钠离子电池行业分析报告：应用拓宽降本可期，产业化迈入快车道

（报告出品方/作者：东方证券，卢日鑫，李梦强，林煜，杨雨浓）

全球锂资源稀缺，价格居于高位，制约锂电产业良性发展。锂资源在自然界的储量较低，地壳丰 度仅0.002%，且全球范围内分布极不均匀，集中于南美和澳洲，智利、澳大利亚、阿根廷三国储 量占比合计达 76%，而我国作为锂资源消耗大国，自有资源储量不足 7%。资源稀缺叠加锂离子 电池应用领域和需求量不断增加，锂价急剧攀升，截至 2022 年 12 月已突破 55 万元/吨，相较于 2020 年 7 月涨幅近 1300%。锂电池材料成本也随之翻倍上涨，产业链利润向上游资源端集中， 中下游含锂环节盈利持续承压，长期良性发展受到制约。

供应安全与降本诉求日趋提升，钠离子电池迎来历史发展机遇。锂盐的供需错配或仍将维持，市 场开始寻求锂离子电池的替代方案，钠离子电池因此获得历史性发展契机。一方面，钠资源储量 丰富，地壳丰度达 2.64%，是锂资源的 440 倍，供给充足且价格低廉，可以极大缓解缺锂焦虑；另一方面，钠盐在全球范围内分布均匀，基本不受国际形势与地缘政治变化影响，供应链安全得 到保障。因此越来越多企业将资本与精力投向钠离子电池产业链，推动技术突破，产业化进程加 速。

工作原理和电池架构相似，生产工艺和产线设备通用。钠离子电池的充放电原理与锂离子电池基 本一致，均为典型的“摇椅式”充放电机制。并且，钠与锂属于同主族元素，具有相似的物理化 学性质，可以在相似的材料结构中进行可逆的嵌入与脱出。因此，钠离子电池与锂离子电池的工 艺兼容度高，产线切换成本低，具备较好产业化基础。

能量密度与循环寿命远胜铅酸，不及锂电，定位近似磷酸铁锂电池。由于钠比锂具有更大的离子 半径和摩尔质量，在同类型的电极材料中，钠离子电池的理论能量密度明显低于锂离子电池。磷 酸铁锂电池的能量密度主要分布在 160Wh/kg 左右，三元锂电池的能量密度则更高，超过 200Wh/kg，而目前主流钠离子电池的能量密度普遍在 100-150Wh/kg，整体不及锂电池，但与磷 酸铁锂电池的能量密度区间存在部分重叠，远远超出铅酸电池。钠离子较大的体积还会造成循环 性能的不稳定，现阶段钠电池的循环寿命普遍在 2000-3000 次，远高于铅酸，但较磷酸铁锂电池 3000-6000 次的循环寿命仍存在差距。因此综合来看钠离子电池与磷酸铁锂电池的性能指标最接 近，定位较为相似。

倍率、低温和安全性能占优，具有差异化应用潜能。钠离子电池具有其特有优势：（1）倍率性 能：钠离子的斯托克斯直径小于锂离子，因此具有更高的离子导电率，可以实现更加快速的充放 电；（2）低温性能：锂离子电池在低温下易发生严重的容量衰减，而钠离子电池在低温环境下 的性能更加优异，实际可用容量及充放电倍率显著优于锂离子电池；（3）安全性能：在过充、 过放、短路、针刺、挤压等破坏性测试中，钠离子电池瞬间发热量少、温升较低，表现出更好的 安全性和稳定性。因此，钠离子电池不应仅被视作锂电池的低配替身，而是在特定场景中具备更 强的应用潜能。

成本优势为产业化进程加速的关键推手，规模量产后降本空间可期。由于锂资源和钠资源的储量 和价格差异，钠离子电池在价值量占比较高的正极材料上即具备极大的天然成本优势。除此之外， 钠离子电池的成本差异还体现在：（1）由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应，钠离子电池 正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔；

（2）钠离子电池可使用低浓度电解液，电解液成本 也有所降低。当前产业化瓶颈主要在于产业链尚未成熟，材料成本尚存下降空间，且量产工艺尚 不完善，良率有待进一步提高。假设规模量产后钠离子电池正、负极材料价格降至 6 万元/吨，钠 离子电池的理论 BOM 成本将低至 0.44 元/Wh。当前碳酸锂单价 55 万元/吨，对应磷酸铁锂电芯的 BOM 成本为 0.69 元/Wh，因此钠离子电池产业化成熟后，相对于碳酸锂高位时期的锂电池将 具备 0.25 元/Wh 的成本优势。长期来看碳酸锂存在降价可能，但只要碳酸锂价格高于 15 万元/吨， 钠离子电池的成本优势就依然存在，并且随着技术不断发展、产业不断成熟，钠离子电池的降本 空间有望进一步打开，该成本临界点仍有进一步下探的可能。

两轮车率先放量，将成钠离子电池应用初期的主战场。综合考虑初期性能、成本等因素，钠离子 电池最先有望取代铅酸电池，斩获电动两轮车市场。2019 年电动两轮车新国标提高了整车质量、 电池安全性和装机功率等要求。按照新国标规定，传统铅酸电池重量过大，极易导致整车质量超 标，钠离子电池的能量密度和环保性显著占优；而锂电池价格昂贵，面向对价格十分敏感的两轮 车终端用户，钠离子电池的成本优势愈加凸显。随着新国标过渡期走向尾声，各地对非标电动两 轮车的限制和管控趋于严格，钠离子电池恰逢其时，满足了两轮车寻求新的电池技术替代方案的 迫切需求。

切入 A00 级电动车，可部分替代磷酸铁锂。A00 级车型定位着眼于极致性价比，标称续航里程短， 对电池能量密度要求不高，钠离子电池当前性能指标已能够匹配这一细分市场的动力电池应用需 求，可逐步替代小型车中的磷酸铁锂电池。A00 级车型的目标客群对价格敏感程度高，在原材料 维持高价的情况下，原本单车利润微薄的 A00 级车型将面临最大价格压力，若上调售价，则销量 可能受到直接冲击，并失去产品的核心竞争力。因此钠离子电池作为更具性价比的替代方案极具 吸引力。

储能电池对经济性诉求更盛，循环寿命瓶颈有待突破。钠离子电池适合对能量密度要求不高，但 对成本比较敏感的场景，电力储能对安全性、成本要求较高，但对占地空间要求较低，钠离子电 池储能便是一个很好的选择。但目前钠离子电池的循环寿命还不能达到储能电池的要求，未来若 能在循环寿命较长的聚阴离子路线取得技术突破，则有望在户用储能电池中实现应用。

正极：三大路线各有优劣，层状氧化物为现阶段主流

钠离子电池正极材料存在三种技术路线。钠离子电池的电化学性能主要取决于电极材料的结构和 性能，通常认为，正极材料的性能（如比容量、电压和循环性）是影响钠离子电池的能量密度、 安全性以及循环寿命的关键因素。目前报道的钠离子电池正极材料主要分为三大类：过渡金属氧 化物类、聚阴离子类和普鲁士蓝类。

层状氧化物比容量高，是极具应用潜能的钠离子电池正极材料。过渡金属氧化物结构通式为 NaxMO2，其中 M 为过渡金属元素 Mn、Fe、Ni、Co、V、Cu、Cr 等中的一种或多种。根据材料 的结构不同, 过渡金属氧化物可分为隧道型氧化物和层状氧化物。当氧化物中钠含量较低时 (x<0.5) , 形成三维隧道结构的氧化物，具有独特的 S 型和五角形隧道，对空气和水的稳定性都较 高, 且具有较好的倍率性能，但是首周充电容量较低，实际可用的比容量较小。当钠含量较高时 (x>0.5) , 一般以层状结构为主, 共边排列的 MO6八面体组成过渡金属层, 钠离子位于层间, 形成交 替排布的层状结构。层状氧化物正极材料具有制备方法简单、比容量和电压高等优点，但仍然存 在结构相变复杂、循环寿命短、稳定性较差等问题。

层状氧化物工艺技术成熟，产业化前景最为明朗。三/四元材料铜铁锰/镍钠盐层状氧化物的制备 主要采用高温焙烧法，一般将 Na 源、Cu 源、 Fe 源、Mn 源进行混合，然后进行烧结得到钠离子 电池正极材料。层状氧化物的制备工艺与锂电池三元正极类似，因此对于传统锂电厂家而言，层 状氧化物开发生产的技术转化比较简单，目前走在商业化应用的最前端。

普鲁士蓝类材料理论容量高而成本低，结晶水缺陷制约应用。普鲁士蓝类材料主要包括普鲁士蓝 类化合物（PB）NaxFe[Fe(CN)6] 及过度金属六氰合铁酸盐（PBA）NaxM[Fe(CN)6]。普鲁士蓝材 料为面心立方晶体结构，过渡金属离子分别与氰根中的 C 和 N 形成六配位，碱金属离子处于三维 通道结构和配位孔隙中。这种大的三维多通道结构可以实现碱金属离子的嵌入和脱出，因此普鲁 士蓝材料具有高理论比容量，高工作电压，较长的循环寿命和较优的倍率性能。但由于内部结晶 水的存在，材料极易形成缺陷，材料实际比容量和电化学性能均受到影响，且材料高温受热易分 解，存在一定的安全隐患。

普鲁士蓝类材料主要通过共沉淀法实现量产。普鲁士蓝材料可以通过热分解法、水热法、共沉淀 法合成。其中，共沉淀法主要以 Na4Fe(CN)6 为沉淀剂加入一定浓度的 FeCl3 和 NiCl2 混合溶液 中，生成含有 Fe、Ni 阳离子的沉淀，经过滤、洗涤后得到掺杂 Ni 的普鲁士蓝。与通过亚铁氰化 钠 Na4Fe(CN)6 单一铁源分解的热分解法和水热法不同，共沉淀法能够在大幅提升生产效率的同 时有效避免有毒副产物污染。关键生产材料 Na4Fe(CN)6，或称黄血盐钠，可由氢氰酸合成制备， 生产成本也较低。

聚阴离子类材料循环寿命长安全性高，但理论容量存在局限。聚阴离子类化合物结构通式为 NaxMy(XaOb)zZw，具备稳定的多面体框架结构，可以获得更高的循环性与安全性，但是，这类化 合物存在着电子电导率和体积能量密度低的问题。聚阴离子类化合物可以分为磷酸盐、硫酸盐和 混合阴离子化合物体系，其中磷酸盐类化合物的研究进展最为深入，包括橄榄石结构 NaMPO4、 NASICON 结构 Na3V2(PO4)3和焦磷酸盐结构 Na2MP2O7(M=Fe，Mn，Co)，均具有潜在的应用前 景。

聚阴离子类材料制备工艺包括高温固相合成、溶胶凝胶法和水热/溶剂热法。高温固相法通常将固 相原料（钠源、钒/铁源、磷源等）按特定比例进行球磨混合和细化，经高温下元素扩散、反应成 核、晶体生长等得到最终产品。溶胶-凝胶法通常将可溶性钒源、钠/铁源、磷源依次溶于溶剂， 经充分搅拌均匀、溶解、缩聚等过程形成溶胶，加以干燥、煅烧得到最终产品。水热法通常将可 溶性钒/铁源、钠源和磷源充分混合均匀后移至反应釜中， 于高温高压下进行水热反应，后经洗涤、 干燥、煅烧处理等得到最终产品。

负极：无定形碳路线确定性高，生物质硬碳主导

石墨储钠容量十分有限，改进方式存在较大局限性。由于钠离子与石墨层间的相互作用弱，钠离 子难以与石墨形成类似 LiC6 的结构稳定的插层化合物。因此石墨储钠容量很低，导致石墨作为钠 离子电池负极材料的比容量非常低，只有 35mAh/g。使用醚类溶剂代替碳酸酯溶剂可以将石墨的 可逆比容量提升至 110mAh/g，但该共嵌入方式也有很大的局限性，一是溶剂共嵌入现象只适用 于醚类电解液，而醚类电解液在高压下易分解，全电池工作电压难以提升；二是石墨在醚类溶剂 中的储钠容量仍然较低，会消耗溶剂，而且储钠电位较高，体积变化较大，会降低全电池的能量 密度，对循环寿命产生不利影响。

钠电池负极采用无定形碳，硬碳性能优势明显。无定形碳是一种石墨化晶化程度很低，近似非晶 形态（或无固定形状和周期性的结构规律）的碳材料，可分为硬碳和软碳。硬碳即使经过高温处 理也难以石墨化，常见的硬碳材料包括酚醛树脂、环氧树脂、有机聚合物热解碳、碳黑及生物质 碳等。软碳经过 2500℃以上高温处理后容易转化为层状结构，常见的软碳有石油焦、针状焦、碳 纤维和碳微球等。硬碳作为钠离子负极材料在比容量、首次充放电效率、电位平稳性等方面优于 软碳，其比容量可达到 300mAh/g 以上，因此更适合作为钠离子电池负极材料，为主流钠离子电 池生产商所采用。

硬碳具有多类型储钠位点，储钠性能优异。硬碳的独特结构决定了其具有多种类型的可逆储钠位 点，包括：（1）通过嵌入反应储钠；（2）在闭孔内形成原子团簇储钠；（3）在接触电解液的 表面通过电容型吸附储钠；（4）在内部表面与缺陷有关的位点通过赝电容的方式储钠。在储钠 过程的开始，硬碳在缺陷/边缘部位吸附 Na+，在 0.1 V 以上的斜线区发生部分微孔填充，在 0.1 V 以下的平台区 Na+嵌入层间，并且在截止电位附近发生了进一步的微孔吸附填充。