钠离子电池行业研究报告：蓄势待发，即将快速成长

（报告出品方/作者：财通证券，佘炜超）

钠电池随着产业化加速，量产在即。1979 年法国的 Armand 提出了“摇椅式电 池”的概念，开始钠离子电池的研究。随后 Delmas 和 Goodenough 发现了层 状氧化物材料可作为钠电池正极材料，Stevens 和 Dahn 发现硬碳材料作为负 极有良好的钠离子嵌脱性能。2010 年以来，钠电池的研发进程加速。2011 年中 科院物理所研究员团队开始了钠离子电池核心技术的研发，自此以后开发出低成 本的电极材料。2017 年国内第一家专注于钠离子电池研发和生产的公司中科海 钠成立。2021 年宁德时代成功举行了第一代钠离子电池线上发布会。2022 年， 中科海纳和传艺科技均预计 2023 年量产其钠离子电池。

钠电池和锂电池均是摇椅式二次电池，是一种依靠离子在正负电极之间往返嵌入 和脱出的二次电池，其中正极和负极材料均允许钠离子可逆地插入和脱出。在充 电过程中，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外 电路供给到负极，使正负极发生氧化还原反应，保证正负极电荷平衡；放电时则 相反。

材料选择上，钠离子和锂离子存在较大差异，并间接导致成本差异较大。正极方面，由于钠离子比锂离子半径大，导致其很难从层状正负极材料嵌入 /脱出，因此钠离子正极材料在能量密度上有所欠缺，同时为了使钠离子更容 易嵌入/脱出，相对应的正极材料选择也和锂离子电池有所差别；负极方面，锂离子电池常用的石墨材料无法有效嵌入钠离子，需要更换材料， 目前常见的是各类硬碳材料；电解液方面，钠离子摩尔电导率更高，使得钠离子电池所需电解液浓度较低， 对添加剂的要求也较低，从而带来电解液成本也较低。隔膜方面，无较大差异；集流体方面，钠离子电池正负极集流体均可以选用成本较低的铝箔，锂离子 电池则需要正极集流体铝箔，负极集流体铜箔。由于材料选择的差异，其成本也有较大差异。根据中科海纳官网披露的数据，如 果钠离子电池选用 NaCuFeMnO/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体 系，钠离子电池材料成本可降低 30-40%。

2.1. 钠离子电池正极材料重要性显著

正极材料的电化学特性影响了整个电池的电化学特性。正极材料的理论能量密度就是电芯能量密度的上限，正极材料通过影响容纳钠离子的能力和传输通道的通 畅性来影响钠电池的功率密度。同时，正极材料活性物质的损耗以及杂质成分会 影响电池的寿命。目前，主流的正极材料主要包括过渡金属氧化物材料、聚阴离 子类材料、普鲁士蓝类材料等。

2.1.1. 层状金属氧化物技术较为成熟

过渡金属氧化物对储存条件要求较高，需要掺杂元素提升比容量。过渡金属氧化 物可分为层状和隧道状，用 NaxMeO2表示，其中 Me 包括 Mn、Fe、Ni、Co 等过 渡金属元素，x 为钠的化学计量数。金属氧化物合成方便、结构简单，原料来源 广，但是钠离子在参与嵌脱反应的过程中由于离子半径较大，会引起氧层的滑移， 造成材料结构不可逆的改变，影响循环性能。而且，材料易与空气中的水分反应， 对储存条件要求较高。目前多使用元素掺杂诱导氧化还原反应来提高电池容量， 减少嵌脱反应中结构的改变程度，构造人工界面包覆稳定晶体结构并提高电化学 性能。

层状金属氧化物热量高，合成方便，但稳定性较低。自 1980 年以来，锂离子层 状氧化物一直是锂离子电池的主要正极材料，因而层状金属氧化物也得到了大家 的关注。层状金属氧化物可以根据钠离子和氧形成的结构分为 O 型（八面体结 构）和 P 型（三棱柱型）。其中常见的 O3 型钠离子含量高，电池容量高；P2 型 钠离子之间的层间距较高，传输速度和倍率性能较高。

隧道型氧化物稳定性更高，但可逆容量低，没有得到市场的关注度。由于存在八 面体结构，材料的结构更加稳定，循环性能更好。但是由于材料中钠含量较低， 可逆容量较低，市场关注度不高。

Faradion、中科海纳等公司使用层状金属氧化物为钠电池的正极材料。其中英国 Faradion 公司采用 Mn–Ni–Ti–Mg 四元层状氧化物作为正极材料，电池能量密度 超过 140Wh/kg，循环寿命超过 3000 次；中科海钠采用 Cu-Fe-Mn 三元层状氧化 物正极材料，电池能量密度达到 145Wh/kg；钠创新能源采用 Fe-Ni-Mn 三元层状 氧化物，比容量超过 130mAh/g，能量密度约为 130-160Wh/kg。

2.1.2. 普鲁士蓝类化合物比容量高，稳定性较低

普鲁士蓝类化合物通过引入非活性金属离子或设计不同结构等方法提升电化学 性能。普鲁士蓝类化合物用 AxMA[MB(CN)6]·zH2O 表示，其中 A 为碱金属离子， MA 和 MB 为过渡金属离子。其中过渡金属离子与氰根形成六配位，形成较大的 三位多通道结构，有利于钠离子的嵌脱反应，所以有较高的比能量。但是普鲁士蓝类化合物热稳定性较差，电池工作过程中产生的热量会使材料分解且材料制作 过程中形成的结晶水可能导致材料的晶格结构破坏造成安全问题。目前通过引入 非活性金属离子或者设计不同的结构等方法可以保持材料的结构稳定性，提高电 化学性能。

目前星空钠电和宁德时代都采用了普鲁士蓝化合物作为正极材料。其中宁德时代 于 2021 年发布的钠离子电池，电芯单体能量密度达到了 160Wh/kg，为目前全球 最高水平,具有良好的快充性能，在常温下充电 15 分钟，电量可达 80%；也具有 良好的低温稳定性，在零下 20°C 低温的环境下，仍然有 90%以上的放电保持率。

2.1.3. 聚阴离子类化合物稳定性较高，比容量较低

聚阴离子类化合物结构较稳定。聚阴离子化合物用 NaxMy[(XOm)n-]z 表示，其 中 M 为可变价态的金属离子；X 为 P、S、V、Si 等元素。聚阴离子化合物主要 是多面体框架连接而成，共价键较强因而抗氧化性能高，结构稳定，循环性能较 好，但由于阴离子较多，比容量和导电性偏低，且常用的钒元素价格较高，材料 成本较贵。目前多使用离子掺杂来提高电池倍率能力，调节脱嵌钠的电化学性能；使用聚合物包覆提高聚阴离子化合物的比表面积，从而提高电池的导电性和容量。

目前使用聚阴离子类化合物为正极材料的公司相对另外两种材料而言较少。众钠 能源和高博能源使用钒基聚阴离子化合物作为电池的正极材料，广州鹏辉科技公 司使用磷酸盐类钠正极做出了钠离子电池样品。其中众钠能源全体系电芯能量密 度为 120-160Wh/kg，循环性能可以达到 2000-10000 圈，且可以在零下 20℃正常 工作。基于以上分析可以知道钠电池常用正极材料的特性。其中普鲁士蓝类化合物可逆 容量（120-140mAh/g）和比容量较高；聚阴离子类化合物材料能量密度、稳定性 和循环次数（2000 次）较高；层状金属氧化物全寿命周期成本较高。

2.2. 钠电池的主流负极材料是无定形碳

可以用作钠电池负极的无定形碳主要分为硬碳和软碳。其中在 2500°C 以上的高 温下能石墨化的为软碳，在 2500°C 以上的高温下不易石墨化的为硬碳。无定形 碳储钠能力好、可逆比容量高、循环性能好，商业化趋势明显。同时软碳和硬碳 都可以通过原子掺杂提高材料的层间距，制备纳米结构碳材料缩短钠离子扩散途 径等方式提高电化学性能。

软碳导电性较好，不可逆容量较高。软碳的结构规整程度较高，导电性较好，原 材料丰富，成本低。但是钠离子在发生嵌脱反应的时候容易引起层间距的改变， 所以首次充放电的不可逆容量较高。且软碳在高温下容易石墨化，层间距会减小， 降低材料的储钠能力。硬碳比容量和首次充放电效率优于软碳，成本也高于软碳。硬碳的分子结构主要 是随机排列，内部可以储存钠离子的空间较大，比容量高，可达到 350mAh/g 以 上。但由于加工要求更为严格，开发成本高于软碳，且倍率性能较差，首周库伦 效率低。

目前更多的钠离子电池生产商采用硬碳作为负极材料。其中法国 Tiamat 公司使 用硬碳作为钠电池的负极材料，能量密度可以达到 120Wh/kg；同样采用硬碳的 宁德时代钠电池能量密度可以达到 160Wh/kg。中科海钠采用无烟煤基软碳为负 极材料，其钠电池的能量密度可以达到 145Wh/kg。基于以上分析可以知道钠电池常用负极材料的特性。其中硬碳的可逆容量（300mAh/g）较高，层间距（0.37-0.42nm）较大，利于钠离子的脱嵌，稳定性较 好，同时工作电压也仅有 0.1V。

2.3. 钠电池的集流器可以采用低成本的铝箔

钠电池的正负极的集流体都可以用铝箔。集流体主要用于汇集电池活性物质产生 的电流从而形成较大的电流。锂电池因为在低电位下容易和铝发生反应，因而正 极集流体材料为铝箔，负极集流体材料为铜箔。但是钠和铝不会形成合金，所以 正负极的集流体都可以用铝箔。

2.4. 钠电池隔膜可以与锂电池相同，电解液各异

钠电池的电解液和隔膜均具备成熟的量产技术。电解液在电池中起传导离子的作 用，其中主要由溶剂、电解质和其他添加剂组成。锂电池的电解质为六氟磷酸锂， 而钠电池的电解质为六氟磷酸钠。隔膜主要起分隔电池正负极，防止两极接触而 短路的作用，并且隔膜还需要支持电解质离子通过，钠电池和锂电池均使用 PP 或者 PE 隔膜。