钠离子电池加工工艺研究论文

第一作者：Yuqi Li

通讯作者：胡勇胜，陆雅翔

通讯单位：中国科学院物理研究所

【研究亮点】

报告了一种能量密度超过200 Wh kg-1的初始无负极钠电池，高于商用 LiFePO4||石墨电池。 通过在铝集流体上引入石墨碳涂层以及电池中加入含硼电解质，结果表明均匀的成核和稳定界面可实现可逆和无裂纹的钠沉积。钠电池在不施加额外压力的情况下的 循环寿命达到了260次 ，这是零过量钠的大尺寸电池的最长寿命。

【主要内容】

考虑到全球丰富的钠储量及其分布，钠离子电池（NIBs）是一种具有成本效益的电能存储选择。然而，受限于Na相对较大的原子尺寸和重量，目前NIBs的能量密度普遍低于160 Wh kg-1，低于商业锂离子电池的能量密度。实现更高能量的一个有前景的解决方案是用超薄钠金属替换NIB中的插入型电极，以制造钠金属电池（NMB）。然而，由于金属钠的柔软和粘性，加工和成型都很难生产出超薄的钠金属负极。另一方面，具有含有过量钠的厚负极NMB可能会牺牲能量密度。无负极钠电池 (AFNB) 配置可以解决上述问题。在AFNB中，“真正的负极”是在第一次充电过程中原位电化学形成的；在负极侧形成的Na始终被封装而没有暴露在空气中，并且没有Na被浪费，因为活性Na+穿梭完全来自正极材料。这不仅有利于制造过程，而且还提高了AFNB的能量密度。 然而，在AFNB运行过程中，活性Na被不断消耗并且易断裂和重建的固体电解质界面相(SEI)将导致容量快速衰减。在重复沉积和剥离过程中，不均匀的沉积形态也会导致“死钠”，从而导致低库仑效率 (CE)。

鉴于此， 中国科学院物理研究所 胡勇胜研究员、陆雅翔副研究员团队使用BPG电解质（ M NaPF6和 M NaBF4 溶在二甘醇二甲醚中）、GC（石墨碳）集 流体和层状氧化物正极，通过界面工程策略制造了具有协同界面的AFNB。 基于GC上的小而均匀的Na成核，实现了平整的Na沉积以及稳定的SEI和CEI。冷冻电镜以及TOF-SIMS等先进表征手段和分子动力学模拟表明，由于BPG的特殊溶剂化形态，B-O在SEI的外层呈现二维分布，而在CEI的内层呈现三维分布。 这有效地抑制了死Na或Na枝晶的形成，修复了Na沉积和剥离过程中形成的裂纹，保护了正极的结构完整性并防止了与电解质的副反应。 组装的具有高安全性的无负极钠电池可提供超过 200 Wh kg 1的能量密度，考虑到使用无Co、V层状氧化物正极、贫非浓缩电解质、薄涂层集流体以及干燥室生产，这是非常具有成本效益的。 此外，得益于构建的协同界面，AFNB的循环寿命延长至260次以上，而且无需额外的压力或高温。 AFNB目前的瓶颈是能量密度低和实际条件下的循环稳定性有限。在这些方面，通过展示使用贫醚电解质的高压区间应用，这项工作为高性能钠电池提供了对应的原型解决方案。本文提出的界面工程的思路有望刺激电池组件的进一步优化，促进未来AFNB的大规模应用。

Fig. 1 | Sodium batteries with cooperative interfaces using a graphitic carbon coating as the current collector and BPG as the electrolyte.

Fig. 2 | Current collectors and morphologies of Na plating and stripping.

Fig. 3 | Selection and assessment of electrolytes and SEI/CEI films.

Fig. 4 | Performance and mechanism of cooperative interfaces.

Fig. 5 | Comparison among different kinds of Na-based batteries.

Fig. 6 | Electrochemical performances and safety assessment of proposed Na batteries with cooperative interfaces.

【文献信息】

Li, Y., Zhou, Q., Weng, S. et al. Interfacial engineering to achieve an energy density of over 200 Wh kg 1 in sodium batteries. Nat Energy (2022).

撰文 / 涂彦平

编辑 / 张 南

设计 / 师玉超

“氯化钠在海水中含有相当大的分量。而我从海水中提出来的就是钠，可以用它来产生电能。

“钠能吗？

“是的，先生。……钠电池能量很大，它的电动力比锌电池要强好几倍。”

这是法国作家凡尔纳的小说《海底两万里》中尼摩船长和阿罗纳克斯教授的对话。这部诞生于1870年的小说，已经写出了人类对钠电池的想象。

而现实中钠离子电池的出现则推迟了差不多一百年。

1976年，Whittingham研究发现了二硫化钛（TiS2）能够进行锂离子（Li+）的嵌入和脱出，并制作了Li||TiS2电池，钠离子（Na+）在TiS2中的可逆脱嵌机制也被发现。

1980年，Armand提出“摇椅式电池”（Rocking Chair Battery）概念。锂离子就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就在摇椅两端来回运动。钠离子电池同锂离子电池的原理相同，同被称作摇椅式电池。

原理一样，几乎同时出现，但钠离子电池和锂离子电池两兄弟的命运走向却截然不同。

到了20世纪80年代，Delmas和Goodenough相继发现了层状氧化物材料 NaMeO2可作为钠离子电池正极材料。（Goodenough和上面提到的Whittingham同获2019年诺贝尔化学奖）1988年，Fouletier研究了软碳和石墨的储钠性能，开启了钠离子电池碳类负极材料研究。

1990年，日本索尼公司基于石墨负极完成了锂离子电池的商业化的突破，并于第二年5月投放市场。从此，锂离子电池迎来属于自己的时代，而钠离子电池陷入长久的沉寂。

直到2000年，Stevens和Dahn发现硬碳材料具有优秀的钠离子脱嵌性能，钠离子电池负极材料的研究有了重大转折。

2015年，由法国RS2E主导开发的全球首颗18650圆柱型钠离子电池诞生，电芯能量密度达到90Wh/kg，循环寿命超过2000次。

此后，法国的Tiamat、英国的Faradion、美国的Natron Energy、中国的中科海钠等公司在钠离子电池领域均有了自己的研究成果。

2021年6月，中科海钠推出的全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营。

图片来源：中科海钠

同年7月，全球动力电池龙头老大宁德时代正式发布钠离子电池，并明确表示已启动产业化布局，2023年前将基本形成产业链。

彼时，新能源汽车正深受碳酸锂高价之苦，钠离子电池让行业看到了一种近在咫尺的替代方案。

虽然商业化比锂离子电池晚了差不多30年，但钠离子电池还是等来了属于它的时代。虽迟但到，桑榆非晚。

覆盖多元应用场景

要论资源储量，地球上的钠要比锂多得多。钠资源非常丰富，地壳丰度为，位列第6位；锂的地壳丰度只有，位列第27位。

而且，钠遍布全球，而锂75%的资源集中在美洲。所以，相比之下，钠的供应链也更加安全。

因为资源丰富，钠的价格也很实惠，2元/kg。而锂的价格是150元/kg。钠离子电池的材料成本要比锂离子电池降低30%-40%。

图片来源：中科海钠官网

正极材料方面，钠离子电池主要有层状氧化物、聚阴离子化合物以及普鲁士类化合物等三种路线；负极材料方面，主要是硬碳、软碳等碳基材料。

2021年7月29日，宁德时代发布钠离子电池，正极材料采用了克容量较高的普鲁士白材料，负极材料使用了具有独特孔隙结构的硬碳材料。基于材料体系的突破，宁德时代第一代钠离子电池电芯单体能量密度达160Wh/kg。

2022年12月，亿纬锂能发布了大圆柱钠离子电池产品，正极采用层状氧化物，负极采用硬碳，能量密度为135Wh/kg，循环次数达到2500次。

蜂巢能源计划2023年第一季度完成第二代钠离子电池产品的设计定型，能量密度为135Wh/kg，第四季度计划完成160Wh/kg的钠离子电池开发。

因为能量密度介于铅酸电池和锂离子电池之间，钠离子电池将主要应用在两轮电动车、三轮电动车、低速电动车、储能和新能源汽车等领域。

中科海纳的钠离子电池商业化尝试是走在前面的，2018年首辆钠离子电池低速电动车亮相，2019年首座钠离子电池储能电站问世，2021年全球套1MWh 钠离子电池储能系统成功投入运行。

2021年，钠创新能源先是发布了全球首套钠离子电池-甲醇重整制氢综合能源系统，又与爱玛科技联合发布了全球首批钠离子电池驱动双轮电动车。

EVTank、伊维经济研究院发布的《中国钠离子电池行业发展白皮书（2023年）》提出，2025年之前钠离子电池的主要出货领域将集中在以两轮车为代表的小动力，2025年之后在储能领域的应用将逐步提升，2026年储能用钠离子电池将成为最大的应用场景。

根据2022年6月国家能源局发布的《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》，在防止电化学储能电站火灾事故方面有明确规定，“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池”。

这个导向很明确，客观上利好钠离子电池在储能领域的应用。

在乘用车端，钠离子电池普遍只能满足400公里以下较低续航车型的需求。不过，宁德时代官宣的AB电池方案，通过锂钠混搭优势互补，可以满足续航500公里的车型需求，“有望覆盖纯电动乘用车65%左右的市场”。

步入量产关键期

2022年，中科海钠分别在山西太原及安徽阜阳建成钠离子电池千吨级正负极材料和1GWh电芯生产线，率先开启了产业化之路。

值得一提的是，2022年3月，华为通过旗下平台哈勃投资，认缴出资约413万元购得中科海钠近股份，成为其第三大股东。

进入2023年，越来越多的钠离子电池企业公布了自己的产业化进展。

图片来源：思皓新能源

2月23日，思皓新能源与中科海钠联合打造的行业首台钠离子电池样车公开亮相，装车试验的是思皓EX10花仙子。这款钠电版车型的续航里程为252km，电池包容量为25kWh，电芯能量密度140Wh/kg，系统能量密度120Wh/kg，快充时间（SOC 10%-80%）为20分钟。

中科海钠总经理李树军接受媒体采访时透露：“随着钠电池产业化规模的扩大，相比磷酸铁锂电池，行业普遍认为将有20%-30%的电芯成本优势。当然，这一数据也跟碳酸锂价格相关。体现在整车上，可能有约10%的成本优势。”

3月1日，孚能科技宣布已经收到江西江铃集团新能源汽车有限公司EV3 钠电池定点函，将为其供应钠离子电池包总成，预计2023年第二季度实现量产装车。

在3月9日进行的年报电话会中，宁德时代表示，公司钠离子电池预计将于2023年实现产业化，具体规模取决于客户项目的进展情况。相较锂离子电池，公司钠离子电池“现在成本优势是比较明显的，待供应链成熟后会更具优势”。

3月10日，多氟多在投资者互动平台表示，公司钠离子电池现已有产品正在多家车厂进行车载测试。到2023年底,多氟多河南基地钠离子电池年产能有望达到1GWh。除了自己生产钠离子电池，多氟多已经具备千吨级的六氟磷酸钠生产能力，并批量对外供货。

在生产制造方面，钠离子电池与锂离子电池生产工艺基本类似，可以通过调试传统的锂离子电池产线快速完成钠离子电池的产能布局。

墨柯告诉汽车商业评论，钠离子电池的产业化，在技术上已经没有什么大问题，量产时还会有一些具体问题需要解决，另外，还需要看下游应用产品（如电动自行车、新能源乘用车等）对钠离子电池的验证过程，有可能在验证过程中也还会发现一些具体问题。

锂价回落，对钠离子电池影响几何

钠离子电池已经写入多个政府文件，作为新型电池路线被鼓励大力发展。

2023年1月，工信部等六部门印发《关于推动能源电子产业发展的指导意见》，明确提出要加快研发钠离子电池等新型电池。“聚焦电池低成本和高安全性，加强硬碳负极材料等正负极材料、电解液等主材和相关辅材的研究，开发高效模块化系统集成技术，加快钠离子电池技术突破和规模化应用。”

2022年7月，我国首批钠离子行业标准《钠离子电池术语和词汇》《钠离子电池符号和命名》计划正式下达，起草单位包括中科海钠、宁德时代、比亚迪等单位。此举将进一步推动钠离子产业的规范化。

EVTank判断，2030年钠离子电池的实际出货量将达到347GWh，届时最大的应用领域将是储能。

EVTank还指出，目前影响钠离子电池大规模应用最敏感的因素在于钠离子电池与锂离子电池和铅酸电池的成本对比。根据它的推算，钠离子电池的成本目前在元/Wh左右，高于磷酸铁锂电池和铅酸电池，成本优势尚未完全体现。

从国内机构生意社的数据来看，碳酸锂的价格在持续走低。3月15日，电池级碳酸锂基准价为万元/吨，相比本月初的万元/吨下降了12%，相比去年11月万元/吨的价格高点更是跌了41%。

图片来源：生意社

如果碳酸锂价格继续下跌，钠离子电池的成本优势也就相应缩小，这会影响钠离子电池的产业化落地吗？

EVTank直言碳酸锂价格的波动将是后期影响钠离子电池大规模应用的最关键因子之一。

墨柯表示：“碳酸锂价格跌跌不休，使得锂离子电池成本在持续走低，而钠离子电池的成本要做到比锂离子电池低，是需要上规模的，这些因素相互作用，确实对钠离子电池的应用推广不太有利。”

今年2月，多氟多在回答投资者提问时透露公司第一批商用化量产的钠离子电池预估成本低于锂电池，并表示“即使碳酸锂价格降到10万元/吨，钠电仍然有竞争力”。

在汽车商业评论看来，钠离子电池的成本优势还是其次，它最大的价值在于可以解决锂资源供应紧张和锂价暴涨的问题，所以，它的存在本身就是一种制衡手段。这种存在价值不因锂价的一时走低就消失。

属于钠离子电池的时代，才刚刚开始。

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锂钠同族，物化性质有类似之处

锂、钠、钾同属于元素周期表ⅠA 族碱金属元素，在物理和化学性质方面有相似之处，理论上都可以作为二次电池的金属离子载体。

锂的离子半径更小、标准电势更高、比容量远远高于钠和钾，因此在二次电池方面得到了更早以及更广泛的应用。

但锂资源的全球储量有限，随着新能源 汽车 的发展对电池的需求大幅上升，资源端的瓶颈逐渐显现，由此带来的锂盐供需的周期性波动对电池企业和主机厂的经营造成负面影响，因此行业内部加快了对资源储备更加丰富、成本更低的电池体系的研究和量产进程，钠作为锂的替代品的角色出现，在电池领域得到越来越广泛的关注。

综合性能优于铅酸电池，能量密度是短板

钠离子电池与锂离子电池工作原理类似。与其他二次电池相似，钠离子电池也遵循脱嵌式的工作原理，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。

能量密度弱于锂电，强于铅酸。

在能量密度方面，钠离子电池的电芯能量密度为100-160Wh/kg，这一水平远高于铅酸电池的30-50Wh/kg，与磷酸铁锂电池的120-200Wh/kg相比也有重叠的范围。

而当前量产的三元电池的电芯能量密度普遍在200Wh/kg以上，高镍体系甚至超过 250Wh/kg，对于钠电池的领先优势比较显著。

在循环寿命方面，钠电池在3000次以上，这一水平也同样远远超出铅酸电池的300次左右。

因此，仅从能量密度和循环寿命考虑，钠电池有望首先替代铅酸和磷酸铁锂电池主打的启停、低速电动车、储能等市场，但较难应用于电动 汽车 和消费电子等领域，在这两大领域锂电仍将是主流选择。

安全性高，高低温性能优异。

钠离子电池的内阻比锂电池高，在短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的安全性。因此针对过 充过 放、短路、针刺、挤压等测试，钠电池能够做到不起火、不爆炸。

另一方面，钠离子电池可以在-40 到80 的温度区间正常工作，-20 的环境下容量保持率接近90%，高低温性能优于其他二次电池。

倍率性能好，快充具备优势。

依赖于开放式3D结构，钠离子电池具有较好的倍率性能，能够适应响应型储能和规模供电，是钠电在储能领域应用的又一大优势。

在快充能力方面，钠离子电池的充电时间只需要10分钟左右，相比较而言，目前量产的三元锂电池即使是在直流快充的加持下，将电量从20%充至80%通常需要30分钟的时间，磷酸铁锂需要45分钟左右。

资源端：克服锂电瓶颈

锂电池面临资源瓶颈，钠资源相对丰富。锂的地壳资源丰度仅为。

根据美国地质调查局的报告，随着锂矿资源勘探力度增加，2020年全球锂矿储量提高到 2100万吨锂金属当量（折合碳酸锂亿吨），同比增长；若按照每辆电动车使用50kg碳酸锂测算且不考虑碳酸锂的其他下游市场，当前锂储量仅能够满足20亿辆车的需求，因此存在资源端的瓶颈。

分区域看，全球主要锂矿资源国锂储量均有不同程度的提高，澳大利亚和中国增加较多，其中澳大利亚锂储量由2019年的280万吨提高到470万吨锂金属当量，而2020年中国锂储量则大幅提升50%至150万吨锂金属当量。

总体来看，智利和澳大利亚仍为全球前两大锂资源拥有国，2020年分别约占全球锂资源储量的和。

与之相比，钠资源的地壳丰度为，是锂资源的440倍，同时分布广泛，提炼简单，钠离子电池在资源端具有较强的优势。

锂价上涨带来企业成本端的扰动。

从短期来看，由于2021年开始锂的需求增长，而上游锂矿供给有所收缩以及去库存，锂矿以及锂盐价格在2020年见底，2021年上半年价格回升幅度较大；从长期来看，锂资源存在产能瓶颈引发市场对于锂价中枢上移的预期。

对于企业来说，长期稳定的原材料价格对于自身的正常经营意义重大，锂价的持续上涨可能加速企业寻找性价比更高的替代品的进程。

中国锂资源对外依存度较高。

中国锂矿主要分布在青海、西藏、新疆、四川、江西、湖南等省区，形态包括锂辉石、锂云母和盐湖卤水。

受制于提锂技术、地理环境、交通条件等客观因素，长期以来中国锂资源开发较慢，主要依赖进口；近年来随着下游需求增长以及技术进步，中国锂资源开发进度有所加速。

在不考虑库存下，2020年中国锂行业对外资源依赖度超70%，维持较高水平。

发展钠离子电池具备战略意义。

中国大力发展新能源 汽车 的目的除了降低碳排放、解决环境问题之外，减少对传统化石燃料的进口依赖也是重要原因之一。

因此，若不能有效解决资源瓶颈问题，发展电动车的意义就会打一定折扣。

除了锂资源外，锂电池其他环节如钴和镍也面临进口依赖以及价格大幅波动的难题，因此发展钠离子电池具备国家层面的战略意义。

2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池 2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位，欧盟“地平线2020研究和创新计划”更是将钠离子材料作为制造用于非 汽车 应用耐久电池的核心组件重点发展项目；国内两部委《关于加快推动新型储能发展的指导意见》提出坚持储能技术多元化，加快飞轮储能、钠离子电池等技术开展规模化试验示范。

钠离子电池已经受到越来越多国家的关注和支持。

材料端：凸显成本优势

正极材料

正极材料使用钠离子活性材料，选择呈现多样化。

正极材料是决定钠离子电池能量密度的关键因素，目前研究和有量产潜力的材料包括过渡金属氧化物体系、聚阴离子（磷酸盐或硫酸盐）体系、普鲁士蓝（铁氰化物）体系三大类。

过渡金属氧化物为当前正极材料主流选择。

层状结构过渡金属氧化物2（M 为过渡金属元素）具有较高比容量以及其与锂电池的正极材料在合成以及电池制造方面的许多相似性，是钠离子电池正极材料有潜力得到商业化生产的主流材料之一。

然而，层状结构过渡金属氧化物在充放电过程中易发生结构相变，在长循环和大电流充放电中容量衰减严重，使其具有较低的可逆容量及较差的循环寿命。

常见的改善手段主要有体相掺杂、正极材料表面包覆等。

中科海钠采用了P2型铜基层状氧化物（），显著提升正极材料的容量水平，并且电池能量密度达到145Wh/kg；

钠创新能源采用的O3型铁酸钠基三元氧化物（）具有较高的克容量（超过130mAh/g）和良好的循环稳定性；

英国Faradion公司采用镍基层状氧化物材料，电池能量密度超过140Wh/kg。

磷酸钒钠是研究的主流方向之一。

聚阴离子型化合物 , Na[() ] (M 为可变价态的金属离子如Fe、V等，X为P、S等元素)，具有较高电压、较高理论比容量、结构稳定等优点，但电子电导率低，限制了电池的比容量和倍率性能。

目前业界研究最多材料的主要包括磷酸铁钠、磷酸钒钠、硫酸铁钠等，并通过碳包覆以及参入氟元素提升导电性以及容量。

钠创新能源将磷酸钒钠作为重点研发的钠电池正极材料之一，中科院大连物化所已实现三氟磷酸钒钠的高效合成和应用。

普鲁士蓝材料具有更高的理论容量。

普鲁士蓝类材料，Na[()6] (为 Fe、Mn、Ni 等元素)具有开框架结构 , 有利于钠离子的快速迁移；理论上能够实现两电子反应，因此具有高的理论容量。

但在制备过程中存在结构水含量难以控制等问题，并且容易发生相变以及与电解质产生副反应导致循环性能变差。

辽宁星空钠电致力于 （CN）6的产业化研究，理论容量高达170mAh/g； 宁德时代采用普鲁士白（Nan[Fe()6]）材料，创新性地对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减这一核心难题。

钠离子电池在材料端拥有显著的成本优势。

由于碳酸钠价格远低于碳酸锂，并且钠离子电池正极材料通常使用铜、铁等大宗金属材料，因此正极材料成本低于锂电池。

根据中科海钠官网数据，使用NaCuFeMnO/软碳体系的钠电池的正极材料成本仅为磷酸铁锂/石墨体系的锂电池正极材料成本的40%，而电池总的材料成本较后者降低 30%-40%。

负极材料

钠离子电池负极材料主要包括碳基材料（硬碳、软碳）、合金类（Sn、Sb等）、过渡金属氧化物（钛基材料）和磷酸盐材料等。

钠离子半径大于锂离子，难以嵌入石墨类材料，因此锂电池传统的石墨负极并不适用于钠电池。

合金类普遍体积变化较大，循环性能较差，而金属氧化物和磷酸盐材料容量普遍较低。 无定形碳为钠电池主流材料。

在已报道的钠离子电池负极材料中，无定型碳材料以其相对较低的储钠电位，较高的储钠容量和良好的循环稳定性等优点而成为最具应用前景的钠离子电池负极材料。

无定型碳材料的前驱体可分为软碳和硬碳前驱体，前者价格低廉，在高温下可以完全石墨化，导电性能优良；后者价格较高（10-20万元/吨），在高温下不能完全石墨化，但其碳化后得到的碳材料储钠比容量和首周效率相对较高。

以亚烟煤、烟煤、无烟煤为代表的煤基材料具有资源丰富、廉价易得、产碳率高的特点，采用煤基前驱体制备出的钠离子电池负极材料，储钠容量约220mAh/g，首周效率可达80％，是目前最具性价比的钠离子电池碳基负极材料；但该类材料存在微粉多、振实密度低、形状不规则等特性，在电芯生产过程中不利于加工。

中科海钠以亚烟煤、褐煤、烟煤、无烟煤等煤基材料为主体，沥青、石油焦、针状焦等软碳前驱体为辅材，提出一种能够改善煤基钠离子电池负极材料的加工性能和电化学性能的方法，制备工艺简单、成本低廉，能够得到微粉含量低、振实密度高的电池负极材料。

宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有易脱嵌、优循环的特性；比容量高达350mAh/g，与动力类石墨水平相当。

电极集流体皆为铝箔，成本更低。

在石墨基锂离子电池中，锂可以与铝反应形成合金，因此铝不能用作负极的集流体，只能用铜替代。

钠离子电池的正负极集流体都为铝箔，价格更低；根据中科海钠官网数据，使用 NaCuFeMnO/软碳体系的钠电池的集流体（铝-铝）成本仅为磷酸铁锂/石墨体系的锂电池集流体（铝-铜）成本的20%-30%。

集流体是除正极外，材料成本与锂电池差异最大的环节。

电解液

和锂离子电池相似，钠离子电池电解质主要分为液体电解质、固液复合电解质和固体电解质三大类。

一般情况下 , 液体电解质的离子电导率高于固体电解质。

在溶剂层面，酯类和醚类电解液是最常用的两种有机电解液，其中酯类电解液是锂离子电池体系的主要选择，因为其可以有效地在石墨负极表面进行钝化且高电压稳定性优于醚类电解液。

对于钠离子电池：

首先，目前主流的研发机构依然沿用了酯类溶剂，如PC、EC、DMC、EMC等，针对不 同的正负极和功能配方有所不同，且 PC 的用量占比高于锂电池；

其次，由于在醚类电解液中钠离子和醚类溶剂分子可以高度可逆地发生共插层反应，且有效地在负极材料表面构建稳定的电极/电解液界面，所以受到越来越广泛的关注和研究；

最后，水系电解液也是新的研究领域之一，以水为电解液溶剂替代传统有机溶剂，更加环保安全且成本低。

在电解质层面，锂盐将换成钠盐，如高氯酸钠（NaClO4）、六氟磷酸钠（NaPF6）等。

在添加剂层面，传统通用添加剂体系没有发生明显变化，如FEC在钠离子电池中依然被广泛应用。

其他

隔膜方面，钠离子电池和锂电池技术类似，对孔隙率的要求或有一定差异。

外形封装方面，钠离子电池也包括圆柱、软包和方形三种路线。

根据各家官网显示，中科海钠主要为圆柱和软包路线，钠创新能源则三种技术路线都有。

设备工艺方面，与锂电池区别不大，有利于钠电池沿用现成设备和工艺快速投入商业化生产。

规模化生产后成本有望低于元/Wh。

当前由于产业链缺乏配套、缺乏规模效应，钠离子电池的实际生产成本在1元/以上；政策的支持和龙头企业大力推广有望加速产业化进程，若达到当前锂电池的市场体量，成本有望降至元/Wh，与锂电池相比具备优势。

钠离子电池重回舞台，研究热度升温

钠离子电池的研究始于1970年左右，最初与锂离子电池都是电池领域科学家研究的重点方向。

20世纪80年代，锂离子的正极材料研究首先取得突破，以钴酸锂为代表，和由石墨构成的负极材料组合，让锂电池获得了极佳的性能；让两者真正分野的是索尼在1991年成功将锂电池商用化并首先应用于消费电子领域。

锂电池商用化的顺利进行反向抑制了钠离子电池技术路线的发展，当时商用的锂离子电池循环寿命能达到钠离子电池的10倍左右，两种电池的产品性能表现相去甚远，锂离子电池获取了科学家和资本、产业的绝对关注。

2010年之后，由于大规模储能市场的场景逐渐清晰以及产业界对未来锂资源可能面临供给瓶颈的担忧，钠离子电池重新进入人们的视野。

之后十年时间，全球顶尖的国家实验室和大学先后大力开展钠离子电池的研发，部分企业也开始跟进。

包括国际代表Faradion公司、国内代表机构中科海钠和钠创新能源以及锂电池代表企业宁德时代等。

Faradion英国牛津大学主导的Faradion公司成立于2011年，是全球首家从事钠离子电池研究的公司，15年开发出电池系统，材料为层状金属氧化物和硬碳体系。

之后多个国家也成立了相关机构和公司，例如法国科学院从15年开始开发磷酸钒钠电池，夏普北美研究院几乎同时开发长循环寿命的钠电池。

中科海钠

中科海钠成立于2017年，是国内首家专注于钠离子电池研发的公司，公司团队主要来自于中科院物理化学研究所。

2017年底，中科海钠研制出48V/10Ah钠离子电池组应用于电动自行车；2018年9月，公司推出首辆钠离子电池低速电动车；

2019年3月，公司自主研发的30kW/100kWh钠离子电池储能电站在江苏省溧阳市成功示范运行；2020年9月，公司钠离子电池产品实现量产，产能可达30万只/月；

2021年3月，公司完成亿元级 A 轮融资，用于搭建年产能2000吨的钠离子电池正、负极材料生产线；2021年6月，公司全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营。

在材料体系方面，正负极材料分别选用成本低廉的钠铜铁锰氧化物和无烟煤基软碳，电芯能量密度已接近 150 Wh/kg, 循环寿命达4000次以上，产品主要包括钠电池以及负极、电解液等配套材料。

钠创新能源

钠创新能源诞生于2018年，由上海电化学能源器件工程技术研究中心、上海紫剑化工 科技 有限公司和浙江医药股份有限公司共同发起成立，技术团队主要来自于上海交通大学。

2019年4月，正极材料中试线建成并满负荷运行；2020年10月，公司二期生产规划基地建设；2021年7月，公司与爱玛电动车联合发布电动两轮车用钠离子电池系统。

在材料体系方面，公司在铁酸钠基三元氧化物方面研究较为深入，产品主要包括钠电池以及铁基三元前驱体、三元材料、钠电电解液等。

宁德时代

宁德时代从2015年开始研发钠离子电池，研发队伍迅速扩大；2020年6月，公司宣布成立21C创新实验室，中短期主要方向为锂金属电池、固态锂电池和钠离子电池；

2021年7月，公司推出第一代钠离子电池，采用普鲁士白/硬碳体系，单体能量密度高达 160Wh/kg；常温下充电15分钟，电量可达80%以上；

在-20 C低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率；系统集成效率可达80%以上，热稳定性远超国家强标的安全要求；

公司表示下一代钠离子电池能量密度研发目标是200Wh/kg以上。

在系统创新方面，公司开发了 AB 电池系统解决方案，即钠离子电池与锂离子电池两种电池按一定比例进行混搭，集成到同一个电池系统里，通过BMS精准算法进行不同电池体系的均衡控制。

AB电池系统解决方案既弥补了钠离子电池在现阶段的能量密度短板，也发挥出了它高功率、低温性能好的优势；以此系统结构创新为基础，可为锂钠电池系统拓展更多应用场景。公司已启动相应的产业化布局，计划2023年形成基本产业链。

剑指储能和低速车市场，潜在市场空间大

预计2025年钠离子电池潜在市场空间超200GWh。

根据上文分析，钠离子电池有望率先在对能量密度要求不高、成本敏感性较强的储能、低速交通工具以及部分低续航乘用车领域实现替代和应用。

暂不考虑电池系统层面的改进（如锂钠混搭）对应用场景的拓展，2020年全球储能、两轮车和A00车型装机量分别为14/28/，预计到2025年三种场景下的电池装机量分别为180/39/31GWh，对应2025年钠离子电池潜在市场空间为250GWh。

钠离子电池作为二次电池重要的技术路线之一，在当前对上游资源紧缺度和制造成本的关注度逐步升温的情况下，凭借资源端和成本端的优势重新得到市场的广泛关注。

但由于钠离子电池本身能量密度较低且提升空间有限，因此在行业内更多地扮演新能源细分领域替代者的角色，有望率先在对能量密度要求不高、成本敏感性较强的储能、低速交通工具以及部分低续航乘用车领域实现替代和应用，对中高端乘用车市场影响十分有限。

在龙头企业的推动下，钠离子电池的产业化进程有望加速。

行业公司：

1）布局钠离子电池相关技术的传统电池和电池材料企业。

尽管技术路线有差异，但传统的锂电龙头企业在资金和研发方面优势明显，对各种技术路线具有较高的敏感性，对钠离子电池相关技术也多有布局。

宁德时代、鹏辉能源，公司在钠电领域皆保持长期的研发投入，后者预计21年年底电池量产；杉杉股份、璞泰来、新宙邦，关注欣旺达、容百 科技 、翔丰华，上述公司在钠电池或材料领域皆有专利或研发布局。

2）投资钠离子电池企业的公司。

华阳股份，公司间接持有中科海钠的股权；浙江医药，公司持有钠创新能源40%的股权。

3）产业链重塑带来的机会。

钠离子电池的起量将带动正负极、电解液锂盐技术路线的变更，新的优秀供应商将脱颖而出。

华阳股份，公司与中科海钠既有股权关系，又有业务合作，生产的无烟煤是海钠煤基负极的重要原料之一，并且与后者合资建设正负极材料项目；中盐化工、南风化工，公司具备上游钠盐储备。

1）钠离子电池技术进步或成本下降不及预期的风险：

钠离子电池的产业化还处于初期阶段，若技术进步或者成本改善的节奏慢于预期，将影响产业化进程，导致其失去竞争优势。

2）企业推广力度不及预期的风险：

当前由于规模较小、产业链缺乏配套，钠电池生产成本较高，其规模化生产离不开龙头企业的大力推广；若未来企业的态度软化，将影响钠电池产业化进程。

3）储能、低速车市场发展不及预期的风险：

钠离子电池主要应用于储能和低速车等领域，若下游市场发展速度低于预期，将影响钠电池的潜在市场空间。

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作者：平安证券 朱栋 皮秀 陈建文 王霖 王子越

报告原名：《电力设备行业深度报告：巨头入场摇旗“钠”喊，技术路线面临分化 》