（報告出品方/作者：國泰君安證券，龐鈞文、石岩）

1.1. 基本概念與曆史背景：锂電的“孿生兄弟”

近年來，發展清潔能源成為世界多數國家的共識，我國更提出了“碳達峰、 碳中和”的宏偉目标，太陽能、風能、潮汐能等清潔能源發電技術得到了 快速發展，但這些自然能源具有間歇性、随機性的特點，以及較強的地 理依賴性。為解決新能源發電在時間和空間上的局限，提高新能源的利 用率，儲能技術的重要性日益凸顯。按照對電能的轉化和儲存方式，儲 能技術分為物理儲能、化學儲能與電化學儲能。其中，電化學儲能包括 二次電池技術和超級電容器等，具有能量轉換效率高、響應速度快的特 點。尤其是二次電池技術，還具有能量密度高，易模塊化的優勢。

二次電池，也稱可充電電池或蓄電池，是一種利用可逆化學反應，能夠 反複多次充放電，使電能與化學能互相轉換，以實現能量儲存的裝置。 二次電池儲存能量的能力，用能量密度（也稱比能量）來體現，即單位 質量或體積的電池能夠輸出的總能量，它是比容量與平均放電電壓的乘 積。比容量理論上由參與電極反應物質的摩爾質量和得失電子數決定， 因此電荷載體的荷質比越大，則電池的理論比容量越大。放電電壓理論 上主要由正負極材料的電勢差和内阻所決定，因此正極電勢越高、負極 電勢越低、電池内阻越小，則放電電壓越大。其次，電荷載體必須具有 較好的輸運能力和反應動力學活性，這直接影響電池的倍率性能以及功 率密度。最後，電極反應的可逆性和副反應等因素決定了二次電池的循 環性能和壽命。以锂為代表的堿金屬具有最低的氧化還原電極電勢，離 子荷質比較大且去溶劑化能較低，因此早在 20 世紀 60 年代就被嘗試用 于二次電池的負極材料。早期锂離子電池以金屬锂或锂合金為負極，過 渡金屬鹵化物（如 AgCl、CuCl、NiF2 等）為正極，但此類正極材料導 電性差、易溶解、充放電體積劇變，且難以解決。60 年代末，以 TiS2 為代表的過渡金屬-硫族化合物被發現具有層間嵌脫能力，可以作為锂離 子電池的正極材料，且具有高電導率和電化學反應活性，與金屬锂配合 電壓為 2.2 V，具有實用價值。但金屬锂的高度活潑性使得該電池事故頻發，迫使人們将負極也改用嵌锂化合物（如嵌锂石墨），這就是“搖椅式 電池”的概念：用低嵌入電勢化合物作為負極，高嵌入電勢化合物作為正 極，避免了堿金屬枝晶問題。由于嵌锂化合物負極的電勢比金屬锂更高， 導緻電池整體的電壓和能量密度降低，又迫使人們尋找新的正極材料， 并陸續發現了钴酸锂、錳酸锂和磷酸鐵锂等正極材料。

鈉離子電池的成本和倍率性能相對锂離子電池具有優勢。鈉與锂處周期 表同族，價電子數相同，化學性質更活潑，由于鈉的原子質量和半徑遠 大于锂，故而鈉離子電池的能量密度顯然難以與锂離子電池媲美，但鈉 元素的自然界豐度是锂的一千多倍，而且鈉離子的去溶劑化能遠低于锂 離子。鈉離子電池幾乎與锂離子電池同時問世于 70 年代，但二者的研 究曆程略有不同。當時率先出現的鈉二次電池是鈉硫電池，以單質硫和 金屬鈉為正負極，β-氧化鋁快離子導體為固态電解質，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 壽命達 2500 次，而與之相似的锂硫電池則循環壽命僅不到 10 次。為了 提高鈉二次電池的安全性，人們對室溫鈉離子電池進行了研發，采用了 與锂離子電池類似的思路，正極材料經曆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 曆程。但到了 80 年代末期，鈉離子電池的研究遇冷，相關研究幾乎停 滞。究其原因有三點：第一，難以找到合适的負極材料（能在酯類溶劑 中高效儲锂的石墨卻難以儲鈉）；第二，研究條件有限（系統水氧含量 較高，難以用金屬鈉作為基準電極開展材料評估實驗）；第三，锂離子 電池獨占鳌頭（大量的研究者把方向錨定在锂離子電池上）。

直到 21 世紀，鈉離子電池迎來了轉機。2000 年，人們發現由葡萄糖熱 解得到的硬碳材料具有高達 300mA·h/g 的儲鈉比容量，為鈉離子電池提 供了一種至關重要的負極材料。2007 年，聚陰離子正極材料 Na2FePO4F 被發現，該材料的嵌脫體積形變率僅 3.7%，幾乎沒有應變。在 2000 年 至 2010 年間，鈉離子電池的研究速度較為平緩，主要集中在少數幾個 實驗團隊。2010 年後，鈉離子電池研究進入了春天，新的材料體系不斷 湧現，并逐步嘗試産業化。

1.2. 工作原理與材料：與锂電大同小異

鈉離子電池的工作原理與锂離子電池完全相同，即在一定的電勢條件下， 客體堿金屬離子在宿主材料中的可逆脫出和嵌入，其中嵌入電勢較高的 作為正極，嵌入電勢較低的作為負極，整個電池的充放電循環過程就是 堿金屬離子在正負極之間的往返定向遷移過程，這種工作機制的電池就 是 M. Armand 所提出的“搖椅式電池”。鈉離子電池的組成結構與锂離子 也完全相同，主要都包括正極、負極、電解質、隔膜和集流體等。按照 材料主體是否直接參與電化學反應過程，可将它們分為活性材料與非活 性材料。

1.2.1. 活性材料：正極、負極、電解質

鈉離子電池的活性材料包括正極材料、負極材料和電解質材料，它們直 接參與電化學反應，因此決定了電池的本征特性。由于鈉離子的半徑和 電子結構與锂離子相差較大，導緻兩者在反應的熱力學和動力學行為上 迥然不同，因此鈉離子電池活性材料的研發并不能完全仿照锂離子電池。

(1) 正極材料：氧化物、普魯士藍、聚陰離子三大主線

正極材料在充電時發生氧化反應，放電時發生還原反應，一般具有較高 的還原電勢。理想的正極材料應滿足還原電勢高（但必須低于電解質的 氧化電勢）、可逆容量大、循環性能穩定、電子和離子電導率高、結構 穩定且不怕空氣、安全性高、價格低廉。對于鈉離子電池而言，現有正 極材料的理論比容量相對較低，因此成為電池整體容量的主要決定因素 之一。目前，鈉離子電池的正極材料主要分為五種類型：氧化物類、聚 陰離子類、普魯士藍類、氟化物類、有機化合物類，其中前三種類型的 成熟度最高，已進入産業化初期。

氧化物類：工藝最成熟，比容量較高，種類最豐富

氧化物類正極材料一般為過渡金屬氧化物，主要包括層狀結構氧化物和 隧道結構氧化物。層狀氧化物的研究最早也最廣泛，相比于锂離子電池 僅 Mn、Co、Ni 三種元素的層狀氧化物正極具有可逆電化學活性，鈉離 子電池的選擇範圍更廣，第四周期從Ti至Ni的過渡金屬都具有高活性， 其工作機理也更為複雜，常伴随多種相變行為。層狀氧化物通式為 NaxMO2，其中 M 為過渡金屬，常見結構類型主要包括 O3 型和 P2 型， 前者的比容量較高但倍率、循環性能往往較差；後者的倍率、循環性能 較好，但實際比容量略低。此外，層狀氧化物往往在空氣中易發生吸濕水解。現階段，層狀氧化物的能量密度較高、制備工藝成熟，有望率先 産業化，尤其是穩定性較好的 P2 型層狀氧化物。隧道型氧化物具有三 維孔道結構，往往出現于低鈉含量的氧化物中，具有優異的循環、倍率 性能且對水氧穩定，但比容量過低。未來，隧道型氧化物在富鈉正極以 及水系鈉離子電池的研發中可能具有潛在的競争優勢。

普魯士藍類：材料成本低，比容量較高，技術壁壘高

普魯士藍類正極材料屬于過渡金屬的氰化配位聚合物，通式為 AxM1 [M2 (CN)6]1-y·□y·nH2O，其中 A 為堿金屬離子，M1、M2 為過渡金屬 離子（分别與 N 和 C 配位），□為[M2 (CN)6]空位缺陷。由于氰根雙配位 的獨特電子結構，以及開放的三維空間，使得該材料具有結構穩定、嵌 脫速率快、比容量大等優點。此外，此類材料的核心過渡金屬主要為 Fe、 Mn 等廉價金屬，原料易得、成本低廉。但在實際應用中，材料的晶格 水含量（包括結晶水和吸附水）以及空位缺陷密度會嚴重制約電池性能， 導緻其容量利用率、能量效率和循環壽命的降低。值得一提的是，最近 研究人員發現，應用普魯士藍正極材料的鈉離子電池在熱失控情況下會 釋放出劇毒的氫氰酸、氰氣等，而熱分解機理與晶格水、空位缺陷密切 相關，可見該技術對材料質量的要求較高。此外，該材料的制備涉及劇 毒的氰化鈉，在生産供應上需要具備特殊資質。

聚陰離子類：安全性最佳，比容量太低，材料成本高

聚陰離子類正極材料是指晶體框架由一系列四面體和多面體陰離子單 元構築的含鈉複鹽，通式為 NaxMy(XaOb)zZw。，其中 M 為過渡金屬或堿 土金屬等陽離子，X 為磷或硫等較高電負性元素，Z 為氟或氫氧根等陰 離子。這類材料的陰離子多面體單元之間具有很強的共價鍵合，因此晶 體結構非常穩固，其化學穩定性、熱穩定性以及電化學穩定性都很高， 故而具有很好的循環壽命和安全性，而且其電壓平台往往較寬。其次， 過渡金屬離子的價電子局域化程度高，這種電子結構容易利用強電負性 元素的誘導效應來提升材料的工作電壓。但也因為其寬帶隙特性，導緻 本征電子電導率很低，這極大限制了其倍率性能，必須通過添加導電劑 或者納米化進行改性。此外，該材料的比容量普遍較低。目前，最典型 的聚陰離子材料主要是磷酸鹽，以橄榄石型的 NaFePO4 和 NASICON 型 的 Na3V2(PO4)3 為代表。NaFePO4 的結構與磷酸鐵锂相同，但合成必須 依賴複雜的離子交換法，成本較高。Na3V2(PO4)3 具有極好的倍率性能和 循環壽命，但比容量較橄榄石型材料低。此外，還有焦磷酸鹽、硫酸鹽、 钼酸鹽等新型聚陰離子材料也在研究中，這些體系在工作電壓、倍率性 能上有所提升，但仍然存在實際比容量低、循環可逆性差等諸多缺陷。

氟化物類：材料較廉價，實用化困難

過渡金屬氟化物具有類似氧化物的高還原電位，通過過渡金屬離子的化 合價變換來實現鈉離子的嵌脫，因此也是潛在的正極材料。這類材料的 最大問題是電阻率太高，嚴重影響其倍率性能，而且實際比容量普遍很 低。迄今為止，具有較大比容量的氟化物材料是鐵基氟化物，典型代表 是 NaFeF3（實際 128mAh/g，理論 197mAh/g）。此外，某些水合氟化鐵 材料具有很高的比容量，例如 Fe2F5·H2O（初始 251 mAh/g），但是循環 性能還較差。（報告來源：未來智庫）

有機化合物類：不依賴礦産資源，尚處于研究階段

某些具有豐富共轭體系和孤對電子的有機化合物可以發生可逆的氧化 還原反應，因此也可以用來開發正極材料。此類材料的優點是：無需依 賴過渡金屬元素資源，結構和性能容易設計調控，因此具有一定的潛力。 但現階段還存在顯著缺陷：電導率普遍較低，且容易發生溶解。目前， 主要有共轭體系導電聚合物（例如改性的聚苯胺、聚吡咯等）、共轭羰 基化合物（例如芳烴衍生物的酚鈉、羧酸鈉）等。

(2) 負極材料：碳基材料最成熟，有望率先産業化

負極材料在充電時發生還原反應，放電時發生氧化反應，一般具有較低 的還原電勢。理想的正極材料應滿足還原電勢低（但必須高于金屬鈉的 沉積電勢）、可逆容量大、循環性能穩定、電子和離子電導率高、結構 穩定且不怕空氣、安全性高、價格低廉。對于鈉離子電池而言，負極材 料起着負載和釋放鈉離子的重要作用，其直接影響電池整體的動力學性 能，例如倍率性能、功率密度等。目前，鈉離子電池的負極材料主要分 為五種類型：碳基材料、钛基材料、合金材料、有機化合物類、其他體 系，其中碳基材料的技術成熟度最高，資源豐富，有望率先實現産業化。

碳基材料：軟碳硬碳各有千秋，石墨負極尚在研究

根據碳原子的微觀結構，碳基負極材料分為石墨類材料、無定形碳材料、 納米碳材料。與其他堿金屬離子不同，鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以對 石墨層間進行有效嵌脫，這主要是鈉離子-石墨嵌入反應的ΔG＞0所緻。 因此，在锂離子電池中廣泛應用的石墨負極，在碳酸酯作溶劑的鈉離子 電池中難以使用。其實在醚類溶劑中，石墨也能有效嵌脫鈉離子，但是 電解液的穩定性削弱，易與正極發生反應，有待進一步研究。無定形碳 材料具有較高的儲鈉比容量，也是目前最接近産業化的負極材料。按照 熱處理石墨化難易程度，分為軟碳和硬碳。軟碳在 2800℃以上能完全石 墨化，硬碳在高溫下也難以石墨化。軟、硬碳差别在于微觀結構中碳層 的交聯相互作用，根本取決于所用碳化前驅體的結構和形狀。一般來說， 熱塑性前驅體（石化原料及副産品）容易形成軟碳，熱固性前驅體（生 物質、樹脂聚合物等）容易形成硬碳。相對而言，軟碳的制造成本較低， 工藝易于控制，但比容量不及硬碳；硬碳的比容量較高，但首周效率往 往較低，且其性能依賴于所用前驅體和和處理工藝，産碳率較低。值得 一提的是，目前人們對硬碳材料的儲鈉機理仍未徹底弄清，還有較大的 提升空間。納米碳材料主要有石墨烯、碳納米管，鈉離子主要以吸附的 方式儲存在其表面和缺陷處，這類材料的理論比容量較大，但首周庫侖 效率低，反應電勢高，而且價格昂貴。

钛基材料：潛在優勢獨特，短期難以商用

四價钛的還原電勢普遍較低，其化合物空氣穩定，且不同晶體結構的钛 化合物儲鈉電勢不同，因此被用來開發負極材料。目前，钛基材料主要 是一些钛的氧化物和聚陰離子化合物。氧化物包括層狀的 Na2Ti3O7、 Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 以及尖晶石型的 Li4Ti5O12（也被用于锂離子電池負極） 等，聚陰 離子化 合物包 括正 交型的 NaTiOPO4 、NASICON 型的 NaTi2(PO4)3。這些材料的比容量普遍不高，但具有很多獨特的優勢，例 如 Li4Ti5O12 是一種無應變材料，Na0.6[Cr0.6Ti0.4]O2 可以同時充當正負極 材料，NaTi2(PO4)3 可以用于水系鈉離子電池。

合金材料：理論比容量巨大，技術難題待克服

金屬鈉能與 Sn、Sb、In 等多種金屬形成合金，可作為鈉離子電池的負極， 與锂離子電池的矽基負極類似。這類材料的優勢是理論比容量很高，且 反應電勢很低，因此有望制造高能量密度、高電壓的鈉離子電池。但是 這類材料的反應動力學性能較差，而且鈉脫嵌前後的體積變化可達數倍， 伴随巨大的應力，使活性材料容易從集流體表面脫落，比容量快速衰減。

有機化合物類：合成條件溫和，尚處研究階段

有機負極材料的優缺點與有機正極材料類似，目前種類主要包括：羰基 化合物、Schiff 堿化合物、有機自由基化合物和有機硫化物等，尚處于 實驗室研究階段。

其他體系：多為過渡金屬的Ⅴ、Ⅵ族化合物，尚處研究階段

某些過渡金屬氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物也具有可逆儲 鈉的電化學活性，這類材料往往同時伴随轉換反應和合金化反應，因此 其理論比容量可超過相應的合金類負極材料，但也更多的技術難題。

(3) 電解質材料：液态電解質為主，形式與锂電相同

電解質是正負極之間物質傳輸的橋梁，用來傳輸離子以形成閉合回路， 是維持電化學反應的重要保障，不僅直接影響電池的倍率、循環壽命、 自放電等性能，還是決定電池穩定性和安全性的核心因素之一。按照物 理形态，鈉離子電池的電解質可分為液态電解質和固态電解質。

液态電解質：與锂電類似，锂鹽變鈉鹽

液态電解質常被稱為電解液，一般由溶劑、溶質和添加劑組成。由于水 的電化學窗口上限不超過 2V，因此溶劑是一些極性的非質子有機溶劑， 既能大量溶解鈉鹽，又不能釋放質子氫，還要有一定的抗氧化-還原能力， 最好還具有較低的粘度。因此，一般将高介電常數、高粘度的碳酸酯類 和低介電常數、低粘度的醚類混合使用，故電解液高度易燃。溶質主要 為具有大半徑陰離子的鈉鹽，分為無機鈉鹽和有機鈉鹽，前者有六氟磷 酸鈉、高氯酸鈉等，後者主要包括氟磺酸類鈉鹽、氟磺酰亞胺類鈉鹽等。 一般來說，有機鈉鹽的穩定性更高，而無機鈉鹽的價格更便宜。目前有 望實現産業化應用的主要是六氟磷酸鈉，其具有相對最佳的電導率，但 是對水高度敏感。添加劑在電解液中的含量在 5%以下，主要是一些鈉 鹽、酯類、腈類、醚類等化合物，起到輔助 SEI 膜、CEI 膜形成，過充 保護，以及阻燃等作用。

固态電解質：面向固态鈉電，尚處研究階段

固态電解質材料主要包括三種類型：無機固态電解質、聚合物固态電解 質、複合固态電解質。由于避免了易燃易爆的有機溶劑，電池的安全性 得到了實質性提升，并且大大拓寬了電化學窗口，使得高電勢正極材料 和金屬鈉負極的使用成為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外， 由于正負極之間有剛性的固态電解質阻隔，因而不再需要單獨設置隔膜， 再配合雙極性電極工藝，電池的系統能量密度還能進一步提升。此類材 料目前面臨室溫電導率較低、界面阻抗很大等難題，其産業化尚需時日。

1.2.2. 非活性材料：隔膜、集流體、導電劑、黏結劑

鈉離子電池中的非活性材料主要包括隔膜、集流體、導電劑、黏結劑等， 它們并不直接參與電化學反應，但是必不可少的輔助性材料，其與活性 材料的兼容性等因素會對電池性能産生重要影響。

(1) 隔膜：與锂離子電池通用

隔膜的作用是對正負極進行物理分隔，避免二者直接接觸反應，同時還 要确保溶劑分子的浸潤和滲透，允許溶劑化鈉離子的快速通過。理想的 隔膜材料應具有良好的電子絕緣性和離子導電性，機械強度高且厚度盡 量薄，很高的化學惰性（既不與電解液反應，也不與正負極反應），良 好的熱穩定性。锂離子電池中廣泛應用的是聚烯烴類聚合物隔膜，例如 PE、PP 以及複合膜等，這些隔膜材料都可直接移植到鈉離子電池體系。 未來在全固态鈉離子電池體系中，隔膜材料将不再需要。

(2) 集流體：正負極均采用鋁箔

集流體是正負極活性材料附着的基底構件，約占電池重量的 10~13%， 用以彙集電極材料産生的電流，并對外釋放傳導。集流體雖不參與電極 反應，但卻是電極材料發揮性能的根本保障，其純度、厚度、應力等參 數間接影響電極實際工作性能。用作集流體的材料須具備優良的導電性， 與活性物質的接觸電阻小，很高的化學惰性（不與電解液及正負極反應）， 加工性能好且力學性能穩定。在锂離子電池中，正極集流體為鋁箔，負 極集流體為銅箔，以避免低電勢條件下鋁與锂發生合金化。在鈉離子電 池中，由于鈉與鋁不發生合金化反應，因而正負極集流體都可使用鋁箔， 避免了相對昂貴的銅箔。

(3) 導電劑：與锂離子電池相同

電極材料在實際使用時，還需要添加導電劑，其主要有三方面作用：減 輕電極材料的自身極化，降低活性材料顆粒間以及與集流體之間的接觸 電阻，吸附電解液并改善電極的浸潤效果。常用的導電劑為比表面積大、 導電性好的碳材料，如炭黑、石墨粉、碳納米管、石墨烯等。

(4) 黏結劑：與锂離子電池相同

黏結劑的功能是将電極材料、導電劑、集流體三者結合，制成可供使用 的完整極片，其用量占比很少，但對電極性能有重要影響。用作黏結劑 的材料須具有良好的穩定性，易加工，成本低。鈉離子電池常用黏結劑 與锂離子電池相似，多為強極性聚合物，例如聚偏二氟乙烯（PVDF）、 海藻酸鈉（SA）、聚丙烯酸（PAA）、羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚四氟 乙烯（PTFE）等等。

1.3. 制造工藝與路線：與锂電一脈相承

1.3.1. 電極材料合成：僅普魯士藍較為特殊

鈉離子電池正極材料合成方法應根據具體材料類别而定，主要分為固相 反應法和液相合成法，普魯士藍類材料一般采用液相合成法，具有一定 特殊性。氧化物類和聚陰離子類材料既可采用固相反應法也可采用液相 合成法，合成工藝基本與锂離子電池的對應材料相同，因此生産線可在 一定程度上兼容。目前，工業上最廣泛使用固相反應法，該方法制備的 産品均勻度有一定局限性，但操作簡單、工藝流程短，适合規模化生産。 液相合成法的産品均勻度高，但相對昂貴，對設備要求高，且廢水較多。 此外，還有溶膠凝膠法、微波合成法、噴霧幹燥法、離子交換法等技術， 普遍成本較高，暫不适用于工業生産。

1.3.2. 電池裝配成組：裝配工藝和外觀分類與锂離子電池相同

與锂離子電池類似，鈉離子電池的生産同樣要經曆制漿、塗覆、裝配、 注液、化成等工藝。其中，裝配環節主要是将制完的正負極片通過隔膜 夾層組合在一起，建立電池内部的鈉離子通路，并隔絕正負極以防内短 路。裝配工藝沿用锂離子電池技術，分為卷繞和疊片工藝，前者又分為 圓柱卷繞和方形卷繞。此外，鈉離子電池産品的結構設計和封裝工藝也 基本沿襲了锂離子電池，外觀大緻也分為圓柱、軟包和方形硬殼三大類， 各有優缺點。

随着鈉離子電池産業化推進，勢必将對其他二次電池技術産生不同程度 的影響。首當其沖的是锂離子電池，以及市場關注度較高的液流電池和 早已廣泛應用的鉛酸電池。本節我們通過對鈉離子電池與以上三種電池 技術的橫向對比，對其未來競争格局作簡要預測。

2.1. 鈉電 vs 锂電：性能媲美磷酸鐵锂，綜合性價比或更高

鈉離子電池是對锂離子電池的補充和延拓，并非完全替代關系。首先， 從性能看，現有锂離子電池體系并不完美：三元正極電池能量密度高， 但循環壽命較差；磷酸鐵锂正極電池循環壽命高，但能量密度較低；錳 酸锂正極電池工作電壓高，但能量密度和循環壽命都較差。此外，锂離 子電池在低溫下易發生嚴重的容量衰減，需要一套溫度控制系統，這将 消耗電池系統至少 5 %的能量，且增加了制造成本。相比之下，現有鈉 離子電池體系的能量密度已逼近磷酸鐵锂；循環壽命雖不及磷酸鐵锂， 但顯著優于三元材料和錳酸锂。

其次，從安全性看，由于鈉離子電池的熱失控起始溫度略高于锂離子電 池，因此電芯層面的安全性有所提升，但這兩種電池都需使用高度易燃 的有機電解液，都存在熱失控情形下的爆燃風險。從目前的電芯穿刺等 破壞性實驗看，鈉離子電池實際安全性可能與磷酸鐵锂電池相近。

最後，從成本看，鈉離子電池能有效降低原材料成本。其一，活性材料 （正極、電解質）中的锂化合物整體被鈉化合物替代，鐵、錳等廉價金 屬大量替代了正極中較貴的钴、鎳等金屬；其二，金屬鈉不與金屬鋁形 成低共熔合金，正負極集流體均可采用廉價的鋁箔，替代了原先锂離子 電池中較貴的銅制負極集流體；其三，由于鈉離子的斯托克斯半徑小于 锂離子，因此電解質中溶質用量可大大減少。未來，鈉離子電池有可能 與磷酸鐵锂電池形成較強的競争關系，尤其是在高寒地區的應用；锂離 子電池則繼續向高能量密度、高工作電壓的方向發展，逐步向全固态電 池等新技術叠代。

2.2. 鈉電 vs 液流：優缺點呈高度互補，或并立于儲能市場

鈉離子電池與液流電池具有很強的互補性，前者适用于小型靈活儲能， 後者适用于大中型規模儲能。液流電池是一種液相（水相體系為主）的 電化學儲能裝置，其特點在于活性工作物質溶解在電解液中，通過改變 活性物質的氧化價态實現能量的存儲與釋放，典型代表有全釩液流電池、 鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等。液流電池的最大優勢在于其水相體系 的本征安全性，以及超長的循環壽命，特别适用于中大型的電化學儲能 設施，但缺點則是能量密度低、工作溫區窄，因此很難小型化或應用于 高寒地區。相比之下，鈉離子電池的能量密度約是液流電池的 3 倍以上， 可耐受-40℃的低溫，但本征安全性和循環壽命則不及液流電池。未來， 鈉離子電池和液流電池在有望在儲能領域實現優勢互補。例如，戶用和 移動式小型儲能設備對能量密度要求較高，适合使用鈉離子電池；大中 型的電化學儲能電站對安全性的要求較高，适合使用液流電池。

2.3. 鈉電 vs 鉛酸：逐步替代傳統鉛酸，倒逼後者叠代升級

鈉離子電池有望逐步替代傳統鉛酸電池，倒逼鉛炭電池等新技術研發。 鉛酸電池産業化應用的時間超過一個半世紀，其“生産-消費-回收”的産 業閉環已高度完備，優點是低成本、易回收、安全性好，缺點是能量密 度小、循環壽命短、充電耗時較長。目前，鉛酸電池仍然在不斷發展升 級，最具代表性的是融合了超級電容器技術的“鉛炭電池”，其循環壽命 高達 3000 次以上，具備快充能力，并且保留了原鉛酸電池的安全性等 優點，但能量密度進一步降低，且制造成本也相應升高。相比之下，鈉 離子電池的多數性能優于傳統鉛酸電池，未來随着成本進一步降低，有 望實現對傳統鉛酸電池的逐步替代。同時，鈉離子電池的崛起可能會間 接地加快傳統鉛酸電池向鉛炭電池升級叠代的進程，未來的鉛蓄電池可 能将以鉛炭電池等形式煥發新生，而非完全退出曆史舞台。（報告來源：未來智庫）

當前，全球範圍内涉足鈉離子電池産業的企業有接近 30 家。由于技術 路線的優劣尚無定論，也無統一标準，因此不同企業的競争本質上就是 不同技術路線的競争。雖然鈉離子電池的研究曆史長達半個世紀，但其 真正高速發展卻是最近的十年，得益于電極材料研發所取得的重要突破。 我們認為，該産業在未來 3 年内仍将處于導入期向成長期過渡的階段。

3.1. 産業結構：類似锂離子電池

鈉離子電池産業鍊與锂離子電池類似，包含上遊、中遊、下遊三個部分。 上遊：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，涉及基礎化工和有色金屬等産業。中遊：電芯封裝、 電池系統構建與集成等，涉及各類耗材和電子元器件。下遊：終端應用 市場，主要包括儲能和低速電動交通工具等。

3.2. 主要企業：全球已超二十餘家，中國企業獨領風騷

國内外的鈉離子電池相關企業都是在 2010 年以後成立（或進入該領域）， 目前全球已有超過 20 家相關企業，主要分布在中國、美國、歐洲以及 日本，大都為初創型企業，以技術研發和戰略布局為主，尚未形成規模。

3.2.1. 國内：中科海鈉厚積薄發，甯德時代先聲奪人

我國的鈉離子電池研究和産業化世界領先，國内鈉離子電池企業可分為 兩類：一類是科研院所自研技術轉化創建的初創企業，以中科海鈉為代 表；另一類是锂離子電池成熟企業，切入鈉離子電池賽道參與競争，以 甯德時代為代表。

中科海鈉成立于 2017 年，是國内首家專注鈉離子電池開發與制造 的高新技術企業，由中國科學院物理研究所孵化，擁有陳立泉院士、 胡勇勝研究員帶領的研發團隊，曆經 10 餘年探索與積累，是少數 擁有鈉離子電池全領域核心專利技術的電池企業之一，已推出多個 示範項目，并開建首條 1GWh 規模産線。作為中科院物理所孵化的 科技企業，中科海鈉創新能力強勁，掌握從活性材料的基礎研發到 放大生産、從材料到電芯、從單體電池到電池模塊、從電池組件到 應用端的全領域技術。

贲安能源成立于 2017 年，是一家主要從事水系鈉離子電池研發和 生産的高科技跨國企業。公司在新加坡、中國及美國設有全球研發 中心，開展水系鈉離子電池的材料、電芯和結構的研發；在中國、 美國及澳大利亞設有區域公司，負責電池材料的生産制造以及區域 市場業務。公司專注于固定式儲能應用領域，産品具有本征安全性 高、環保無毒的特點，特别适用于人口密集的城市區域儲能電站， 同時适用于室内環境布置；也适合長時間浮充運行，可廣泛應用于 工業備電系統。

3.2.2. 國外：大多數為初創企業，規模小而前瞻性強

國外的鈉離子電池企業主要分布歐美和日本等發達國家，各種材料體系 和技術路線均有公司采用，這些企業大都創立時間較短且生産規模有限， 但是技術前瞻性很強。

英國 Faradion 公司主推層狀氧化物正極。公司成立于 2011 年，是 全球第一家商品化鈉離子電池企業，目前共擁有 31 項鈉離子電池 專利，覆蓋電池材料、電池基礎設施、電池安全與運輸等。公司對 産品的成本和能量密度十分重視，最終目标是以鉛酸般的價格提供 锂電般的性能。2021 年底，公司被印度信實新能源太陽能有限公司 （RNESL）以 1 億英鎊的價格收購，後者還将投資 2500 萬英鎊作 為增長資本，以加速鈉離子電池的商業推廣。

美國 Natron Energy 公司主推水系鈉離子電池。公司成立于 2012 年，是一家研發生産水系鈉離子電池的企業，主推普魯士藍正極材 料。公司高度注重鈉離子電池的安全性，不使用有機溶劑電解質， 其産品安全性極高、循環壽命很長，功率密度僅略低于锂離子電池， 但能量密度僅與鉛蓄電池相當，主要面向靜态儲能應用（數據中心、 叉車和電動汽車的快速充電站）。目前，其鈉離子電池已經初步實 現商業化，在加利福尼亞州聖克拉拉運營着一條試點生産線。下一 步目标是擴大生産，形成鈉離子電池産業鍊。

4.1. 當前問題：材料欠佳、成本偏高、标準未定

4.1.1. 材料研究有待深入：硬碳機理，性能提升，安全評估

目前學術界對于硬碳的儲鈉機理尚存諸多争議，并未完全闡明。為改善 現有硬碳負極首周效率較低等缺陷，必須深入理解其儲鈉的動力學機制， 為技術研發提供最根本的理論指導。 現有鈉離子電池的材料性能尚有較大的改良空間。總體而言，現階段的 鈉離子電池的能量密度與理論值存在較大差距，而且其循環性能也需要 進一步提升。一方面，需要對活性材料進行不斷改進。另一方面，也需 要考慮其整體系統的設計和集成管理。 對鈉離子電池的實際運行安全性需要審慎評估。當前，對鈉離子電池的 安全測試實驗是在電芯層面，結果顯示雖安全性較高，但實際運行後的安全性則亟待觀察，不宜盲目樂觀。尤其是普魯士藍正極，其在熱失控 情況下會釋放出氫氰酸、氰氣等劇毒氣體。

4.1.2. 成本優勢有待實現：技術研發和規模效應缺一不可

鈉離子電池成本的降低依賴于持續技術叠代對可變成本的削減，以及規 模化量産對固定成本的攤薄。理論上，鈉離子電池的确具有很大的材料 成本優勢，但目前産品的實際總成本在 1 元/Wh 以上，還高于磷酸鐵锂， 這主要是由于現階段的技術成熟度不夠而且尚未出現規模效應。一方面， 電極材料的種類、制造工藝等都未标準化，而前驅體也缺乏穩定可靠的 供應鍊，這導緻電極材料的良率、一緻性偏低，實際成本較高，這隻能 通過持續的技術探索改進。另一方面，生産設備的價格較高且折舊損耗 較大，約占制造成本的 20~30%，這隻能通過規模化量産進行攤薄。

4.1.3. 技術标準有待制定：規範市場秩序，促進健康發展

鈉離子電池行業需要建立科學的統一标準，以規範企業的生産活動，促 進産業健康有序發展。現階段，從事鈉離子電池研發生産的廠商的技術 路線各不相同，孰優孰劣存在較大争議。目前，廠商主要是參照锂離子 電池，結合鈉離子電池特性和産業發展情況，制定适合各自企業的标準 或産品規範，并以此指導産品設計及制造工藝、确保産品的良率和一緻 性，這導緻了不同企業之間的産品性能和技術水平參差不齊。行業技術 标準的統一制定，能起到較好的行業引領作用，是實現規模效應的必要 保障。尤其是安全标準，更是約束産品質量的重要依據，也是規範市場 秩序和促進産業健康可持續發展的重要手段。

4.2. 技術展望：增強安全性，提高比能量

4.2.1. 水系鈉離子電池：本征安全的鈉離子電池

以水溶液電解質替換有機電解質，能從根本上提高鈉離子電池的安全性。 當前的鈉離子電池延續了锂離子電池的有機電解液體系，因此無法從根 本上規避爆燃風險，若将其替換為水溶液，不僅能大大提高安全性，還 能簡化生産工藝，同時降低生産過程中的環境污染。目前人們已經報道 了大量的水系鈉離子電池體系方案，其中普魯士藍體系的循環性能最佳， 已經開始産業化嘗試，代表性企業有 Natron Energy、贲安能源等。長期 來看，水系鈉離子電池是一個非常有前景的方向，尤其适用于儲能領域。

4.2.2. 固态鈉離子電池：高能量密度鈉離子電池

以固态電解質材料替換液态有機電解質，能夠制造出固态鈉離子電池。 由于避免了易燃易爆的有機溶劑，電池的安全性得到了實質性提升，并 且大大拓寬了電化學窗口，使得高電勢正極材料和金屬鈉負極的使用成 為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外，由于正負極之間有剛性 的固态電解質阻隔，因而不再需要單獨設置隔膜，再配合雙極性電極工 藝，電池的系統能量密度還能進一步提升。此類材料目前面臨室溫電導 率較低、界面阻抗很大等難題，其産業化尚需時日。

4.2.3. 多客體共嵌負極：石墨作為普适性負極

石墨負極在“多客體共嵌反應”中同樣可以實現絡合鈉離子的有效嵌脫。 由于鈉離子-石墨嵌入反應的 ΔG＞0，因此鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以 對石墨層間進行有效嵌脫，故而難以使用石墨負極。事實上，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”具有重要的啟發意義。一方面，這意味 着石墨負極也可能作為鈉離子電池負極，從而與锂離子電池共用材料産 線，有利于規模化降成本。另一方面，這為設計新一代多電荷離子電池 提供了可能性。但是，醚類電解液的穩定性偏弱，易與正極發生反應， 有待進一步深入研究。

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精選報告來源：【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站

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