報告出品/作者：民生證券、方競

以下為報告原文節(jié)選

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1 鈉電池 優(yōu)勢明顯，商業(yè)化在即

1.1 鈉離子電池優(yōu)勢在于成本低、資源豐富

鋰資源短缺，鈉含量豐富優(yōu)勢體現(xiàn)。早在 20 世紀 80 年代，鈉離子電池就已經(jīng)被短暫研究過，但是由于當時鋰離子電池在能量密度方面更具有明顯的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)中，因此鈉離子電池的研究工作被擱置了。近年來，由于鋰資源短缺造成鋰離子電池的成本增加，限制了其在大規(guī)模儲能設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，原料豐富且成本低廉的鈉再次引起了科學(xué)家們的興趣。

在元素周期表中，鈉與鋰是處于同一主族且具有相似物理化學(xué)性質(zhì)的金屬元素，地球上的鈉資源儲量非常豐富，元素含量約為 23000ppm（鋰含量僅約為 17ppm），豐度位于第 6 位，且分布于全球各地，可完全不受資源和地域的限制。所以在資源方面，鈉離子電池比鋰離子電池具有更大的優(yōu)勢。

鈉離子電池結(jié)構(gòu)和原理類似鋰電池。鈉離子電池主要由兩種不同的鈉嵌入型材料（正極材料、負極材料）、電解液、隔膜等關(guān)鍵部件組成。充電時，鈉離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電解液，隔膜，最后嵌入到負極材料；與此同時，電子經(jīng)外電路從負極流向正極。放電過程則與充電過程相反?？梢钥闯鲡c離子電池的工作原理和鋰離子電池基本類似，也是一類 “搖椅式電池”。鈉離子電池正、負極材料體系在電池產(chǎn)品中起決定性因素，電解液/隔膜主要與正、負極材料體系進行選擇匹配使用，因此，正、負極材料體系也直接決定了電池最終的性能指標。

硬碳負極的研發(fā)，鈉電池逐漸走向成熟。1970 年到 1980 年間，整個鈉電行業(yè)處于研發(fā)階段，開始出現(xiàn)高溫硫鈉電池以及 NaMeO 2 正極；1980 到 1990 年，開始將鈉電應(yīng)用到動力和儲能方面，發(fā)明了高溫鈉離子電池，但此時缺乏穩(wěn)定的負極；1990 到 2000 年，儲能應(yīng)用研發(fā)逐漸減少，鈉電研發(fā)進程放緩，轉(zhuǎn)而鈉-氯化鎳電池開始發(fā)展；從 2000 年發(fā)現(xiàn)硬碳負極材料開始，整個鈉電行業(yè)實現(xiàn)了研發(fā)突破。
國內(nèi)鈉電池進展迅速，已經(jīng)進入商業(yè)化前夕。2010 年，中科院開始發(fā)現(xiàn)鈉離子電池，成為國內(nèi)最早涉及該領(lǐng)域的組織機構(gòu)；2017 年，國內(nèi)首家專注于鈉離子電池開發(fā)與制造的企業(yè)中科海納成立；2018 年，中科海納首輛鈉離子電池低速電動車亮相，同年，浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司注冊成立；2019 年，鈉創(chuàng)新能源全球首條噸級鐵酸鈉基正極材料生產(chǎn)線完工，同年，中科海納首座鈉離子電池儲能電站問世；2021 年，中科海納全球套 1MWh 鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)成功投入運行，同時期，鈉創(chuàng)新能源發(fā)布全球首套鈉離子電池-甲醇重整制氫綜合能源系統(tǒng)，而且寧德時代發(fā)布第一代鈉離子電池，其能量密度可達 160Wh/kg。

1.2 政策 大力支持，推動產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善

鈉離子電池近年來受到了政策大力支持。鈉電池是鋰電池的有效補充，近年來技術(shù)也逐步成熟，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)逐步有小批量出貨。從政策層面，國家各部委以及地方政府出臺了多項政策鼓勵多種儲能技術(shù)并行發(fā)展。
國家開始推動鈉離子商業(yè)化，各項細節(jié)逐步完善。2021 年 10 月 12 日工信部答復(fù)《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中表示，鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的關(guān)鍵支撐之一。
工信部表示，下一步將在“十四五”相關(guān)規(guī)劃等政策文件中加強布局，從促進前沿技術(shù)攻關(guān)、完善配套政策、開拓市場應(yīng)用等多方面著手，做好頂層設(shè)計，健全產(chǎn)業(yè)政策，統(tǒng)籌引導(dǎo)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?？萍疾繉⒃凇笆奈濉逼陂g實施“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點專項，并將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，以進一步推動鈉離子電池的規(guī)?；?、低成本化，提升綜合性能。

2 鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈建立完成，各項環(huán)節(jié) 基本定型

2.1 正極 ：層狀氧化物綜合性能好，開始成為主流

鈉離子電池主要的正極材料有過渡金屬氧化物、普魯士藍，聚陰離子 等。 正極材料是影響電池能量密度、循環(huán)壽命等關(guān)鍵組部件，優(yōu)秀的鈉離子正極材料應(yīng)該具備： （1）原材料成本低，制備工藝簡單，更好的發(fā)揮鈉離子電池成本低的優(yōu)點；（2）具有氧化還原電對并且氧化還原電位夠高，有利于提高鈉離子電池的能量密度；（3）電子和離子傳導(dǎo)速率高，能實現(xiàn)快速的充放電；（4）材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，在鈉離子脫嵌過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生相變或相變可逆性高。
目前研究的最多的正極材料主要是以下三種：過渡金屬氧化物、普魯士藍/白化合物，聚陰離子。

過度金屬氧化物能量密度高， 是當前鈉離子電池的主流正極。過渡金屬氧化物正極材料（Na x MO 2 ，x≤1，M=過渡金屬元素及其組合）由于其合成方便、能量密度高的優(yōu)點，以及與已經(jīng)商用的鋰離子電池正極材料結(jié)構(gòu)類似，所以被廣泛認為是最有希望商業(yè)化的材料。根據(jù)分子式中鈉含量的差異，過渡金屬氧化物正極材料可分為兩類：隧道型過渡金屬氧化物（Na x MO 2 ，x≈0.44）和層狀過渡金屬氧化物（Na x MO 2 ，0.5≤x≤1）。
隧道型氧化物正極材料，顧名思義其晶體結(jié)構(gòu)是呈隧道狀，隧道型氧化物正極雖然又穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，但是其鈉離子點位較少，能量密度較低。層狀氧化物正極材料 Na x MO 2 的結(jié)構(gòu)是由MO6 三棱柱/八面體組成過渡層，形成可供鈉離子脫出/嵌入的二維傳輸通道，鈉離子則會占據(jù)這些通道中的位點形成鈉層，具有合成工藝簡單、能量密度高、優(yōu)秀的倍率等特點。目前層狀氧化物正極材料已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用在鋰電池領(lǐng)域，預(yù)計也會成為鈉離子電池的主流方向。

普魯士藍具有較好的穩(wěn)定性，但循環(huán)壽命較差，生產(chǎn)過程不環(huán)保。普魯士藍化合物KFe[Fe(CN) 6 ]是一種典型的立方晶體結(jié)構(gòu)，其所有的金屬離子位于立方體頂角，Na x MFe(CN) 6（M=Mn、Ni、Co、Zn、Cu 和 Fe 等）普魯士藍類似物材料由于具有開放的三維結(jié)構(gòu)，使其具有相對優(yōu)異的倍率性能和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。但由于其在合成過程中會產(chǎn)生劇毒的氰化氫，同時晶格中的配位水難除盡，嚴重影響電池的容量和循環(huán)性能。

聚陰離子正極穩(wěn)定性較強，但成本較高。聚陰離子型正極材料擁有堅固且開放的三維框架，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性非常高，因此聚陰離子型正極材料具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性與安全性能。類似 LiFePO 4 ，NaFePO 4 電化學(xué)性能較為優(yōu)異，但 NaFePO 4 能量密度較低。另一類被廣泛研究是以 Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 為代表的 NASICON 結(jié)構(gòu)材料，其具有高度開放的框架結(jié)構(gòu)，可以為鈉離子提供了三維擴散通道和很大的遷移間隙，具有出色的倍率性能。目前磷酸釩鈉已經(jīng)有小批量量產(chǎn)，但成本較高。

2.2 負極 ：硬碳最合適，但成本較高

目前鈉離子電池使用較多的負極是硬碳、軟碳。負極材料作為鈉離子電池的核心部件之一，影響著電池首次庫侖效率、倍率性能和循環(huán)耐久等特性。目前關(guān)于鈉離子電池負極材料研究最多的是碳基材料，相比于鋰電池中的石墨負極，傳統(tǒng)的石墨材料無法滿足高儲鈉能力，目前可以作為鈉離子電池的負極有：硬碳、軟碳、納米纖維、石墨烯和碳納米管。

硬碳是目前最適合鈉離子電池的負極。硬炭是即使在高于 3000 ℃的溫度下也不會轉(zhuǎn)變?yōu)槭囊环N炭材料。經(jīng)過了多年的研究，硬碳由于其高容量，合適的工作電勢和可持續(xù)性而成為鈉離子電池理想的負極材料，其大的層間距被認為有利于鈉離子的嵌入和脫出，并且可逆鈉儲存容量在 150-350 mAh/g。

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