新一次的能源革命，加速了汽車電動(dòng)化進(jìn)程、以新能源電力為主的新型電力系統(tǒng)正在逐步構(gòu)建，儲能裝機(jī)快速增長，導(dǎo)致鋰電需求與日俱增。我國鋰礦對外依存度超過70%，加劇了能源供給安全，且隨著2022年碳酸鋰價(jià)格大幅的上漲，造成了鋰電價(jià)格持續(xù)走高。所以資源更加豐富的鈉離子電池受到關(guān)注度越來越高，眾多企業(yè)紛紛布局鈉離子電池，包括傳統(tǒng)的鋰電企業(yè)以及具有自主技術(shù)的初創(chuàng)型公司。據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，目前公布布局鈉離子電池制造的企業(yè)已超過20家，同樣，鈉離子電池也受到眾多投資機(jī)構(gòu)的關(guān)注，像華為、小米、三峽資本、碧桂園、昆侖資本等投資方紛紛加碼鈉電領(lǐng)域。

 

       預(yù)計(jì)2023年有眾多鈉離子電池產(chǎn)線投產(chǎn)，可落地產(chǎn)能接近10GWh，主要廠商包括中科海鈉、維科技術(shù)、傳藝科技、眾鈉能源等企業(yè)，而鵬輝能源、湖南立方、興儲世紀(jì)等企業(yè)規(guī)劃的鈉離子電池量產(chǎn)線進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性的投資建設(shè)、設(shè)備招標(biāo)和設(shè)備進(jìn)場階段，其余大部分企業(yè)的鈉離子電池的量產(chǎn)線投資建設(shè)仍處于前期規(guī)劃中，尚未有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。

 

鈉離子電池優(yōu)勢

 

       1.不受資源限制

 

       不同于鋰資源，地殼里鈉儲量排在所有元素的第6位，我國鈉資源儲量豐富，而且分布較為廣泛，在海洋和鹽湖中有巨大的儲量，因此可以一定程度地緩解鋰資源短缺引發(fā)的鋰電發(fā)展受限問題。

 

       2.可與鋰電共用產(chǎn)線

 

       鈉離子電池與鋰電生產(chǎn)制造工藝類似，通過技術(shù)改造，鋰電產(chǎn)線可用于生產(chǎn)鈉離子電池，降低產(chǎn)線設(shè)備的投資。

 

       3.原材料成本低

 

       正極材料主要是資源豐富的鈉、鐵、錳、銅、硫等元素；負(fù)極材料主要為生物質(zhì)原材料或者煤基前驅(qū)體，且負(fù)極材料不需要石墨化，制造成本會低于石墨負(fù)極；鈉電池正負(fù)極集流體均可使用廉價(jià)的鋁箔，成本較鋰離子電池所需的銅箔進(jìn)一步降低。

 

       伴隨鈉電產(chǎn)業(yè)爆發(fā)前期的火熱，鈉電技術(shù)目前還面臨一些問題，例如：材料體系尚未成熟，循環(huán)壽命較短，原材料產(chǎn)業(yè)鏈尚未建立。

 

材料制備有待優(yōu)化
 

       1.正極材料

 

       目前，鈉離子電池可選擇的正極材料主要有：過渡金屬氧化物，普魯士藍(lán)/白化合物，聚陰離子化合物。

 

       層狀氧化物材料結(jié)構(gòu)上與鋰電池三元材料類似，二者的生產(chǎn)工藝也較為類似。但鈉離子電池正極的過渡金屬元素的選擇范圍更廣，從周期表的Ti連續(xù)到Cu（Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu）均可作為鈉離子電池層狀氧化物的主要成分，Mn、Fe、Cu等元素儲量豐富，價(jià)格低廉。而鋰離子電池層狀氧化物（三元正極、鈷酸鋰、錳酸鋰等）則以Ni、Co和Mn為主，其中Ni和Co的價(jià)格相對較高。層狀氧化物正極材料能量密度高（130-160mAh/g，230-250Wh/L）、電壓平臺高（3.0-3.1V）、倍率性能好，綜合性能較為優(yōu)異。同時(shí)，合成工藝簡單，多為固相燒結(jié)法，可選擇的過渡金屬元素很多，加之與鋰離子電池的正極材料結(jié)構(gòu)類似，所以是目前鈉離子電池企業(yè)主要選擇的工藝路線。在各技術(shù)路徑中，層狀氧化物產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度最快，代表企業(yè)包括寧德時(shí)代、中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、Faradion、湖南立方等企業(yè)。

 

       普魯士藍(lán)化合物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，具有較大的隧道結(jié)構(gòu)，可允許鈉離子自由嵌入和脫嵌，理論倍率性能、循環(huán)性能優(yōu)異。同時(shí)，其能量密度高，且核心材料為 Fe 和 Mn，成本相對較低。普魯士藍(lán)技術(shù)路徑的缺陷也比較明顯。首先，晶格中的配位水難除盡，在實(shí)際使用中會參與各種副反應(yīng)，嚴(yán)重影響電池的容量和循環(huán)性能；其次，普魯士藍(lán)類化合物的熱穩(wěn)定性差，與水反應(yīng)會生成有毒的 HCN，存在安全性問題和環(huán)境處理難題；上游氰化物準(zhǔn)入難度大，普魯士藍(lán)上游材料為氰化鈉，屬于�；�品，其生產(chǎn)、銷售會受到公安部門的管控，在環(huán)保的限制下，很難獲得新建產(chǎn)能的批復(fù)指標(biāo)。

 

       聚陰離子型化合物由聚陰離子多面體和過渡金屬離子多面體通過強(qiáng)共價(jià)鍵連接成，類似于鋰離子電池的磷酸鐵鋰材料，具有堅(jiān)固且開放的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性高，因此，循環(huán)性能優(yōu)于層狀氧化物和普魯士藍(lán)，但其材料成本相對較高、能量密度低、倍率性能差。聚陰離子路徑的代表性企業(yè)有眾鈉能源和鵬輝能源。

 

       2.負(fù)極材料

 

       鈉離子原子半徑較鋰離子大 35%以上，鋰離子電池的石墨負(fù)極無法滿足鈉離子電池負(fù)極的要求，所以鈉離子電池負(fù)極材料主要選擇有硬碳和軟碳。其中軟碳成本低，但是由于具有類石墨化的結(jié)構(gòu)，儲鈉量較低；雖然可以通過造孔工藝增大容量，但是會增加成本；其導(dǎo)電能力較強(qiáng)，循環(huán)性能較高，因此軟碳材料可以與硬碳復(fù)合使用，優(yōu)化提升硬碳負(fù)極的綜合性能。硬碳材料儲鈉位置和形式多樣，使得負(fù)極能夠更好地實(shí)現(xiàn)快充、解決了過放電的安全問題，打開了鈉電池應(yīng)用的廣度，理論容量可達(dá) 350-400 mAh/g。同樣硬碳也存在較多問題：如首次庫倫效率低、循環(huán)壽命短和結(jié)構(gòu)一致性等問題，所以硬碳前驅(qū)體選擇、制備工藝需要不斷創(chuàng)新突破，才能滿足未來鈉電產(chǎn)業(yè)的需要。雖然布局硬碳負(fù)極路線的企業(yè)較多，但從供給端看，現(xiàn)在大多數(shù)企業(yè)的硬碳還沒有完全量產(chǎn)，仍處于中試或研發(fā)階段，選擇的原料來源主要有樹脂基、瀝青基、生物質(zhì)基。硬碳材料布局的企業(yè)主要包括傳統(tǒng)的負(fù)極材料企業(yè)、活性炭企業(yè)以及一些初創(chuàng)公司。

 

       3.電解液

 

       鈉離子電池電解液體系和鋰離子電池相同，包括溶質(zhì)、溶劑、添加劑。鈉離子電池溶質(zhì)是將鋰鹽換成鈉鹽，將六氟磷酸鋰換成六氟磷酸鈉；鋰電的很多添加劑并不一定適合鈉電，目前眾多企業(yè)依然沿用了酯類溶劑，如EC、PC、DMC、EMC等，針對不同材料體系溶劑的使用比例不同；在添加劑層面，傳統(tǒng)通用添加劑體系沒有發(fā)生明顯變化，鈉離子摩爾電導(dǎo)率更高，電解液濃度低，對添加劑的添加比例和要求低于鋰電，降低一部分材料成本。目前研究鈉離子電池電解液的公司主要集中于鋰電電解液制造企業(yè)。

 

       4.隔膜

 

       鈉離子電池的隔膜可以沿用鋰電的隔膜體系，鋰電的隔膜直接用于鈉離子電池將會造成保液能力差，會影響電池的循環(huán)性能；負(fù)極表面容易產(chǎn)生鈉枝晶，鈉枝晶的生長會刺穿隔膜造成鈉離子電池短路，影響鈉離子電池的安全性能。所以鈉電和鋰電隔膜孔隙率的要求會有一定差異，目前隔膜企業(yè)已經(jīng)針對鈉離子的特性，對適用于鈉離子電池的隔膜進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)，恩捷股份成功開發(fā)出“三明治”結(jié)構(gòu)的鈉離子電池專用功能隔膜。

 

       5.集流體

 

       在鋰離子電池中，正極集流體為鋁箔，負(fù)極集流體為銅箔，以避免低電勢條件下鋁與鋰發(fā)生合金化。在鈉離子電池中，由于鈉與鋁不發(fā)生合金化反應(yīng)，因而正負(fù)極集流體都可使用鋁箔，可以降低成本。

鈉離子電池發(fā)展趨勢

 

材料體系創(chuàng)新

 

       尋找更高比容量和電壓的鈉離子電池正負(fù)極材料；開發(fā)循環(huán)壽命長，低成本、高儲鈉能力的負(fù)極材料；優(yōu)化電解液配方，使鈉離子電池在寬溫度范圍內(nèi)具有高充放電率，具備大規(guī)模儲能場景應(yīng)用所需的長循環(huán)壽命；評估鈉離子電池在不同工作溫度和不同倍率的下的性能，降低在應(yīng)用過程中的安全隱患。

 

產(chǎn)業(yè)鏈構(gòu)建

 

       鈉離子電池的商業(yè)化目前處于起步階段，完整成熟的產(chǎn)業(yè)鏈也未形成。2022年8月工信部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確提到，要發(fā)展鈉離子電池等新型電池。其中鈉離子電池要聚焦電池的低成本和高安全性，開發(fā)高效模塊化系統(tǒng)集成技術(shù)，加快鈉離子電池技術(shù)突破和規(guī)模化應(yīng)用。由于受到國家政策的支持，鋰電材料企業(yè)以及鈉離子電池初創(chuàng)公司紛紛布局鈉離子電池材料的研發(fā)和生產(chǎn)，預(yù)計(jì)憑借我國鋰電材料的產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢和材料研發(fā)制造的技術(shù)優(yōu)勢，未來2-3年鈉離子產(chǎn)業(yè)鏈將隨著鈉電規(guī)劃，不斷完善，材料制造成本會得到顯著下降。

 

應(yīng)用場景預(yù)期

 

       由于能量密度的限制，鈉電池暫無法應(yīng)用于消費(fèi)電池和對能量密度要求高的新能源車；隨著鈉電產(chǎn)能的不斷釋放，預(yù)計(jì)2024年左右，鈉電首先會在A00車實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鈉電的成本不斷降低，產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，預(yù)計(jì)在2025年左右，鈉電將會在電力儲能領(lǐng)域開展大規(guī)模的示范應(yīng)用，通過示范驗(yàn)證，鈉離子電池具備在電力儲能領(lǐng)域應(yīng)用的條件。

 

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

 

       2020年中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟就開始組織編寫了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CNESA 1006—2021《鈉離子蓄電池通用規(guī)范》，2021年底正式發(fā)布。標(biāo)準(zhǔn)明確了相應(yīng)要求和測試方法，可以為廠商、業(yè)主和投資方了解產(chǎn)品性能提供測試參考。該標(biāo)準(zhǔn)由中國科學(xué)院物理研究所胡勇勝教授牽頭編寫，上海交通大學(xué)、南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司、北京中科海鈉科技有限責(zé)任公司、浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司、溫州大學(xué)、溫州大學(xué)碳中和技術(shù)創(chuàng)新研究院、寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、河南省法恩萊特新能源科技有限公司、湖南立方新能源科技有限責(zé)任公司、成都佰思格科技有限公司、南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司、中國長江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司、華為技術(shù)有限公司、江蘇愛瑪車業(yè)科技有限公司、華能天成融資租賃有限公司共同參與完成。