01

概念與構(gòu)成

1.概念

鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作，與鋰離子電池工作原理相似，兩者都被稱為“搖椅式”電池。

鈉離子電池的主要構(gòu)成為正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體，其中正極和負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能決定著整個(gè)電池的儲(chǔ)鈉性能。正負(fù)極之間通過隔膜隔開防止短路，電解液浸潤(rùn)正負(fù)極作為離子流通的介質(zhì)，集流體起到收集和傳輸電子的作用。充電時(shí)，Na+從正極脫出，經(jīng)電解液穿過隔膜嵌入負(fù)極，使正極處于高電勢(shì)的貧鈉態(tài)，負(fù)極處于低電勢(shì)的富鈉態(tài)。放電過程則與之相反，Na+從負(fù)極脫出，經(jīng)由電解液穿過隔膜重新嵌入到正極材料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。為保持電荷平衡，充放電過程中有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Na+一起在正負(fù)極間遷移，使正負(fù)極發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。鈉離子電池工作原理與鋰離子基本類似，這也給鈉電池的產(chǎn)業(yè)化打下良好基礎(chǔ)。

2.構(gòu)成

（1）正極材料：層狀過渡金屬氧化物vs普魯士類化合物vs聚陰離子化合物

正極材料主要為電池提供離子源，決定了電池的能量密度。目前正極材料主要有三種路線，分別是層狀過渡金屬氧化物、普魯士類化合物和聚陰離子化合物，前兩者在商業(yè)應(yīng)用上的實(shí)踐更為廣泛，典型代表分別是中科海鈉和寧德時(shí)代。

①層狀過渡金屬氧化物NaxMO2（M為過渡金屬元素，如Mn、Ni、Cr、Fe、Ti和V及其復(fù)合材料）比容量高且易于加工量產(chǎn)，可以分為單金屬氧化物、二元金屬氧化物、三元金屬氧化物和多金屬氧化物，在合成與電池制造方面與鋰電池有相似之處。其中單層金屬氧化物是參照鋰電池LiCoO2研究，但是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而摻入多種元素的二元或三元金屬氧化物可以具有較高的可逆容量及較好的循環(huán)壽命，但同時(shí)也提升了成本。在產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面得到了較為廣泛的應(yīng)用，其中英國(guó)Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元層狀氧化物正極材料，電池能量密度超過160Wh/kg，循環(huán)壽命在3000次以上，未來有進(jìn)一步提升的空間。中科海鈉采用了Cu-Fe-Mn三元層狀氧化物正極材料，電池能量密度達(dá)到135Wh/kg，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。

②魯士類化合物是過渡金屬六氰基鐵酸鹽NaxMa[Mb(CN)6](Ma為Fe、Mn或Ni等元素，Mb為Fe或Mn)，具有開放框架結(jié)構(gòu)，有利于鈉離子的快速遷移，氧化還原活性位點(diǎn)較多，具有較高的理論容量，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)。但是另一方面晶體骨架中存在較多的空位和大量結(jié)晶水，會(huì)影響削弱材料的比容量和庫(kù)倫效率，影響穩(wěn)定性和循環(huán)性能。這些缺點(diǎn)需要通過技術(shù)研發(fā)來彌補(bǔ)，目前主要方式有采用納米結(jié)構(gòu)、表面包覆、金屬元素參雜、改進(jìn)合成工藝降低配位水和空位等。產(chǎn)業(yè)實(shí)踐以寧德時(shí)代為代表，其開發(fā)的普魯士白（NaxMn[Fe(CN)6]）材料可以較好地控制結(jié)合水形成，鈉電樣品的能量密度達(dá)到160Wh/kg。

③陰離子類化合物NaxMy[(XOm)n-]z(M為可變價(jià)態(tài)的金屬離子如Fe、V等，X為P、S等元素)具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，同時(shí)也具有工作電壓高和循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)，但是比容量較低且導(dǎo)電性偏低，目前主要采用碳材料包覆、氟化、參雜、不同陰離子集團(tuán)混搭、尺寸納米化及形成多孔結(jié)構(gòu)等方式改善。產(chǎn)業(yè)實(shí)踐相較前兩者少一些，典型代表主要是法國(guó)Tiamat和中國(guó)的鵬輝能源。

?

（2）負(fù)極材料：優(yōu)選碳基材料

負(fù)極材料是鈉離子電池充放電過程中離子和電子的載體，決定能量?jī)?chǔ)存與釋放，優(yōu)選碳基材料。由于鈉離子與鋰離子的半徑不同，鈉離子無(wú)法在石墨中有效嵌入脫出，如果要應(yīng)用石墨就必須要擴(kuò)大石墨層間距，普通石墨材料很難實(shí)現(xiàn)。目前，可應(yīng)用于鈉離子電池的負(fù)極材料有無(wú)定形碳、金屬化合物和合金類材料，由于合金類材料大多體積變化大，循環(huán)較差；金屬化合物容量較低，因此無(wú)定形碳是目前最為主流的負(fù)極材料，比容量可達(dá)200-450mAh/g，分為硬碳和軟碳，主要由隨機(jī)分布的類石墨微晶構(gòu)成，沒有石墨長(zhǎng)程有序和堆積有序的結(jié)構(gòu)。軟碳在高溫下可以完全石墨化，導(dǎo)電性能優(yōu)良；硬碳的優(yōu)點(diǎn)在于儲(chǔ)鈉容量高、嵌鈉電位低，高比容量易合成，其在鈉電的容量（200-450mAh/g）與石墨在鋰電中的容量（375mAh/g）相媲美，應(yīng)用更為廣泛。但目前硬碳也面臨著如倍率性能弱、平臺(tái)電位低而在高倍率下電池可能有風(fēng)險(xiǎn)的問題，同時(shí)成本較高（約10-20萬(wàn)/噸），仍需要進(jìn)一步優(yōu)化，降本增效。

產(chǎn)業(yè)內(nèi)，日本公司Kuraray的硬碳產(chǎn)品非常成熟，其硬碳價(jià)格約在18萬(wàn)/噸；國(guó)內(nèi)主要的負(fù)極材料廠商有杉杉股份、貝特瑞和璞泰來等。寧德時(shí)代開發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料。中科海鈉創(chuàng)新性地使用無(wú)煙煤作為前驅(qū)體開發(fā)的高溫裂解無(wú)煙煤負(fù)極可逆比容量約220mAh/g。

（3）電解液與隔膜：近似鋰電

電解液是傳輸離子的載體，由電解質(zhì)、溶劑和添加劑構(gòu)成。鈉離子電池的電解質(zhì)與鋰離子電池極為相似，以鈉鹽替代鋰鹽，如高氯酸鈉等，其成本低于鋰鹽。溶劑分為水系和非水系，大部分沿用鋰電采用的酯類有機(jī)溶劑。添加劑方面幾乎同鋰離子電池相比沒有區(qū)別。

隔膜一方面用以隔開正、負(fù)極，一方面形成充放電回路使離子通過，鈉離子電池與鋰離子電池在隔膜方面技術(shù)相近，鋰電池廣泛應(yīng)用的PP/PE隔膜可以復(fù)用，但鈉離子電池更多采用玻纖隔膜，成本更低。

（4）集流體：使用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電

鈉電集流體采用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電。集流體是用來連接粉末狀活性物質(zhì)，并將將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質(zhì)。在石墨基鋰電池中，因?yàn)殇嚂?huì)與鋁反應(yīng)產(chǎn)生合金，因此負(fù)極必須采用銅箔作為集流體。而在鈉離子電池中，鈉和鋁不會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生合金，因此正負(fù)極集流體都可以采用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電池。

02

發(fā)展歷史

鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)問世于70年代，但二者的研究歷程略有不同。當(dāng)時(shí)率先出現(xiàn)的鈉二次電池是鈉硫電池，以單質(zhì)硫和金屬鈉為正負(fù)極，β-氧化鋁快離子導(dǎo)體為固態(tài)電解質(zhì)，工作溫度在300~350℃。這種高溫鈉硫電池的能量密度較高（150~240Wh/kg），循環(huán)壽命達(dá)2500次，而與之相似的鋰硫電池則循環(huán)壽命僅不到10次。為了提高鈉二次電池的安全性，人們對(duì)室溫鈉離子電池進(jìn)行了研發(fā)，采用了與鋰離子電池類似的思路，正極材料經(jīng)歷了層狀過渡金屬硫化物（TiS2）到層狀氧化物（NaxCoO2）和磷酸鹽（Na3M2(PO4)3,M為過渡金屬）的歷程。但到了80年代末期，鈉離子電池的研究遇冷，相關(guān)研究幾乎停滯。究其原因有三點(diǎn)：第一，難以找到合適的負(fù)極材料（能在酯類溶劑中高效儲(chǔ)鋰的石墨卻難以儲(chǔ)鈉）；第二，研究條件有限（系統(tǒng)水氧含量較高，難以用金屬鈉作為基準(zhǔn)電極開展材料評(píng)估實(shí)驗(yàn)）；第三，鋰離子電池獨(dú)占鰲頭（大量的研究者把方向錨定在鋰離子電池上）。

直到21世紀(jì)，鈉離子電池迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。2000年，人們發(fā)現(xiàn)由葡萄糖熱解得到的硬碳材料具有高達(dá)300mAh/g的儲(chǔ)鈉比容量，為鈉離子電池提供了一種至關(guān)重要的負(fù)極材料。2007年，聚陰離子正極材料Na2FePO4F被發(fā)現(xiàn)，該材料的嵌脫體積形變率僅3.7%，幾乎沒有應(yīng)變。在2000年至2010年間，鈉離子電池的研究速度較為平緩，主要集中在少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)。2010年后，鈉離子電池研究進(jìn)入了春天，新的材料體系不斷涌現(xiàn)，并逐步嘗試產(chǎn)業(yè)化。

03

政策支持

1.我國(guó)相關(guān)政策

聚焦可再生能源利用儲(chǔ)能、動(dòng)力電池方面，提出2025年新型儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)千瓦以上，開展鈉離子電池等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。2021年，《關(guān)于印發(fā)2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》提出，聚焦可再生能源大規(guī)模利用儲(chǔ)能、動(dòng)力電池等重點(diǎn)，深化應(yīng)用基礎(chǔ)研究；2021年，《關(guān)于鼓勵(lì)可再生能源發(fā)電企業(yè)自建或購(gòu)買調(diào)峰能力增加并網(wǎng)規(guī)模的通知》提出，鼓勵(lì)可再生能源發(fā)電企業(yè)與儲(chǔ)能電站等簽訂新增消鈉能力的協(xié)議或合同，明確市場(chǎng)化調(diào)峰資源的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)等責(zé)任義務(wù)；2021年，《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出，到2025年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬(wàn)千瓦以上；2022年，《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》指出，到2025年，新型儲(chǔ)能由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段、具備大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用條件，開展鈉離子電池、新型鋰離子電池等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

2.國(guó)外相關(guān)政策

國(guó)外方面，歐美明確提升鈉離子電池的戰(zhàn)略地位。2019年，歐盟儲(chǔ)能計(jì)劃“電池2030”項(xiàng)目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位；同年，提出“Fitfor55”一攬子計(jì)劃，預(yù)計(jì)2030年可再生能源在總能源供應(yīng)中的占比目標(biāo)，從原來的40%提高到45%；2020年，美國(guó)能源部明確將鈉離子電池作為儲(chǔ)能電池的發(fā)展體系，公布《基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃》，指出2035年實(shí)現(xiàn)100%無(wú)碳電力以及清潔能源發(fā)電。

04

性能及優(yōu)勢(shì)

鈉離子電池的技術(shù)可行性可以從以下幾方面考慮：

1.鋰資源供不應(yīng)求，鈉資源豐富、成本低廉

鈉與鋰同屬于堿金屬元素，在物理及化學(xué)性能方面具有相似的部分，兩者都可以作為電池金屬離子的載體。近年來隨著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，鋰資源進(jìn)入供不應(yīng)求的供需格局。截至2022年7月29日，電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格47.0萬(wàn)元/噸，較2021年初提升8.3倍。2022年6月中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量59萬(wàn)輛，滲透率達(dá)23.6%。自2022年2月起，國(guó)內(nèi)電動(dòng)車產(chǎn)量滲透率始終維持在20%以上。鋰行業(yè)2022-2023年仍處于供應(yīng)偏緊狀態(tài)，不排除2022年下半年鋰價(jià)重回50萬(wàn)元/噸以上的可能性。而鈉資源在地殼中元素豐度較高，成本更低，截至2022年7月29日，碳酸鈉價(jià)格僅為2782元/噸。另外，鈉離子電池正極和負(fù)極的集流體都可使用廉價(jià)的鋁箔，可進(jìn)一步降低電池體系成本。

2.鈉離子電池性能優(yōu)秀

從電池性能角度來看，鈉離子電池也同樣優(yōu)秀。2022年5月10日電池行業(yè)龍頭寧德時(shí)代在互動(dòng)平臺(tái)表示，公司于2021年發(fā)布鈉離子電池，其電芯單體能量密度高達(dá)160Wh/kg，常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上，在-20%℃低溫環(huán)境中，也擁有90%以上的放電保持率，系統(tǒng)集成效率可達(dá)80%以上。公司正致力于推進(jìn)鈉離子電池在2023年實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，即具有更好的界面離子擴(kuò)散能力。同時(shí)，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導(dǎo)率；更高的離子擴(kuò)散能力和更高的離子電導(dǎo)率意味著鈉離子電池的倍率性能更好，功率輸出和接受能力更強(qiáng)，已公開的鈉離子電池具備3C及以上充放電倍率，在規(guī)模儲(chǔ)能調(diào)頻時(shí)應(yīng)用時(shí)，可以得到很好的應(yīng)用。

3.鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異

在-40℃低溫下可以放出70%以上容量，高溫80℃可以循環(huán)充放使用，這將在儲(chǔ)能系統(tǒng)層面降低空調(diào)系統(tǒng)的功率配額，也可以降低溫度控制系統(tǒng)的在線時(shí)間，進(jìn)而降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的一次投入成本和運(yùn)行成本。

4.安全、環(huán)保方面鈉電具備較強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

安全性方面，由于鈉離子電池內(nèi)阻相對(duì)較高，發(fā)生短路時(shí)的瞬間發(fā)熱量相對(duì)鋰電池小，溫升相對(duì)較低，具備更高安全性；同時(shí)，鈉電中正負(fù)極都采用鋁箔，電池的結(jié)構(gòu)和組分更簡(jiǎn)單，也更易于回收再利用，使鈉電池具備綠色環(huán)保性質(zhì)。相比之下，鉛酸電池中含有的鉛、酸成分會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此環(huán)保性較差。

5.鈉電池成本優(yōu)勢(shì)凸顯潛力

2020年3月碳酸鋰市場(chǎng)均價(jià)為5.03萬(wàn)元/噸；碳酸鈉市場(chǎng)均價(jià)為1481元/噸。2022年7月29日，碳酸鋰價(jià)格為47.0萬(wàn)元/噸，則對(duì)應(yīng)鋰離子電池原料成本上升為0.77元/Wh；碳酸鈉市場(chǎng)均價(jià)為2782元/噸，單噸僅上漲近1301元，遠(yuǎn)小于碳酸鋰的漲價(jià)幅度。

雖然鈉電池核心的能量密度及循環(huán)壽命指標(biāo)均弱于鋰電池，但其成本優(yōu)勢(shì)仍使其在儲(chǔ)能等下游應(yīng)用場(chǎng)景具有較高經(jīng)濟(jì)性。以鉛蓄電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈉離子電池儲(chǔ)能為例，采用模型計(jì)算各類電池在調(diào)峰應(yīng)用場(chǎng)景下的全生命周期度電成本，在計(jì)及電力損耗的情況下，鈉電池的度電成本上限分別較鉛蓄電池、磷酸鐵鋰電池以及三元鋰電池低52.2%，32.4%，54.3%。

05

當(dāng)前問題及技術(shù)展望

1.當(dāng)前問題：材料欠佳、成本偏高、標(biāo)準(zhǔn)未定

（1）材料研究有待深入：硬碳機(jī)理，性能提升，安全評(píng)估

目前學(xué)術(shù)界對(duì)于硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)理尚存諸多爭(zhēng)議，并未完全闡明。為改善現(xiàn)有硬碳負(fù)極首周效率較低等缺陷，必須深入理解其儲(chǔ)鈉的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為技術(shù)研發(fā)提供最根本的理論指導(dǎo)。

現(xiàn)有鈉離子電池的材料性能尚有較大的改良空間?？傮w而言，現(xiàn)階段的鈉離子電池的能量密度與理論值存在較大差距，而且其循環(huán)性能也需要進(jìn)一步提升。一方面，需要對(duì)活性材料進(jìn)行不斷改進(jìn)。另一方面，也需要考慮其整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和集成管理。

對(duì)鈉離子電池的實(shí)際運(yùn)行安全性需要審慎評(píng)估。當(dāng)前，對(duì)鈉離子電池的安全測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在電芯層面，結(jié)果顯示雖安全性較高，但實(shí)際運(yùn)行后的安全性則亟待觀察，不宜盲目樂觀。尤其是普魯士藍(lán)正極，其在熱失控情況下會(huì)釋放出氫氰酸、氰氣等劇毒氣體。

（2）成本優(yōu)勢(shì)有待實(shí)現(xiàn)：技術(shù)研發(fā)和規(guī)模效應(yīng)缺一不可

鈉離子電池成本的降低依賴于持續(xù)技術(shù)迭代對(duì)可變成本的削減，以及規(guī)模化量產(chǎn)對(duì)固定成本的攤薄。理論上，鈉離子電池的確具有很大的材料成本優(yōu)勢(shì)，但目前產(chǎn)品的實(shí)際總成本在1元/Wh以上，還高于磷酸鐵鋰，這主要是由于現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度不夠而且尚未出現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。一方面，電極材料的種類、制造工藝等都未標(biāo)準(zhǔn)化，而前驅(qū)體也缺乏穩(wěn)定可靠的供應(yīng)鏈，這導(dǎo)致電極材料的良率、一致性偏低，實(shí)際成本較高，這只能通過持續(xù)的技術(shù)探索改進(jìn)。另一方面，生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格較高且折舊損耗較大，約占制造成本的20~30%，這只能通過規(guī)模化量產(chǎn)進(jìn)行攤薄。

（3）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待制定：規(guī)范市場(chǎng)秩序，促進(jìn)健康發(fā)展

鈉離子電池行業(yè)需要建立科學(xué)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范企業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展?，F(xiàn)階段，從事鈉離子電池研發(fā)生產(chǎn)的廠商的技術(shù)路線各不相同，孰優(yōu)孰劣存在較大爭(zhēng)議。目前，廠商主要是參照鋰離子電池，結(jié)合鈉離子電池特性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，制定適合各自企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范，并以此指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝、確保產(chǎn)品的良率和一致性，這導(dǎo)致了不同企業(yè)之間的產(chǎn)品性能和技術(shù)水平參差不齊。行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一制定，能起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用，是實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)的必要保障。尤其是安全標(biāo)準(zhǔn)，更是約束產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場(chǎng)秩序和促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

2.技術(shù)展望：增強(qiáng)安全性，提高比能量

（1）水系鈉離子電池：本征安全的鈉離子電池

以水溶液電解質(zhì)替換有機(jī)電解質(zhì)，能從根本上提高鈉離子電池的安全性。當(dāng)前的鈉離子電池延續(xù)了鋰離子電池的有機(jī)電解液體系，因此無(wú)法從根本上規(guī)避爆燃風(fēng)險(xiǎn)，若將其替換為水溶液，不僅能大大提高安全性，還能簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，同時(shí)降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染。目前人們已經(jīng)報(bào)道了大量的水系鈉離子電池體系方案，其中普魯士藍(lán)體系的循環(huán)性能最佳，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化嘗試，代表性企業(yè)有Natron Energy、賁安能源等。長(zhǎng)期來看，水系鈉離子電池是一個(gè)非常有前景的方向，尤其適用于儲(chǔ)能領(lǐng)域。

（2）固態(tài)鈉離子電池：高能量密度鈉離子電池

以固態(tài)電解質(zhì)材料替換液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)，能夠制造出固態(tài)鈉離子電池。由于避免了易燃易爆的有機(jī)溶劑，電池的安全性得到了實(shí)質(zhì)性提升，并且大大拓寬了電化學(xué)窗口，使得高電勢(shì)正極材料和金屬鈉負(fù)極的使用成為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外，由于正負(fù)極之間有剛性的固態(tài)電解質(zhì)阻隔，因而不再需要單獨(dú)設(shè)置隔膜，再配合雙極性電極工藝，電池的系統(tǒng)能量密度還能進(jìn)一步提升。此類材料目前面臨室溫電導(dǎo)率較低、界面阻抗很大等難題，其產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日。

（3）多客體共嵌負(fù)極：石墨作為普適性負(fù)極

石墨負(fù)極在“多客體共嵌反應(yīng)”中同樣可以實(shí)現(xiàn)絡(luò)合鈉離子的有效嵌脫。由于鈉離子-石墨嵌入反應(yīng)的ΔG＞0，因此鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以對(duì)石墨層間進(jìn)行有效嵌脫，故而難以使用石墨負(fù)極。事實(shí)上，在醚類溶劑中，鈉離子與醚氧原子形成配位鍵，能以配位離子的形式共同嵌入石墨層間。這種“多客體共嵌反應(yīng)”具有重要的啟發(fā)意義。一方面，這意味著石墨負(fù)極也可能作為鈉離子電池負(fù)極，從而與鋰離子電池共用材料產(chǎn)線，有利于規(guī)?；党杀尽Ａ硪环矫?，這為設(shè)計(jì)新一代多電荷離子電池提供了可能性。但是，醚類電解液的穩(wěn)定性偏弱，易與正極發(fā)生反應(yīng)，有待進(jìn)一步深入研究。

?

近十年，鈉離子電池基礎(chǔ)研究數(shù)量快速增長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)室鈉離子電池性能實(shí)現(xiàn)跨越式提升，能量密度超過200wh/kg，已超越磷酸鐵鋰電池理論能量密度。長(zhǎng)期來看，商業(yè)化鈉離子電池能量密度有望超越磷酸鐵鋰電池。但需要注意的是，從技術(shù)端向產(chǎn)業(yè)端的傳導(dǎo)仍需要較長(zhǎng)時(shí)間的磨合。從目前產(chǎn)業(yè)端公布的數(shù)據(jù)來看，鈉離子電池能量密度比磷酸鐵鋰電池低約20%，相較于大部分磷酸鐵鋰電池6000次以上的循環(huán)性能，鈉離子電池循環(huán)性能約在4500次以上。國(guó)泰君安認(rèn)為，真正實(shí)現(xiàn)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化可能仍需2-3年時(shí)間。層狀金屬氧化物正極路線由于發(fā)展最為成熟，可能將走在產(chǎn)業(yè)化前列。

06

產(chǎn)業(yè)鏈

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈與鋰離子電池類似，包含上游、中游、下游三個(gè)部分。

1.上游

原材料供給和電極材料合成，主要原材料包括純堿、鋁箔、錳礦等，以及各類輔材，涉及基礎(chǔ)化工和有色金屬等產(chǎn)業(yè)。

2.中游

電芯封裝、電池系統(tǒng)構(gòu)建與集成等，涉及各類耗材和電子元器件。

3.下游

終端應(yīng)用市場(chǎng)，主要包括儲(chǔ)能和低速電動(dòng)交通工具等。

由于鈉離子電池具備可觀的能量密度、優(yōu)秀的倍率性能以及顯著的成本優(yōu)勢(shì)，在新能源電池同行中性價(jià)比較高，未來將被應(yīng)用至大規(guī)模儲(chǔ)能以及低速交通工具領(lǐng)域。其中，大規(guī)模儲(chǔ)能主要包括風(fēng)力電站、太陽(yáng)能電站以及家庭儲(chǔ)能；低速交通工具主要包括物流車、農(nóng)具車、電動(dòng)車以及電動(dòng)船。

?

07

相關(guān)龍頭

1.國(guó)內(nèi)企業(yè)：中科海鈉處領(lǐng)先地位

國(guó)內(nèi)鈉電企業(yè)大致分為兩類，一類是以中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源為代表的專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)型企業(yè)，這些公司擁有實(shí)力雄厚的科研團(tuán)隊(duì)以及豐富的鈉電池研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)進(jìn)度也相對(duì)較快。另一類是以寧德時(shí)代為代表，包括圣陽(yáng)股份以及欣旺達(dá)等公司，這些公司基本為鉛酸電池、鋰電池等領(lǐng)域的龍頭，為擴(kuò)展業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型發(fā)展鈉電池。相較于中科海鈉等企業(yè)，這些公司擁有較為成熟的產(chǎn)業(yè)布局，能為鈉電池的生產(chǎn)布局提供經(jīng)驗(yàn)。

截至目前，行業(yè)內(nèi)大部分公司處于小規(guī)模試產(chǎn)階段，行業(yè)整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模尚未成型。我國(guó)最早開展鈉離子電池相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)為中科院物理所，并于2017年成立中科海鈉公司開始產(chǎn)業(yè)布局，國(guó)內(nèi)其他企業(yè)例如鈉創(chuàng)新能源、鵬輝能源以及眾鈉能源等均集中在2021年以后開始逐漸投產(chǎn)，而圣陽(yáng)股份以及欣旺達(dá)等公司仍處于研發(fā)階段。

主要公司投產(chǎn)進(jìn)度：

（1）中科海鈉

打造全球首個(gè)具有里程碑意義的1MWh鈉離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)。中科海鈉由中國(guó)工程院院士陳立泉、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員胡勇勝等人領(lǐng)導(dǎo)，在國(guó)內(nèi)、外的鈉離子電池研發(fā)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，公司與股東華陽(yáng)股份展開合作，迅速布局落實(shí)鈉離子電池產(chǎn)能。2018年，首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車亮相；2019年，全球首座30kW/100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站問世，標(biāo)志著鈉離子電池的商業(yè)化之路正式開啟；2020年，鈉離子電池產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，電芯產(chǎn)能達(dá)到30萬(wàn)只/月，海外訂單第一期十萬(wàn)只，國(guó)內(nèi)聯(lián)合開發(fā)產(chǎn)品出貨量數(shù)萬(wàn)只；2021年，與華陽(yáng)股份合作打造了全球首個(gè)具有里程碑意義的1MWh鈉離子電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，具有產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用價(jià)值；2022年，全球首條鈉離子電池一期1GWh規(guī)?；慨a(chǎn)線預(yù)計(jì)將正式投產(chǎn)，總規(guī)劃產(chǎn)能5GWh，分兩期建設(shè)。

（2）鈉創(chuàng)新能源

年產(chǎn)8萬(wàn)噸鈉離子電池正極材料項(xiàng)目于2021年正式簽約。公司于2018年成立，由上海交通大學(xué)教授馬紫峰鈉離子電池技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)支持，集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體，致力打造具有全球影響力的鈉離子電池系統(tǒng)創(chuàng)新企業(yè)。2021年5月，推出鈉離子電池-甲醇重整制氫-燃料電池綜合能源產(chǎn)品，其中300W、5000W功率規(guī)格系統(tǒng)已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣實(shí)施；2021年7月，與愛瑪合作推出全球首批鈉離子電池驅(qū)動(dòng)的雙輪電動(dòng)車；2021年11月，年產(chǎn)8萬(wàn)噸鈉離子電池正極材料項(xiàng)目正式簽約，總投資15億元，建設(shè)包括鐵酸鈉三元正極材料等在內(nèi)的鈉離子電池關(guān)鍵材料。

（3）寧德時(shí)代

計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。公司成立于2011年，是國(guó)內(nèi)率先具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的鋰電池制造商之一，專注于新能源汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。2021年7月，公司舉行鈉離子電池發(fā)布會(huì)，宣布正式進(jìn)軍鈉離子電池行業(yè)，并稱鈉離子電池能量密度達(dá)到160Wh/kg，是目前全球最高水平，計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。

2.國(guó)外其他企業(yè)：主要聚焦于車用鈉電池開發(fā)和應(yīng)用

國(guó)外龍頭企業(yè)集中于2020年開始布局鈉電池生產(chǎn)，包括Faradion、Natron Energy以及Tiamat Energy等公司，主要聚焦于車用鈉電池的開發(fā)和生產(chǎn)。其中，F(xiàn)aradion公司在2020年簽署了多個(gè)車用鈉電池生產(chǎn)訂單，并于2021年7月宣布將鈉離子電池應(yīng)用于光伏電站儲(chǔ)能。其他企業(yè)例如Tiamat Energy，仍在進(jìn)行針對(duì)混合動(dòng)力汽車上鈉離子電池應(yīng)用進(jìn)行大規(guī)模測(cè)試。

08

市場(chǎng)規(guī)模分析

雙碳政策背景下，清潔能源重要性不斷提高。面對(duì)近些年來日益突出的氣候、環(huán)境問題，各國(guó)先后提出碳減排目標(biāo)。其中，我國(guó)提出碳排放在2030年前達(dá)到峰值，在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。根據(jù)碳排放估算數(shù)據(jù)庫(kù)Carbon Monitor統(tǒng)計(jì)，2021年，電力行業(yè)、交通行業(yè)碳排放比較多，約占全球碳排放比重分別為38.9%、20.3%，因此提高電力行業(yè)中風(fēng)電、光伏等清潔能源發(fā)電占比、加大新能源車普及力度顯得十分必要，未來新能源電池在碳減排目標(biāo)中的地位將不斷提升。

新能源轉(zhuǎn)型趨勢(shì)加速，動(dòng)力電池、儲(chǔ)能電池需求空間上升。

新能源汽車銷量大幅增長(zhǎng)，電動(dòng)化率不斷提高。2021年我國(guó)新能源汽車銷量為352.1萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)157.6%，電動(dòng)化率為13.4%，同比增長(zhǎng)8個(gè)百分點(diǎn)；2021年歐洲30國(guó)實(shí)現(xiàn)新能源乘用車注冊(cè)量226.3萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)65.7%，電動(dòng)化率為19.2%，同比增長(zhǎng)7.7個(gè)百分點(diǎn)；2021年美國(guó)新能源輕型車實(shí)現(xiàn)銷量71.6萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)124.6%，電動(dòng)化率為4.8%，同比增長(zhǎng)2.6個(gè)百分點(diǎn)。

?

我們預(yù)計(jì)2025年鈉離子電池在動(dòng)力電池領(lǐng)域的需求量超過16GWh，2030年需求量超過51GWh。假設(shè)：（1）我們預(yù)計(jì)2022-2030年我國(guó)兩輪電動(dòng)車銷售增速為5%；（2）2022-2030年A00級(jí)電動(dòng)車銷量增幅為20%；（3）兩輪電動(dòng)車和A00級(jí)電動(dòng)車的單車帶電量分別假設(shè)為0.71KWh/輛、21KWh/輛；（4）兩輪電動(dòng)領(lǐng)域，2022-2026年鈉電池滲透率分別為0%/2%/10%/20%/30%，2027年-2030年維持在50%，A00級(jí)電動(dòng)車領(lǐng)域，2022-2026年鈉電池滲透率分別為0%/2%/10%/20%/25%，2027年-2030年維持在25%。

?

可再生能源裝機(jī)熱潮下儲(chǔ)能裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2025/2030年儲(chǔ)能新增容量為95.5/135.4GWh，測(cè)算鈉離子電池2025/2030年儲(chǔ)能新增需求量分別為19/68GWh。2021年我國(guó)可再生能源新增裝機(jī)規(guī)模為134GW，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為1068GW，中國(guó)新增儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模為7.4GW，同比上漲190%。假設(shè)：（1）2022-2030年每年可再生能源新增裝機(jī)135GW；（2）考慮到未來儲(chǔ)能重視程度上升，新增裝機(jī)儲(chǔ)能配比從2022年的8%提升至2025年及以后的20%；（3）風(fēng)光新增裝機(jī)儲(chǔ)能配比相同；（4）存量裝機(jī)儲(chǔ)能配比從2022年的0.1%提升至2025年及以后的0.3%；（5）鈉電池儲(chǔ)能滲透率逐步提高，從2022年的0%提升至2025年20%、至2030年50%。