2022年钠离子电池行业研究 原理、市场空间测算、材料属性及主要企业及进展分析

1.钠离子电池原理及市场空间测算

钠离子电池工作原理与锂电池一致

钠离子电池由来已久，与锂离子电池原理相同。钠离子电池最早由ARMAND团队于20世纪80年代提出，在90年代经过产业化推广得到技术应用。钠离子电池本质 是在充放电过程中由钠离子在正负极间嵌入脱出实现电荷转移、而锂离子电池是通过锂离子在正负间移动来进行电荷转移，工作原理实质上相同的。从材料体系来看，除了隔膜以外，其他各材料组分均有明显变化，特别是正极和负极材料变化明显。

钠电池生产工艺与锂电池相似

生产工艺方面：钠离子电池生产工艺同锂离子电池类似，主要包括极片制造（正负极搅拌制浆料-烘干-涂布等）和电池装配（辊压-模切-卷绕/叠片-入壳-封 装-化成-分容分选等），主要区别在于钠离子电池可采用铝箔作为负极集流体，因此正、负极片可采用相同的铝极耳，极耳焊接等相关工序可以更加简化。因 此，锂离子电池现有的电池组装生产线稍加修改即可用来生产钠离子电池，发展钠离子电池的重置成本很低。

钠离子电池优势

资源丰富

钠资源丰富：钠元素在地壳中丰度为2.3%，位居所有元素第六位，显著高于锂元素的0.0017%。陈立泉院士表示目前全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足 14.8亿辆电动汽车，随着全球电动化加快，锂资源短缺压力进一步体现。

钠资源分布更均匀：据美国地质调查局2019年报告显示，南美洲国家阿根廷、智利、玻利维亚三国锂资源储量在全球中占比达到52.10%，中国锂资源储量占比仅 为7.26%，资源分布极度不均匀。中国所需60%以上锂原料均需要进口，对外依存度高。钠元素以盐的形式广泛存于陆地与海洋中，获取便捷度高。

成本低

钠离子电池成本优势主要体现在：1）钠盐替换锂盐。金属钠价格为1.9万元/吨、碳酸钠价格为0.3万元/吨，显著低于金属锂的298万元/吨、碳酸锂的48.4万 元/吨，原材料价格更为低廉。2）铝箔替换铜箔。假设铜箔价格为11万元/吨、铝箔价格为4万元/吨，假设1GWh锂电池需要622吨铜箔、400吨铝箔，1GWh钠离 子电池需要800吨铝箔，那么锂电池单Wh集流体成本为0.084元、钠电池单Wh集流体成本为0.032元，成本下降0.052元/Wh。3）石墨负极有望更换为无烟煤降低 成本。根据中科海钠数据，钠离子电池材料成本约0.37元/Wh，显著优于磷酸铁锂和三元锂电池体系。

安全性高

钠离子电池具有更为优异的安全性能： 钠离子电池内阻高，在电池短路时电路中电流更低，瞬间发热更少。 锂的标准电极电位更负，在水溶液里表现更为比钠更容易失电子，因而钠离子电池具有更高的稳定性。 钠离子电池经历短路、针刺、挤压等测试后，无起火、无爆炸。锂离子电池存在过放电的问题，会造成铜箔等集流体溶解、电池容量不可逆衰减；而钠离子电 池无过放电情况，正极可以放电至0V而不影响后续使用，进而使得电池在储存运输过程中更具安全性。同时，钠电池在热失控时容易钝化失活，因而安全测试 表现更优。

低温性能佳&倍率性能好

率性能优异：钠离子溶剂化能低于锂离子，界面离子扩散能力强,且钠离子斯托克斯半径小，相同浓度电解液情况下较锂盐电解液离子电导率更高，快充性 能更好。根据宁德时代数据，钠离子电池能够在15min内充电至80%，中科海钠则提出其电池能够在12min内充电至90%，充电速度均明显优于正常状态下锂离子 电池30min充电80%的充电速度。

低温性能优异：钠离子离子电导率高，电解液的浓度要求更低，低温时电解液粘度比锂离子电池更低，电池整体性能更为优异。钠离子电池正常工作温度范围 在-40℃-80℃，部分产品在-20℃下容量保持率能够达到88%，显著优于磷酸铁锂60-70%左右的容量保持率。

钠离子电池不足：循环寿命、能量密度尚有改善空间

循环寿命：钠离子电池现在整体循环寿命在2000次左右，比磷酸铁锂电池表现略差，相较于部分用于储能领域的循环寿命超5000次的磷酸铁锂电池而言仍有一 定差距。

能量密度：钠创新能源钠离子电芯能量密度超130Wh/kg，立方新能源产品电芯能量密度为140Wh/kg，中科海钠产品能量密度为145Wh/kg，仍有进一步优化的空 间。

全球钠离子电池市场空间测算

我们预计2025年全球储能电池需求为342GWh，假设2025年全球储能领域钠电池渗透率5%，储能领域钠电池需求量为17GWh； 我们预计全球电动二轮车领域钠电池需求量5GWh，电踏车市场钠电池需求量为0.91GWh； 合计全球钠电池2025年需求为23GWh，假设单位价格0.6元/Wh，2025年钠电池市场空间为138亿元。

2.钠离子电池材料属性

钠离子电池正极材料路线百花齐放

钠离子电池正极体系按照晶体结构，可区分为氧化物类（层状结构和隧道结构）、普鲁士蓝类、氟化磷酸盐类、磷酸盐类、硫酸盐类等，其中层状氧化物、聚 阴离子类以及普鲁士蓝类是主流三种正极路线。目前主流三种方案各有优劣，预计短期内技术路线仍呈多样化发展态势。 层状氧化物（锰酸铁钠、钛酸铁纳等）结构与锂电池三元材料构型相似，具有优异的能量密度优势，但循环寿命略差；普鲁士蓝类化合物优势在于成本低，不 足在于导电性差、循环寿命差；聚阴离子型构型循环寿命突出、电压高，但是比容量低、且部分构型里添加了钒元素成本高。

正极材料

层状氧化物

层状氧化物成熟度相对较高，且综合性能优异。层状氧化物与锂离子电池三元材料均为一种嵌入或插层型化合物，二者生产工艺类型且产线可以共产，工艺成熟 度相对较高。同时，层状氧化物具有比容量高、压实密度高的优势，但由于钠离子半径大在嵌入或脱嵌过程中会造成结构不可逆变动进而降低材料循环寿命。此 外，由于二维结构钠离子的灵活性，因而层状氧化物极易与空气中的水和二氧化碳等物质反应，在晶体结构表面形成副产物。

层状氧化物化学通式为NaxMO2（M为过渡金属元素镍钴锰铁等）。根据钠离子的配位环境和氧的堆积方式不同，可分为O3、P3、P2、O2 等，其中O3和P2是主流方 案。O3构型（如NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2等）具有更高的钠含量，能量密度更高，但由于钠离子迁移时要经历狭小的四面体位置，扩散能垒高，循环寿命差。P2 构型（如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2等）循环寿命较好、空气稳定性较高，但比容量略差。针对层状氧化物脱嵌过程中的相变问题，常采用引入锰铁铜 等元素掺杂来获取稳定的晶体结构

层状氧化物产业化进展：国内电池企业中，宁德时代使用层状氧化物和普鲁士白共同推进的方案，中科海钠选用铜铁锰氧化物（P2-Na0.9Cu0.22Fe0.3Mn0.48O2）， 钠创新能源选用铁酸钠基氧化物（O3-NaFe0.33Ni0.33Mn0.33O2）以及磷酸钒钠作为正极方案；国内材料企业中，振华新材具有层状氧化物生产能力，并且布局10万 吨三元材料与钠离子正极材料共产线。海外企业中Faradian采用镍基层状氧化物方案。 • 根据钠创新能源、广东邦普等公司专利数据，层状氧化物中过渡金属元素可使用过渡金属硫酸盐、过渡金属草酸盐、过渡金属氧化物等作为原材料。

聚阴离子材料

聚阴离子材料结构稳定、循环寿命长，但是成本高、能量密度表现较差。聚阴离子材料化学通式为NaxMy[(XOm)n-]z（M为可变价金属离子，X为磷硫硅等），金 属离子的氧多面体具有稳定的框架结构，进而使得该类材料具有良好的循环寿命和安全性。由于大质量的阴离子基团较多，材料的导电性和比容量表现较差。针 对其导电性差造成的倍率性能和能量密度表现不优，可通过碳包覆或添加导电剂的方式来实现改性。

常见的聚阴离子材料有硫酸铁钠、磷酸铁钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、焦磷酸盐复合聚阴离子化合物等。硫酸根比磷酸根电负性强、电压高，且硫酸盐系材料具 有低成本的优势，但其易吸潮分解使得循环寿命比较差，理论容量相对较低。钒基聚阴离子材料具有较高的工作电压（3.4-3.8V）和较高的理论比容量，但由于 钒成本较高且具有毒性，削弱了其作为钠离子电池材料的性价比优势。

聚阴离子材料产业化进展：国内企业中，众钠能源采用低成本的硫酸铁钠作为解决方案，钠创新能源在积极研发磷酸钒钠、磷酸锰钒钠等材料体系。海外企业中， 法国Naiades和Tiamat均采用了氟磷酸钒钠作为正极材料。从产品性能看，聚阴离子钠离子电池的循环寿命表现突出。

钒基聚阴离子材料的钒源常为五氧化二钒、钒酸铵、偏钒酸钠等，制备工艺可采用高温固相法、水热法、溶胶凝胶法等。中国是全球钒储量最多的国家，占全球 总储量的43%，2020年年产量占全球的62%。国内主要的钒生产企业包括攀钢集团、河钢集团承钢公司、北京建龙重工等。

普鲁士蓝类材料

普鲁士蓝类材料主要优势在于成本低、能量密度表现良好，不足之处在于导电性差、循环寿命差，且氰化物具有潜在毒性。普鲁士蓝类化合物具有类钙钛矿结构， 呈面心立方结构，化学通式为NaxMa[Mb(CN)6]（Ma、Mb主要为过渡金属元素）。普鲁士蓝材料具有开放型三维通道（框架结构），使得 钠离子在隧道中可以快 速迁移，因此具有较好的结构稳定性和突出的倍率性能。普鲁士蓝通常是在水溶液中合成的，所以会存在微量的晶格水，这些晶格水在循环过程中可能会脱出， 存在短路或与电解液反应腐蚀材料的风险。2015年Goodenough研发出了普鲁士白钠离子电池正极材料，相较于普鲁士蓝钠含量更高，因而能量密度表现更为优异。目前普鲁士蓝化合物主要的制备方法是共 沉淀法、水热法等，而针对其结晶水、导电性差等问题，常采用包覆、掺杂、高温干燥处理等方式来改善其性能。

普鲁士蓝类材料产业化进展：国内电池企业中宁德时代推出普鲁士白材料用于钠离子电池中，星空钠电也提出铁基普鲁士蓝材料用做电池正极；海外企业中美国 Natron Energy、瑞典的Altris均在进行积极布局。 

根据广东邦普、鹏辉能源等公司专利数据，普鲁士蓝类材料多采用亚铁氰化钠作为重要原材料。氰化物具有危害人身健康的属性，国家对其实行严格的管理制度。 目前国内主要生产氰化物的企业有安徽曙光化工、重庆紫光化工、河北诚信集团、晋城鸿生化工等。

钠离子电池负极材料：以硬碳材料为主

钠电池负极材料主要采用硬碳为主，与锂电池石墨材料相区别，这是因为钠离子摩尔质量是锂离子的3倍、直径是锂离子的1.3倍，进而导致钠离子无法在有效的 电位窗口内在石墨层间进行可逆的嵌入、脱出，同时钠离子-石墨嵌入的化合物在热力学上也并不稳定，容易形成NaC64。

目前可选用的材料主要有四类：碳基材料（软碳/硬碳等）、过度金属化合物、合金类负极和有机化合物，其中金属化合物主要通过转化反应和合金化反应实现 储钠，但在循环过程中会伴随着较大的体积膨胀，造成电极材料的粉碎和坍塌，存在一定安全隐患；过度金属化合物比容量偏低，而有机材料也存在库伦效率低 等问题。 相比于石墨等软碳材料而言，硬碳材料无法石墨化且碳层排列规整度低于软碳，层间形成了较多的微孔进而方便钠离子的嵌入和脱出，且具备储钠比容量高、 较低储钠电压、循环稳定等优势，是当前首选的负极材料。

钠离子电池电解液：与锂电池类似

钠电池的组成成分与锂电池相似，均为溶剂、溶质、添加剂，其中溶质方面成分有所差异，目前钠离子电池常用钠盐有：

NaPF6（六氟磷酸钠）：电化学稳定性优于六氟磷酸锂，在PC基（碳酸丙烯酯）电解液中导电率最高；但较高的价格和轻微的毒性影响其实际应用。

NaClO4（高氯酸钠）：拥有离子迁移速度快、兼容性好、成本低等优势，但其含水量高、易爆炸和高毒性等不足影响其实际应用。

集流体：以铝箔为主

集流体在电池中主要发挥着承载活性物质、传导电流的重要作用。在锂离子电池中，负极电势较低，铝箔更容易与锂发生合金化反应，因而不能采用铝箔作为负 极集流体，只能使用铜箔。钠离子电池中钠与铝不易发生合金化反应，因而多选用铝箔作为负极集流体。 与传统铝箔相比，电池级铝箔对洁净度、板形均匀一致性、机械性能、表面润湿能力等方面均有较高要求。而钠离子电池用铝箔与锂离子电池用铝箔并无显著差 异。

3.钠离子电池主要企业及进展

钠离子电池环节主要电池企业

国内企业里，中科海钠、立方新能源等企业均已实现量产，宁德时代等企业也在积极推进钠离子电池产业化，蜂巢能源、亿纬锂能、国轩高科、欣旺达、派能科 技等传统锂离子电池企业也已具备相关技术布局。国外企业中，英国Faradion起步早、积淀深，美国Natron Energy、瑞典Altris等也在加速推进量产进程。

钠离子电池环节主要正极企业及进展

钠离子电池正极材料布局方面，容百科技已具备初步量产能力，振华新材已开始进行相关产能建设，当升科技、格林美、广东邦普等均具有相关专利布局，并且 积极推进产业化进程。

负极材料主要企业及研发进展

极材料布局方面，中科海钠以无烟煤作为前驱体制备软碳材料，宁德时代开发出了具有独特孔隙结构的硬碳材料，贝特瑞目前能量产硬碳、软碳材料；璞泰来、 翔丰华目前正在推进中试工作、 日本方面，吴羽已经能够量产硬碳材料，日本三菱及日本松下同样从事钠电池负极材料的研发和生产工作。

电解液主要企业及研发进展

电解液方面布局方面，钠创新能源目前已有5000吨电解液投产，预计未来3-5年内会建设配套8万吨正极材料的电解液产线；多氟多目前已有千吨六氟磷酸钠生产 能力，同时NaFSI已经研发成功；天赐材料、新宙邦、石大胜华、永太科技目前正在推进中。

铝箔企业目前布局与进展

钠离子电池正负极集流体有望均采用价格相对低廉的铝箔，因而在单GWh电池铝箔用量上，钠离子电池有望比锂离子电池提升近一倍。在国内铝箔市场中，2021 年电池应用场景仅占总需求的3.1%，总出货量约在13万吨左右。 2021年鼎胜新材、华北铝业、永杰铝业市占率位居国内前三，CR3达到近75%。鼎胜新材2015年开始电池铝箔的生产研发，目前已与宁德时代、比亚迪、特斯拉、 国轩高科、LG新能源等客户达成密切合作。公司现有电池铝箔产能超10万吨，2022年底产能有望扩张至15万吨，2023年有望突破20万吨。

4.重点公司案例

宁德时代：锂电龙头切入钠电，技术延伸深耕储能赛道

 2021年7月29日，宁德发布第一代钠离子电池，电芯单体能量密度能够达到160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量达到80%，同时低温性能俱佳，零下20℃情况下仍 能够保持90%以上放电保持率，系统集成度达到80%以上。此外锂电钠电AB模式方案也备受关注，宁德时代预计第二代钠电池能量密度将达到200Wh/kg，计划2023 年产业化。目前已与整车及储能企业展开合作。 宁德时代自2016年起申请钠电池专利，其中专利设计正负极活性物质，正负极极片，电池模块，电池包，装置等方面。

中科海钠：背靠中科院，钠电池先驱

中科海钠成立于2017年2月，是中科院物理所科技成果转化项目，也是国内第一家专注于钠电池研发生产的公司，属于国内钠电池领域先驱。先后有中科院物理 所/国科嘉和/北京协同创新研究院/中科创星/梧桐树资本/中关村创业投资/海松资本参与中科海钠融资，2022年4月，华为旗下哈勃投资参与注资中科海钠，股 东方进一步扩大。

合作方面，公司与三峡能源合作规划5GWh全球首条钠离子电池量产线，其中一期1GWh预计2022年投产。公司与华阳股份旗下新阳清洁能源合作1GWh钠离子电池 PACK产能预计于2022年9月投产。公司与华阳股份合资公司（中科海钠持股55%）规划年产2000吨正极+2000吨负极材料项目，已于2022年3月开始试生产，该项目 计划在2023年左右扩张至满足10GWh电池材料需求的体量。

中科海钠目前研发产品包含软包钠电池和圆柱钠电池，主要应用于储能电站，两轮车、低速电动车等方面。中科海钠研发的钠电池目前工作电压为3.2V，适用工 作温度为-40℃-80℃。循环寿命大于4500周，能量密度大于145Wh/kg。 从专利布局来看，中科海钠致力于围绕钠电池电芯、正负极活性物质及极片展开研发。

容百科技：高镍正极龙头新进钠电领域

容百科技7月20日战略发布会发布四款新型钠离子正极材料，其中一款为普鲁士白产品，其余三款为层状氧化物产品。公司预计钠离子电池应用领域分别涉及储 能、二轮车、小动力、数码、动力电池等。 公司目前普鲁士白产品年产能6000吨，层状氧化物预计在2022年底完成开发。2023Q2钠离子电池正极材料达到3.6万吨产能，全年预计实现万吨级出货。公司计 划2025年钠离子正极材料产能达到60万吨，预计出货超10万吨。

编辑：999感冒灵