鈉離子電池行業專題：多方發力，趨勢已成

鈉電池 ，是鋰離子電池的 完美替補？

鈉離子電池具備替代鋰離子電池的條件

工作原理：與鋰離子電池相同：屬搖椅式二次電池， 充電時鈉離子從正極脫嵌，通過電解質和 隔膜后在負極嵌入，放電時則相反運動。

鈉源：氫氧化鈉、碳酸鈉、甲酸鈉、醋酸鈉、氯化鈉等；儲量豐富， 易于開采，供應鏈安全風險小； 鋰源：氫氧化鋰（三元）、碳酸鋰（鐵鋰）；原礦品位低，開采難度 大，周期長，價格波動較大，對外依存度高；

鈉離子電池產業化發展的突破口：材料端，重點是鈉電專用正負極主材的開發

正極材料：離子半徑上的差異意味著鈉化合物 在晶格結構與鋰存在區別，需要發掘或通過界 面和結構調控實現兼具良好電性能和循環壽命 的鈉基正極主材。

負極材料：商業化的石墨負極或硅碳負極（層 狀有序結構）不適合儲存鈉離子。

電解液：主要溶劑由六氟磷酸鋰切換成六氟磷酸鈉，壁壘較低。

隔膜、集流體：隔膜孔隙大小為納米級別，離子半徑的差異可忽略與鋰電池通用；鈉與鋁無合金化反應，不 會侵蝕鋁箔，負極集流體可用鋁箔替代銅箔。

其他添加劑：包括正負極添加劑，電解液溶劑，大體與鋰電池相同，通過開發新型輔材、或配方用量的調配 達到性能與成本的均衡兼顧。

鈉離子電池產業化發展的突破口：電池端，重點關注鈉電專用電池管理系統的開發，測試數據庫的完善和行業標準的制訂

電芯設計：包括電池形態（圓柱、方形、軟包），正負極主材的選型，和輔材的搭配， 以期優化電池的綜合性能。電芯工藝：電芯產線工藝參數的優化（關鍵是極片段和化成段）和know-how經驗的積累。

測試/模擬數據庫：處在產業化初期，循環性能、日歷壽命等長周期驗證數據相對匱乏（以1C倍率循 環為例，算上靜置時間，一天8次循環，獲取3000次循環數據需1年時間）。

模組/系統集成：鈉電池在能量密度的表現遜色于鋰電池，需要對模組集成上做出優化。電池管理系統開發：充放電特性、電壓模式、熱量分布等均有差異，需要針對性地開發 BMS系統。

標準化：包括性能指標，規格和測試方法等，有利于產品推廣和成本降低。

鈉離子電池，如何設計？

鈉離子電池正極材料：層狀金屬氧化物

層狀金屬氧化物NaxMO2 由于鈉離子的含量的不同存在多種結 構，主要分為O3（x=0.8~1）和P2（x=0.67~0.8）結構。1. O代指，Na+被周邊氧離子包圍，占據八面體點位，P代指占 據棱柱點位 ，下標3指 ABCABC形式的層狀堆積，2指 ABBAAB的堆積形式。 2. O3結構Na+的含量更多，因此容量相對更高，但是Na+的傳 輸動力學相對P2結構更差，且在脫嵌過程中易使晶體結構發 生不可逆的相變，循環性能下降。 3. 若x<0.5，晶格結構呈三維隧道狀，結構穩定，循環性能佳， 但鈉離子點位少，能量密度低。< />>

鈉離子電池正極材料：層狀金屬氧化物制備

多離子摻雜+晶相調控：容百科技鈉電池正極材料NaiNixFeyMnzM1-x-y-zO2

1. 通過多離子摻雜對晶相進行調控，結構中的TM-O鍵長發生改變，材料同時具備P2相和O3相，相界之間的復合有效抑制不可逆相變， 結構穩定性提高，循環性能和放電容量更佳。

其他改性方式：層狀-隧道復合結構（格林美）

1. 內核包括高錳含量的NaxMnaM1-aO2，提供高能量密度，外殼包括NaxNibMncFedO2，起結構穩定作用，減低活性物質與電解液發生的副 反應，提高循環性能。 2. 生產工藝與鋰電池三元材料的生產流程相似，重置成本低。

鈉離子電池，如何設計？--正極材料

NASICON型聚陰離子型化合物NaxM2 (XO4 )3，相較層狀金屬 氧化物，晶體結構呈現擁有較大間隙的三維框架。1. x=1~4; M可以是V, Fe, Ni, Mn, Cr等; X 則是P, S, Si, Se, Mo 等，典型代表為Na4V2 (PO4 )3 ，相較磷酸鐵鈉電壓更高 （V4+/V3+氧化還原對平臺電壓3.4V）。 2. 聚陰離子多面體中氧原子的強共價鍵(PO4) 3?，材料晶體結構 穩定，循環性能優于層狀氧化物材料，同時，開放的三維通 道也帶來更高的離子電導率。

鈉離子電池正極材料：聚陰離子型化合物材料制備工藝（共沉淀法）

工藝要點 ：1. 在水系體系下對溫度和PH的控制，與釩源轉換率，產品的晶粒和表面活性結構的修飾息息相關。 2. 釩源為氧化物釩源或偏釩酸鹽，成本較低；鈉源為氟化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉等；氟源為氟化鈉、氟化銨、氫氟酸等。 3. 原液中Na:V:P:F摩爾比：(3-4):2:(2-2.5):(3-4)。

優化方向： 1. 材料優化：摻雜、包覆；在Na4MnV(PO4 )3顆粒表面均勻包覆碳層，且碳層上摻氮，提高電子/離子傳輸速率。 2. 工藝優化：固相法；的鈉源、磷源、錳源、碳源通過球磨混合，碳層包覆以及氮摻雜均在燒結過程一步成型，簡化工藝，降低 成本，有利于大規模生產和工業。

鈉離子電池正極材料：普魯士藍類(PBAs)正極材料價格便宜，理論比容量高，但是產業化難度相對較大

普魯士藍類Na2M[M'(CN)6 ] (M, M' = Fe, Co, Mn, Ni, Cu, Zn etc.),長期用于生產深藍色顏料，因為成本上具備優勢，其在 鈉電池正極領域的應用被開發。1. 晶格是具有開放的離子通道和寬敞間隙的三維剛性框架， 利于鈉離子快速傳輸。 2. 含兩種不同的氧化還原活性中心：(如Na2Fe[Fe(CN)6 ]的 M2+/3+和Fe2+/3+），理論比容量高（170mAh/g）。 3. 該 晶 格 結 構 存 在 結 晶 水 和 [Fe(CN)6 ] 空 位 , 導 致 Fe?C≡N?Mn骨架破壞，可逆容量，倍率能力和循環穩 定性低于理論值。

鈉離子電池，如何設計？--負極材料

鈉離子電池負極材料：硬碳體系生產工藝

工藝要點： 1. 微孔結構調節：0.3～0.7nm，更多的鋰簇儲鋰空間，提高材料容量，更快脫嵌鈉，提升倍率性能； 2. 材料結構調節：硬炭負極材料為球形，硬炭顆粒球形化減少顆粒間堆積密度，提高負極壓實，獲得高能量密度。 3. 交聯劑的選擇：采用有機交聯劑避免了無機交聯劑（氯化銨和硫酸銨)在高溫碳化過程分解并腐蝕碳化設備帶來的風險； 此外，適宜的交聯劑亦可增大碳鏈之間的交聯反應，調節碳層間孔隙數量，提供更多儲鈉空間 4. 燒結方式：需要在效率和化學反應質量上做出權衡，提高加熱速度、降低保溫時間的同時，需要保證內部脫氫充分，淀粉 原料的球形形貌不被破壞等，避免對首效、能量密度和壓實密度造成影響。

硬碳的碳化溫度小于1500°C，低于石墨化溫度，生產成本低；主要設備為球磨機，加熱爐，工藝簡單，設備重置成本低；采用不同 的前驅體，生產工藝需針對性的進行細節調整，在材料性能、成本和生產難度等方面尋求均衡。

鈉離子電池，如何設計？--電池環節

鈉離子電池優化：正極補鈉

鈉離子電池硬碳負極存在首效較低的問題，造成正極活性物質在首次充放電的大量損失，全電池能量密度下降。通過在電池激活前前添 加額外鈉離子來補償活性鈉離子損失，以此提高首效，稱為補鈉技術。 正極補鈉劑：作為添加劑與正極活性物質混合制成漿料，涂敷在鋁箔制成極片，組成電芯。在電池化成時被氧化，釋放鈉離子補充首次 充放電過程不可逆的活性鈉離子損失。

1. 正極補鈉劑典型代表有Na2S、NaN3、Na2NiO2、NaCrO2、Na3C6H5O7、Na2C6O6等。 2. 需把控合適的添加比例，關注正極添加劑分解釋放氣體或添加劑殘留等問題。 3. 中南大學采用NaCxNyHz型補鈉材料，摻雜比例9%-17%wt，提高全電池能量密度約20-30%；電池生產工藝方面，可增加degassing設 置、步驟，解決材料反應分解的產氣問題。

鈉離子電池，產業化提速

鈉離子電池政策支持及終端應用需求

工信部及國家發改委出臺多份文件，為鈉離子電池的產業規范 化發展，行業標準化制訂等領域提供了支持與指導意見。

預計2023年，鈉離子電池先對二輪車市場進行滲透，并具備替 代低速車的條件；儲能領域，則先行對MWh基本的中小型工商 業儲能系統和戶儲進行滲透。

鈉離子電池產業化進程

預計2023年形成萬噸級規模的鈉離子電池正極產能，其中僅容百，鈉創，美聯新材遠期規劃近30萬噸正極產能，滿足近115GWh的電池 裝機需求。國內主要負極制造商均已開始布局，目前形成千噸級規模的鈉離子電池負極產能。

投資分析

單晶材料無晶界，避免了循環過程晶界開裂、顆粒破碎，內 部排列具各向同性，結構穩定更高；同時也更適配高壓體系， 使更多離子脫嵌，進一步提高能量密度。通過特殊微晶結構前驅體，結合多原子摻雜進行修飾，形 成有特殊外殼包裹的核狀結構層狀金屬氧化物，在生產過 程中通過煅燒工藝調節晶相，提高材料循環穩定性。

傳統方法制備普魯士藍類正極材料粉末，由于顆粒粒徑小、比表面積大、以及表面吉布斯自由能大，容易出現團聚問題，通過機械、離 心手段難以形成材料均勻分散的漿料。1. 工藝直接采取普魯士藍類化合物的溶液（對固含量進行調控），加入粘接劑、導電劑等輔料形成漿料（固含20％-60％），活性材料分 散均勻，團聚現象得以解決。 2. 省去了沉淀、過濾以及干燥等工序，生產效率大大提升。

解決行業痛點：普魯士藍除結晶水；電池集成解決方案。通過干燥脫水獲得的普魯士藍類正極材料，加入導電改性液 進行表面處理，改性液中的含硼元素，如(BO3 ) 3-、BF3可以 與過渡金屬形成配位或取代過渡金屬結合的配位水，防止曝 露在空氣中重新產生結晶水

鈉離子電池模組方案，解決能量問題（AB電池）。整合鋰離子電池的高能量密度和鈉離子電池的快充和低溫 應用，搭配A00/A0車型擁有較大優勢。 將兩種體系的電池混搭、集成至統一系統，BMS系統的 精準算法和聯動調控是關鍵難點。

報告節選：

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