锂离子电池发展历程、政策背景、技术及路径对比分析

近年来，全球主要市场国家都积极布局发展钠离子电池。

20 世纪 70 年代爆发两次石油危机，不仅对各国政治、经济格局产生深远影响，也推动了“能源转型”概念的兴起，寻找新型能源的重要性得到明显提升。正是在这一时期，锂电池相关基础研究进展迅速。 1970 年前后首次实现了锂一次电池的商品化，由美国航空航天局和日本松下公司共同研发，以氟化石墨为正极、以金属锂为负极。直到现今，一些锂一次电池仍在使用，例如心脏起搏器采用的锂碘电池等。 其后，研究者们尝试将金属锂电池二次化，使其实现可逆充电。1988 年，加拿大Moli Energy 公司推出了首款商业化的锂二次电池（Li/MoS2），但在一年后，该公司的电池产品出现起火爆炸事故而大范围紧急召回。事故原因是金属锂作为负极在循环中容易生成树枝状的锂枝晶，从而造成电池内部短路引发起火爆炸。由于金属锂负极的安全问题，金属锂二次电池的商业化进程逐渐终止，最终退出市场。

另一条技术路径——锂离子电池则逐渐成型。法国 Armand 提出摇椅式电池的概念，研究是否能够使用具有嵌入式储存锂机制的正负极构建一种新型的二次锂电池体系。摇椅式电池的逻辑下，找到合适的可用于锂嵌入和脱出的正负极材料就成为了关键的一步。1980 年，锂电之父 Goodenough 发现层状结构的钴酸锂（LiCoO2）具有更高的电压和化学稳定性，可替代不含锂的金属硫化物作为锂电池正极；1982 年，美国伊利诺伊理工大学证明石墨可以在聚合物电解质中可逆实现电化学储锂。1991 年，首批商业化的锂离子电池在索尼公司问世，采用的正是以钴酸锂为正极、以石墨为负极的材料体系。

我们梳理了锂离子发展历程中的诸多重大事件，可以看到，学术层面尤其是材料科学领域技术的突破、产业层面产品的研发和推出，以及市场需求的变化等都共同推进了锂离子电池的发展。技术突破方面，尖晶石状锰酸锂（LiMn2O4）、橄榄石状磷酸铁锂（LiFePO4）、富锂锰基材料（Li2MnO3·LiCoO2）、三元过渡金属镍钴锰复合氧化物（LiNi1-x-yCoyMnxO2）在 1983、1996、1997、1999 年相继被提出。站在如今的视角来看，钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂构成了当今最广泛运用的电池材料体系框架。而三元材料中，NCM333、NCM523、NCM622、NCM811，以及更高镍的三元材料体系相继推出，通过调整成分比例参数优化性能。负极材料方面，钛酸锂、非晶态锡基材料、硅基负极等多种材料也先后问世，成为不同阶段材料体系研究和产业化的重点与热点。大量企业的加入推动了研发与生产，索尼、松下、特斯拉以及中国的比亚迪、宁德时代等都是锂离子电池市场重要的玩家，在其发展史上留下了浓墨重彩的一笔。与之相呼应，锂离子电池产品层出不穷，从圆柱 18650 到特斯拉 4680、比亚迪刀片电池、宁德时代麒麟电池等。同时还可以看到竞争产品的兴衰变迁——从铅酸电池、镍氢电池，到氢燃料电池；以及市场需求的变化趋势——从笔记本电脑、手机等 3C 产品到动力和储能领域。

应用场景来看，锂离子电池几乎占据了 3C 电子产品领域全面市场，在电动车应用领域也处于主导地位。近几年，电动交通不再局限于电动车，而是开始向系统能量MWh 级以上的电动船舶和电动轨道交通扩张，尽管在经济性上目前还没有优势，但在节能减排、能源转型方面有重要意义，因此已经出现部分商业示范。例如 2017 年 11 月 12 日，全球首艘 2000 吨级新能源纯电动船在广州广船国际龙穴造船基地吊装下水，安装有重达26 吨的超级电容+超大功率的锂电池，整船电池容量约为 2400kWh。储能方面，最为传统的抽水蓄能之外，新型储能占据较大份额，其中又以锂电储能为最。根据中关村储能产业技术联盟（CNESA）不完全统计，截至 2022 年底，全球已投运电力储能项目累计装机规模 237.2GW，年增长率 15%。其中，新型储能累计装机规模达 45.7GW，年增长率80%。新型储能中，锂离子电池仍占据绝对主导地位，年增长率超过 85%，其在新型储能中的累计装机占比 94.4%，与 2021 年同期 90.9%相比上升 3.5 个百分点。 最后，锂离子电池技术快速发展叠加规模效应带动锂离子电池成本下降，据鹏辉能源等，50%成本下降来源于化学体系和材料的迭代，30%成本下降来源于规模效应。尽管2022 年由于原材料价格高企电池价格转为上升，但在较长的时间跨度来看依旧呈现下降的趋势。

如上所说，锂电池的发展历程经历了锂一次电池、锂二次电池、锂离子电池三个阶段。20 世纪 90 年代初期，索尼最早推出了锂离子电池产品，就此开启锂离子电池技术商业化应用。90 年代，笔记本电脑、手机等 3C 产品开始进入锂电时代；在苹果品牌发布后，手机行业跨入智能机时代，迎来爆发式发展，锂离子电池行业规模也随之水涨船高。21 世纪后开始出现使用锂离子电池的商用化电动车，中美欧等主要汽车市场的电动化转型更是为锂离子电池大规模商业化创造了可观的市场空间。在下游市场需求放量的过程中，锂离子电池材料与制造技术的革新带来的降本增效也是关键的一环，使之成为最适合商业化的技术。

我们将钠离子电池与锂离子电池进行类比，认为钠离子电池与早期锂离子电池有不少相似之处，也存在有明显差异。相类似地，钠基电池方面同样诞生出了金属钠电池、钠离子电池两种不同的技术方向；其中钠离子电池与锂离子电池结构相似、工作原理一致，都在关键材料的突破后得以问世。市场方面来看，如今政府出台多项储能与新型储能支持政策，储能市场需求快速爬升，这一情境与锂离子电池发展过程中 3C 电子产品、电动车和储能等下游市场高速发展也相类似。政策角度来看，电动车凭借电池能量密度受到补贴支持，带动了锂离子电池产业链快速发展，而如今钠离子电池在诸多政策文件中普遍被定位于“新型储能技术”，同样借力政策东风蓬勃发展。而最大的区别在于，在钠离子电池兴起的当今，锂离子电池以及其他技术早已发展得相对成熟，钠离子电池从科研到产品制造一定程度上都受到已经成型的锂离子产品的影响，布局钠离子电池的企业除了专注于钠离子电池的创新型企业（中科海钠、钠创新能源等）外，还有相当比重的传统锂离子电池企业（宁德时代等）。

近年来，全球主要市场国家都积极布局发展钠离子电池。从政策来看，主要是将钠离子电池定位为一种储能技术。 美国：2020 年，美国能源部（DOE）发布了《储能大挑战路线图》（Energy Storage Grand Challenge Roadmap），设定了“美国创新、美国制造和全球部署”三大战略目标，提出将在“技术开发、制造和供应链、技术转化、政策与评估、劳动力培养”等五大重点领域开展行动。并肯定了钠离子电池在储能领域的应用潜力，表明有多家隶属于DOE 的研究机构正专注于钠离子电池的开发工作。 欧洲：2021 年，欧洲汽车和工业电池制造协会（EUROBAT）也发布了《2030 电池创新线路图》（Battery Innovation Roadmap 2030），表示铅系、锂系、镍系和钠系四种电池各有优势，都有创新发展潜力，计划将加大创新投资。

中国：2021 年以来，《关于加快推动新型储能发展的指导意见》、《“十四五”可再生能源发展规划》、《“十四五”新型储能发展实施方案》等多份政策文件出台，明确到2025 年，新型储能将由商业化初期步入规模化发展阶段，装机规模达 30GW 以上，其中电化学储能系统成本降低 30%以上；到 2030 年实现新型储能全面市场化发展，基本满足构建新型电力系统需求。钠离子电池等新型储能技术被列入重点发展方向之一。此外，首批钠离子电池行业标准正加速制定，2022 年 7 月立项，10 月征求意见 1 稿公布，也预示着钠离子电池产业化的临近。 我们认为，欧美作为经济、科技较发达的两个重要市场，储能技术或电池技术在政策引导下发展趋势明确。但是欧美在锂离子电池产业优势不大，如今全球锂离子电池大部分产量来自中日韩，叠加欧美在其他路径如氢燃料电池、固态电池等研发投入较多，因此我们看好欧美地区储能市场的高速稳健发展，但认为其在钠离子电池这一项技术的投入或相对有限。中国方面，政策设定了明确的目标 2025 年新型储能装机规模 30GW 以上，同时，中国政策同样强调并坚持技术的多元化，这一点可以在支持电动车但未禁止燃油车有所体现。对比来看，我们认为在锂离子电池技术较为领先的中国更有望在钠离子电池的技术突破、市场占有等方面推进迅速。

正极材料： 钠离子电池正极材料主要有氧化物（层状氧化物和隧道型氧化物）、聚阴离子、普鲁士蓝、有机四大类。 各技术的特点与发展现状来看，层状氧化物结构与锂电三元正极材料类似，生产工艺也与之接近，制备简单，比容量和电压较高，但是大多层状材料容易吸水或与空气反应，因此在稳定性方面有所不足，此外通常含有铜或镍，因此一次成本偏高。目前来看，层状氧化物工艺较为成熟，是当前首选的量产方案，在电动两轮、四轮车和储能上的推进都较快。深耕层状氧化物路线的电池和材料企业包括中科海钠、华阳股份、亿纬锂能、孚能科技、多氟多、蜂巢能源、鹏辉能源、钠创新能源、容百科技、振华新材、传艺科技等。隧道型氧化物对空气和水的稳定性都较高，但是首周充电比容量较低，实际可用的比容量较小。目前隧道型氧化物主要还是处于学术研究阶段。

聚阴离子正极材料结构与磷酸铁锂的橄榄石结构类似，结构稳定性强，具备最长的理论寿命，倍率性能、循环性能都较好，量产难点在于导电率（电子电导率）较差；为提高导电性可以采取碳包覆和参杂手段，但又会导致体积能量密度降低。目前研究较多的材料方案包括磷酸铁钠、氟磷酸钒钠和磷酸钒钠，其中钒的成本较高且具有毒性。行业观点普遍认为，聚阴离子是钠离子电池应用于大型储能最具潜力的技术路径。布局该路线的企业包括鹏辉能源、众钠能源、珈钠能源、蜂巢能源、法国 Tiamat 等。 普鲁士蓝类材料的结构稳定性和倍率性能也较好，过渡金属可仅使用成本较低的铁或锰，但是工艺尚不成熟，存在结晶水难以除去（循环寿命较低）、过渡金属离子溶解等问题。此外，原料中包含氰化钠等氰化物，有剧毒，我国对氰化物相关的生产和销售管制严格，国内具备氰化物生产资质企业有限。选择该路线的企业包括宁德时代、美联新材等。容百科技、格林美和长远锂科等公司对普鲁士蓝化合物亦有技术储备。有机类正极材料相对不够常见，比容量较高，但是电子电导率较差，且易溶解于有机电解液中。

负极材料： 从锂离子电池的发展历程来看，石墨负极的出现解决了金属锂作为负极产生枝晶导致的安全问题，对锂离子电池的商业化起到了重要的促进作用。相类似，金属钠作为负极同样容易析出钠枝晶而破坏隔膜、导致内部出现短路，且金属钠熔点约为 97.7℃，反应活性高，容易产生安全隐患。而石墨在碳酸酯电解液中几乎没有储钠能力。因此，钠离子电池的产业化实现需要一个另外的负极材料，目前主要的负极材料方案包括碳基、钛基、有机类、合金等。 其中，无定形碳具有较高的储钠比容量、较低的储钠电位、优越的循环稳定性，是最具有发展潜力的负极选项。无定形碳的石墨化程度相对较低，依照石墨化难易程度又可分为软碳（易石墨化碳，在 2800℃以上可以石墨化的碳材料）和硬碳（难石墨化碳，在2800℃以上难以完全石墨化的碳材料）。其中，硬碳比容量较高，但成本较高，前驱体来源主要是生物质、淀粉、树脂等，产碳效率较低；布局企业包括贝特瑞、翔丰华、杉杉股份、璞泰来、佰思格、珈钠能源等。软碳比容量较低，成本较低，前驱体来源书要是煤、沥青、石油焦等石化工业副产品，产业链配套更为成熟，产碳效率 90%以上；布局软碳的企业主要是中科海钠。

另一个碳基材料方面的研究集中于纳米碳材料——石墨烯和碳纳米管。石墨烯具有平面结构，通过类似表面吸附的方式储存钠，但首周库仑效率低、反应电势高、成本高。碳纳米管通过钠离子在材料表面或缺陷处的吸附、杂原子结合等方式储钠，倍率性能较好，但首周库仑效率较低。由于以上问题，纳米碳目前还处于研究阶段，尚难以进入实际应用。 其他材料方面，钛基材料空气稳定性好，但电导率和比容量较低；有机化合物原材料来源广泛，成本低廉，对环境友好，但电子电导率较低，且易溶于电解液；合金类材料（主要指钠合金）有较高的理论比容量和较好的导电性，但循环稳定性明显不足。由于性能不足，这些材料还无法满足商业化要求，也处于研究阶段。

电解液： 钠离子电池电解液体系与锂离子电池类似，也由溶质、溶剂、添加剂三类组成。除了溶质须从锂盐替换为钠盐（六氟磷酸钠为首选）外，由于钠离子电池与锂离子电池工作机理类似、电解液体系相近，钠离子电池电解液的开发往往是在锂离子电池成熟体系的基础上进行调整。生产端同样，天赐材料、新宙邦、多氟多等锂离子电池电解液相关企业均对钠离子电池电解液有所布局，钠离子电池电解液的生产体系也可一定程度上沿用现有锂离子电池体系，实现部分产能共享。

隔膜： 锂离子电池所使用的隔膜材料基本都可移植到钠离子电池体系中去，主要是聚烯烃类的聚合物材料，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、PP-PE-PP 复合膜等。相关企业包括恩捷股份、中材科技、星源材质、东风股份等。

集流体： 锂离子在低电位时容易与铝箔反应生成 Al-Li 合金，因此负极侧采用铜箔，而钠离子在负极不和铝反应，因此钠离子电池正负极极片均可采用铝箔。这进一步加大了钠离子电池的成本优势，以 3 月 24 日材料价格来看，铝箔（15μm）成本约 3.6 万元/吨，远低于铜箔（8μm）成本 9.3 万元/吨。主要厂商包括鼎胜新材和万顺新材等。

总结： 钠离子电池对比锂离子电池在结构上类似，在制造工艺方面存在部分技术壁垒。目前来看，正极材料中层状氧化物工艺成熟，是首选的量产方案，布局企业也最多；聚阴离子具备最长的理论寿命，发展潜力被看好，只要解决能量密度、材料成本等问题，有望开启高速发展；普鲁士蓝类材料是相对新型的正极材料方案，需要特定的产业化配套，需要突破循环寿命的限制，是目前三条路线中产业化进度最慢的一个。负极材料方面，硬碳比容量性能优越，但成本过高，是大多数企业布局的方向。其他环节如集流体铝箔、电解液、隔膜、电池封装等均可以复用锂离子电池的产业链，产业化基础相对较好。总体来看，多技术路线并存的局面或将长期存在，正如锂离子电池中三元与磷酸铁锂的并行发展。正负极有部分技术路径还存在性能方面的不足，其中负极材料性能提升是量产的关键一步。

不同电池技术之间存在竞争，因此我们就性能与成本将重点几类电池种类进行了对比。从已问世的产品来看，宁德时代 2021 年发布的第一代钠离子电池电芯单体能量密度160Wh/kg，常温下充电 15 分钟，电量可达 80%以上，在-20℃的低温环境中可拥有90%以上的放电保持率，系统集成效率可达 80%以上；其第二代钠离子电池电芯能量密度据称将突破 200Wh/kg。中科海钠 2023 年发布的三款钠离子电芯产品（NaCR32140-ME12 圆柱电芯、NaCP50160118-ME80 方形电芯及 NaCP73174207-ME240 方形电芯）能量密度分别为140Wh/kg、145Wh/kg、155Wh/kg，循环寿命均超过 2000 次。 性能综合对比来看，能量密度方面，钠离子电池能量密度在 100-160Wh/kg，高于铅酸电池的 30-50 Wh/kg，稍低于磷酸铁锂电池 120-190Wh/kg（但理论上能够齐平），明显低于三元锂电池 180-350Wh/kg；循环寿命方面，钠离子电池与磷酸铁锂电池优于其他选项；低温性能方面，钠离子电池使用温度拓宽至-40-80℃区间，适用于高寒应用场景，优于其他所有选项。

在成本方面，根据中科院物理所胡勇胜团队测算，铜铁锰层状氧化物、普鲁士白类、镍铁锰层状氧化物三类材料体系的钠离子电池 BOM 成本分别为 0.26 元/Wh、0.26 元/Wh和 0.31 元/Wh；推广期钠离子电池总成本预计 0.5-0.7 元/Wh，发展期总成本有望降到0.3-0.5 元/Wh，爆发期成本将大幅降低至 0.3 元/Wh 以下。另外，根据当前行业数据，用于小试和中试的钠离子电池成本大致在 0.8-1 元/Wh 水平。 对比铅酸电池，铅酸电池的原材、辅材成本较低，制造成本也偏低，行业普遍认为考虑了回收后的铅酸电池成本约 0.3 元/Wh，相对较有竞争力。但铅酸电池技术发展较为成熟，成本下降的空间也较为有限。且铅酸电池循环寿命较低、环境不友好，在使用中面临一些压力。根据对钠离子电池各性能的评判，可以预期未来钠离子电池单位比能量的成本、单次充放电循环的成本将与铅酸电池相当甚至更低，因此在低速电动车、储能等领域有望出现钠离子电池对铅酸电池的替代。

对比锂离子电池，当前锂价经历了几个月的下跌，碳酸锂月均价格（截至 4 月25 日）约为 19.6 万元/吨，氢氧化锂月均价格（截至 4 月 25 日）约为 27 万元/吨，对应磷酸铁锂电芯月均成本约为 0.4-0.5 元/Wh，三元锂电池电芯月均成本约为 0.5-0.7 元/Wh。我们假设锂价在 4 月 25 日价格基础上分别上涨和下跌 30%（其他原材料价格保持当前水平），推算得磷酸铁锂电芯成本位于 0.41-0.46 元/Wh 区间水平，5 系三元电芯成本位于0.54-0.6 元/Wh 区间水平，8 系三元电芯成本位于 0.61-0.69 元/Wh 区间水平。相较之下，当前实际钠离子电池成本（0.8-1 元/Wh）相对较高，较低的锂电成本可能在一定程度上减少行业对于推进钠离子电池技术的动力，但锂价波动大和锂资源限制的风险依旧促使行业积极推动钠离子电池的发展。 由于能量密度和安全性能的考虑，钠离子电池主要与磷酸铁锂形成竞争，因此我们对磷酸铁锂电池成本进行了额外的推演，并与预期中钠离子电池成本进行对比。当碳酸锂价格高于 32 万元/吨时，磷酸铁锂电芯成本将突破 0.5 元/Wh；而即使碳酸锂价格低至 5 万元/吨，叠加其他原材料成本和制造成本等部分后，磷酸铁锂电芯成本还是会达到约 0.37 元/Wh 的水平。按照预期，规模化生产后（发展期）的钠离子电池成本 0.3-0.5 元/Wh，将与磷酸铁锂成本区间可以有所重合，对比磷酸铁锂电池凸显明显的差异化还存在一定难度；而爆发期成本有望降至 0.3 元/Wh 以下，该阶段对比磷酸铁锂则能有产生明显的价格优势。

在这个成本对比的讨论中，我们可以对锂离子电池回收再利用抱持期待，目前，相关技术的投资与研发同样如火如荼，电池回收一方面增加了废旧电池回收成本和加工分离成本，另一方面减少了锂矿石开采成本和特定材料制造成本。我们预期，即使短期内电池回收难以对锂电池成本带来突破性影响，但在中长期来看，锂离子电池成本有望借助回收得以进一步下探。