魯士藍，x≥1成為普魯士白。由于普魯士白 含鈉量較高，比容量也更高。由于溶度積常數較低，可以作為水溶液體系正極材料。 發展歷程：最初的用途是上釉和油畫染料，可追溯到1704年，德國人海因里希·狄斯巴赫在實驗室中生產一種紅色顏料時， 由于實驗污染而獲得了深藍色沉淀，畢加索、梵高畫作頻繁使用。 制備方法：普魯士類材料制備常采用共沉淀法、水熱法，70-120 ℃即可，無需高溫燒結，成本較低；目前實際比容量可以 達到150-160mAh/g，工作電壓可以達到3.3-3.4V。由于鐵氰化物結構穩定、前驅體簡單易得，研究多集中于此。 加工難度：普魯士類材料瓶頸在于易吸水加工難度大。生產過程中會存在一定結晶水，存在脫出導致電池短路和與電解液反 應產生HF的風險。大規模量產對控水要求極高，大規模量產工藝端存在較大的難度。

 

　　負極：由石墨切換為無定形碳，硬碳和軟碳均有發展潛力

 

　　鈉離子電池負極當前一般不使用石墨，在碳基體系中多采用 無定形碳。早期觀點認為Na+直徑是Li+1.3倍，無法在石墨 層間自由遷移，但K、Rb、Cs仍有較高的可逆比容量表現。 本質上還是由于熱力學問題，鈉離子與石墨層之間相互作用 力弱，在當前常用電解液中難以形成穩定插層化合物（除非 替換成醚類溶劑）。鈉離子電池無法直接沿用石墨負極，多 采用石墨化程度較低的無定形碳，層間距比石墨高，為實現 無損耗的高倍率性打下基礎。 硬碳比容量較高，但成本和規模化尚存劣勢。硬碳前驅體為 熱固性材料，高溫下難以石墨化，結構排布更無序，有豐富 微孔、材料間隙更大，比容量更高、膨脹系數小。但孔洞過 多導致比表面積較大，首次效率低。且硬碳一般采用生物質 、淀粉、樹脂等前驅體，產碳效率低，成本相對較高。 軟碳儲鈉容量低，但前驅體產碳率更高，具備成本優勢。軟 碳前驅體為熱塑性材料，高溫下易于石墨化，結構更有序， 層間距更短，儲鈉容量較低。前驅體一般采用煤、瀝青、石 油焦等石化工業副產品，產業鏈配套更為成熟，產碳效率可 以達到90%以上。 此外，合金類、金屬氧化物或金屬硫化物等負極一般具有較 高的比容量，但存在首次庫倫效率低、電極粉化等問題。鈦 基負極空氣穩定性好，也具備儲備潛力。

 

　　負極生產工藝：碳化比石墨化能耗更低，工藝呈現多樣性

 

　　鈉離子碳基負極制備溫度更低：無定形碳加工基本僅需1000-1500°C左右碳化加熱，而石墨負極的石墨化工序溫度至少要達到3000°C以 上，從能耗成本角度更為節約。 生產環節相似，部分環節對設備有特殊要求：設備主要為粉碎混合用的球磨機、混合機等，加熱用的窯爐、炭化爐等，其中部分加熱工序 需要特殊氣氛（對密閉性有要求），此外部分預處理工序對耐腐蝕性有要求，硬碳前驅體粉末需要揚塵控制。 技術發展和可選改性方案：軟碳、硬碳前期研究目的主要是在鋰離子電池石墨負極體系中進行摻雜/包覆以實現改性（提升倍率性等）， 主流負極企業多有相關布局。在鈉離子電池體系中，由于軟碳、硬碳材料本身均存在性能缺陷，為提升綜合性能，可進行預活化、預氧化 、混合摻雜、包覆等改性處理。如：碳源的選取可混合軟碳和硬碳；可摻雜N、S、金屬氧化物、合金等；通過包覆形成三維立體核殼結 構，在形成豐富微孔儲鈉的同時改善表面導電性能。此外在燒結工藝、負極極片制作工藝上也有豐富提升手段。 總體而言，負極前驅體選型、加工工藝、改性手段均存在技術多樣性，成本拆分、定價模型不透明，負極廠商更易形成技術壁壘和議價優 勢。

 

　　電解液：六氟磷酸鈉可使用現有產線，為量產首選方案

 

　　鈉離子電池電解液與鋰離子電池類似，由溶質、溶劑、添加劑組成。其中溶質須鋰鹽替換為鈉鹽，溶劑、添加劑基本可復 用鋰離子電池中的成熟體系，但也需要根據鈉離子特性做配方調整以提升性能。 鈉離子斯托克斯直徑比鋰離子小，低濃度的鈉鹽電解液具有較高的離子導電率，理論上可以使用低濃度電解液，以節約成 本。 溶質鈉鹽主要分為有機鈉鹽和無機鈉鹽兩大類，其中無機鈉鹽中的NaPF6生產工藝與鋰離子電池體系成熟運用的六氟磷酸 鋰工藝結構類似，被認為是最具產業化前景的鈉鹽，但熱穩定性欠佳。有機鈉鹽中的NaFSI導電率高但電化學窗口窄， NaTFSI熱穩定性好但低濃度易腐蝕集流體。

 

鈉離子電池BOM成本測算
 

　　鈉離子電池成本測算

 

　　定價對標磷酸鐵鋰平替，仍有較大下降空間。由于正極、負極等原材料尚未形成市場規模，多數企業選擇自供，尚無穩定市場報價。我們預測產業化 初期，鈉離子電池每kwh制造成本在600-700元之間。待產業鏈形成規模化生產后，有望下降到500元/kwh以下。假設碳酸鋰價格跌回15萬元/噸， LFP價格回落到7.35萬元/噸左右，對應LFP電芯全成本約為700元/kWh左右，鈉離子電池仍將具備明顯的成本優勢。

 

產能梳理和需求測算
 

　　鈉離子電芯產能規劃超過100GWh

 

　　據公開資料統計，鈉離子電芯頭部廠商產能規劃合計超過100GWh。主要分為傳統鋰離子電池廠商轉型，和鈉離子電池專業化廠商。由 于鈉離子電芯產線和鋰離子電芯產線設備相似度較高，存在從鋰離子電芯產線技改切換的可能性，實際上產能彈性較大。 從投資強度來看，鈉電池與鋰電工藝設備基本類似，投資強度與鋰電接近；正極分為普魯士類和層狀氧化物，根據企業公告數據，普魯 士類投資強度在1.4-2億元，層狀氧化物與三元共線，投資成本接近；負極和電解液溶質投資預計將會低于現有鋰電水平。

 

　　鈉離子電池需求測算

 

　　展望A00級電動車、電動兩輪車和儲能領域，到2025年對電池需求約為441GWh，假設鈉離子電池滲透率為16%，對應鈉 離子電池需求71.2GWh。展望2030年，鈉離子電池需求有望達到439GWh。在此我們強調：決定滲透率的是供給側能力， 如果鈉離子電池性能、成本超預期，實際需求空間更大。

 

產業鏈重點公司分析
 

　　寧德時代：鋰電全球龍頭，領航鈉離子電池量產

 

　　2021年7月寧德時代正式發布第一代鈉離子電池，計劃2023年形成基本產業鏈，并宣布第二代鈉離子電池的能量密度將達到200Wh/kg，系統 能量密度能做到160Wh/kg。同時亮相創新的鋰鈉混搭電池包（高性能的鋰+低成本的鈉互補，推動產業化應用）。

 

　　中科海鈉：中科院物理所孵化，深耕鈉離子電池 合作華陽股份、三峽資本、多氟多等，獲華為戰投

 

　　中科院物理研究所2011年起致力于鈉離子電池技術開發，2017年依托其技術的中科海鈉成立，創始團 隊包括核心技術人員胡勇勝、陳立泉等，試驗線建設在江蘇溧陽。2020年中科海鈉Pre-A輪融資得到 華陽新材料集團旗下梧桐樹資本投資，而后與具備豐富無煙煤資源的華陽股份深度合作，在山西共建 正負極材料生產線，并為其鈉離子電池產線提供技術支持。此外，中科海鈉與三峽江蘇能投、阜陽國 資合資建設鈉離子電池生產基地。

 

　　浙江鈉創&維科技術：交大科研團隊領軍，合作新宙邦、淮海控股等

 

　　浙江鈉創成立于2018年，團隊核心技術來源于上海交通大學馬紫峰教授團隊，實控人為其學生 車海英博士（上海電化學能源器件工程技術研究中心中級研究人員），浙江醫藥戰略投資參股。 淮海控股2021年參與其Pre-A輪融資，維科技術2022年參與其A輪融資。當前估值已超過24億 元。

 

　　維科技術2004年即進入電池行業，2019年與LG化學在南昌合資建設電池廠，在聚合物鋰電池、 鋁殼鋰電池行業有技術和工藝積淀。當前規劃首期2GWh鈉離子電池產線，2023年中有望投放。

 

　　新宙邦（鋰離子電池電解液頭部企業之一）2019年與鈉創控股股東上海紫劍化工共同申請《鈉 離子電解液、二次電池及制備方法和應用》專利。

 

 

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