2023年钠离子电池材料行业研究 钠离子电池有望成为储能重要补充

核心观点：

钠离子电池是储能的重要补充，市场空间广阔。电化学储能发展迅猛，我们预计2025年全球新增电化学储能装机量达到249.5GWh，2021-2025年CAGR为80%。据中科海纳官网，相比锂电池， 产业化的钠离子电池原材料具有成本优势，且在安全性能、高低温性能和倍率性能上表现更为优异，我们预计在碳酸锂价格高位下钠离子电池将迎 来快速发展期，有望成为储能的重要补充。假设2025年全球电化学储能中钠离子电池渗透率为10%，我们测算钠离子电池储能需求达到约 25.0GWh，以平均价格0.72元/Wh计算，合市场空间180.0亿元。钠离子电池正极材料需求快速增长，我们测算2025年储能钠电正极材料需求为 6.24万吨，以平均价格7万元/吨计算，合市场空间43.7亿元。

聚阴离子类正极材料循环稳定性佳，钠电正极路线中最适宜储能。聚阴离子体系具有较好的倍率性能和循环稳定性能，有望成为钠电中最适合长时储能的路线。聚阴离子体系循环寿命基本在4000次以上，理论循环 次数可达10000次，较其他钠电正极体系具明显优势。聚阴离子类正极材料种类繁多，其中铁基化合物成本较低。硫酸铁纳体系原材料成本仅为 362元/吨，且具有较高的工作电压（3.8V）和可逆容量（超过100 mAh g-1），或成为未来发展趋势，但如何在低温合成并碳包覆成为技术壁垒。

提升电导率+降本，相关公司积极布局。聚阴离子类正极材料电子电导率较低，部分含钒化合物成本较高，限制了其产业化应用。工业生产通常采用碳包覆、纳米化合离子掺杂进行改性提 高电子电导率。而聚阴离子类正极材料的降本路径包括：1）探索低成本规模化制备方法，如机械化学法。2）研发无钒聚阴离子正极材料。 相关公司持续布局聚阴离子体系。其中众纳能源已建成百吨级硫酸铁纳正极量产线，2022年6月电池中试投产，预计2023年2GWh产业化生产。多氟 多、传艺科技、鹏辉能源等公司均布局聚阴离子正极路线。

钠离子电池：储能的重要补充

1.1、全球储能需求持续提升

近年来，可再生能源发电量呈稳步上升的趋势，根据欧洲光伏产业协会《2025年全球太阳能光伏发电展望》，2020年，有83%的新增发电装 机容量来自于可再生能源技术，远高于2016年的59%。随着新能源发电渗透率的提高，发电侧的随机性和波动性日益加剧，储能作为新的调节 能力来源，装机需求加速提升。根据CNESA《储能产业研究白皮书2022》的不完全统计，截至2021年底全球已投运电力储能项目累计装机规 模为209.4GW，其中， 抽水储能占比86.2%，新型储能（电化学储能）占比达到12.20%。2016-2021年全球电化学储能累计装机CAGR达 到69%。

电化学储能发展迅猛，我们预计2025年全球新增电化学储能装机量达到107.1GW，合249.5GWh。电化学储能凭借其布置灵活，调节速度快 的优势高速增长。根据CNESA《储能产业研究白皮书2022》，2021年全球电化学储能累计装机规模25.4GW，新增10.2GW。我们预计 2025年全球新增电化学储能装机量为107.1GW，折合249.5GWh，2021-2025年CAGR为80%。

1.2、钠离子电池有望成为储能重要补充

目前全球电化学储能以锂电池为主。据CNESA《储能产业研究白皮书2022》，截至2021年底，新型储能（电化学储能）中锂电池累计装机量 占比高达90.9%。而在碳酸锂价格维持相对高位下，产业化的钠离子电池具有成本优势，有望逐步渗透储能市场。 1、钠离子电池正极材料主要元素Na、Cu、Fe和Mn都是价格较低、来源广泛的大宗元素，相比锂离子电池Li、Ni、Co等元素成本优势明显。 碳酸钠价格显著低于目前碳酸锂价格。2、负极可采用无烟煤前驱体，其材料来源和成本亦有优势，且碳化温度（约1200℃）远低于生产石墨 负极时的石墨化温度（约2800 ℃ ）。3、铜箔的价格是铝箔价格的3倍左右（截至2023年3月），钠离子电池集流体可全部由铝箔替代。

钠离子电池安全性能更为优异。钠离子电池的内阻相比锂电池稍高，致使在短路等安全性试验中瞬间发热量少、温升较低。在过充、过放、短 路、针刺、挤压等所有安全项目测试中，钠离子电池均未发现起火、爆炸现象。 钠离子电池高低温性能更佳。高温放电（55℃和 80℃）容量超过额定容量 100%，低温-40℃放电容量超过 70%额定容量。且可实现在低温 -20℃下0.1C充放电，其充放电效率接近 100%，具有比锂电池更好的低温充电性能。钠离子电池倍率性能更为优异。钠离子斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率。钠离子的溶剂化 能比锂离子更低，从而在电解液中具有更快的动力学和界面扩散性能。

我们假设2025年电化学储能中钠离子电池渗透率将达到10%，钠离子电池储能需求达到约25.0GWh，以平均价格0.72元/Wh计算，合市场空 间180亿元。钠离子电池储能需求有望带动正极材料需求，我们预计2025年储能钠离子电池正极材料需求约为6.24万吨，以平均价格7万元/吨 计算，合市场空间43.7亿元。

1.3、政策支持，钠离子电池进入快速发展期

国家推动钠离子电池商业化，多项政策落地。钠离子量产速度会进一步加快，在政策支持下整个行业进入快速发展期。2021年8月，工信部发 布提案答复函，将组织有关标准研究机构适时开展钠离子电池标准制定，并在标准立项、标准报批等环节予以支持。2022年10月，中国电子技 术标准化研究院颁布《关于钠离子电池行业标准（征求意见1稿）征求意见的通知》。钠离子电池行业标准制定工作的加速推进，有利于我国钠 电池行业从0到1的过程加速跃进。

聚阴离子类正极材料：循环稳定性佳

2.1、正极材料：三大材料脱颖而出，聚阴离子类最适合储能

在理想情况下，钠离子能够完全进行可逆的脱出与嵌入，而不会造成晶体结构的破坏。电极材料对钠离子电池至关重要，研发理想的钠离子电 池正极材料是推进钠离子电池的关键。当前钠离子电池正极材料主要有过渡金属层状氧化物类、聚阴离子类化合物和普鲁士蓝类化合物。 三种正极路线各有所长，未来或将共存。层状氧化物体系制备方法简单，比容量和电压较高，但在空气中稳定性差。聚阴离子体系具有较好的 倍率性能和循环稳定性能，但导电率一般较差，采用碳包覆和掺杂手段使能量密度提升。普鲁士蓝类化合物具有良好的结构稳定性和倍率性能， 但存在结晶水难以除去和过渡金属离子溶解等问题。层状氧化物体系成熟度较高，预计率先实现产业化。而聚阴离子类有望成为其中最适合长 时储能的路线以部分替代磷酸铁锂。

聚阴离子类化合物结构稳定，循环寿命高，工作电压高。聚阴离子化合物是由强共价键构成的三维框架结构，因此具有较高的结构稳定性。它 的化学式为NaxMy (XaOb )Zw，其中M为过渡金属，x为磷、硫、硅、钨等，z为F、OH等。聚阴离子强烈的诱导效应可以调节过渡金属氧化还原 对的能量，从而产生较高的工作电压。其稳定的框架结构具有快速的钠离子扩散速率且离子脱嵌过程中体积变化小、相变少，从而保障了在钠 离子电池中良好的循环稳定性、热稳定性和优异的安全性。聚阴离子体系循环寿命基本在4000次以上，理论循环次数可达10000次。

2.2、聚阴离子类正极材料种类繁多

聚阴离子化合物的种类繁多，各有特点，可于多种情况下应用；按阴离子种类可分为磷酸盐、焦磷酸盐、氟磷酸盐、混合磷酸盐等。磷酸盐扩 散速率快，但容量较小，含钒化合物毒性较大；焦磷酸盐类电压高，成本较低，但容量小；氟磷酸盐类电压高，扩散速率快，但含钒毒性较大； 混合磷酸盐成本较低，但合成控制难度较大；硫酸盐类工作电压高，但容易热分解；硅酸盐类容量较大，但工作电压低，扩散速率慢。

2.3、钒基聚阴离子化合物：优缺点明显

钒基聚阴离子型电极因钒价态丰富(V2+、V3+、V4+、V5+）、氧化还原电位较高、钠离子扩散快、结构稳定等优势得到广泛关注。以磷酸钒钠 为代表的NASICON 结构具有较高的离子电导率，是钠离子电池中极有应用潜能的正极材料。然而因为钒价格高昂且具有毒性，削弱了钠离子 电池的成本优势，在规模化应用中受到掣肘。

目前，磷酸钒钠聚阴离子路线已有小批量生产。由于钒价格高昂，一定程度上限制了其产业化进度。截至2023年3月23日，五氧化二钒安泰科 均价为13.65万元/吨。 根据《一种氟磷酸钒钠正极材料的制备方法、电池正极及电池》（专利号 CN115159493A），制备该氟磷酸钒钠所用 的钒源、钠源、磷源、氟源按分子量配比为2：3：2：1。经我们计算合成1吨Na3V2 (PO4 )2O2F（缩写：NVPOF）原材料成本约为6.48万元/ 吨（按分子式和专利分子量配比理论计算），其中五氧化二钒成本占比达到92.7%。

2.4、铁基聚阴离子化合物：磷酸铁钠产业化受阻

铁基聚阴离子化合物由于原材料来源广泛，成本也较为便宜，或成为未来聚阴离子化合物正极材料的发展方向。其中磷酸铁纳分为磷铁钠矿相 和磷铁锂矿相两种不同的结构类型，通常认为磷铁钠矿相NaFePO4是一种没有电化学活性的结构。对比LiFePO4，NaFePO4中的钠离子扩散 缓慢且接触电荷转移电阻更大，导致了其倍率性能较差，产业化生产受阻。硫酸铁纳是十分具有优势的钠离子电池正极材料。相比于PO4 3-,SO4 2-具有更高的电负性和更强的诱导效应。该材料具有较大的钠离子三维扩 散通道，工作电压 3.8 V，可逆容量超过 100 mAh g-1，电化学循环过程中体积变化较小（约为 1.6%），电池充放电效率高，循环性能稳定。

硫酸铁纳原材料成本低廉、环境友好、容易合成，是十分具有优势的钠离子电池正极材料。根据《一种新型高电位多层碳包覆聚阴离子型钠离 子电池正极材料及其制备方法》（专利号 CN110326136A），经我们计算合成1吨硫酸铁纳原材料成本仅为362元/吨（按分子式和专利分子 量配比理论计算）。但硫酸根离子在高温下易发生分解，因此如何在较低温度下合成出较高结晶度和纯度的材料并进行碳包覆等成为了制约材 料发展的关键因素，也是公司的核心壁垒。

提升电导率+降本，相关公司积极布局

3.1、聚阴离子正极材料量产难点：低电子电导率

聚阴离子类正极材料中特有的聚阴离子结构单元由很强的共价键紧密连接，将聚阴离子基团和过渡金属离子的价电子隔离开，导致这种材料电 子电导率较低，低电子电导率导致Na+扩散效率不佳，限制了其在高倍率下的充放电性能，给实际应用带来了一定的困难。聚阴离子化合物的 实际放电容量与理论容量仍有较大仍有较大差距。目前对于聚阴离子正极材料电子电导率主要的改善方法有以下三种：(1) 碳包覆，将活性材料与导电碳基质结合； (2) 将粒径减小到纳米级，从 而缩短 Na+ 扩散路径； (3) 离子掺杂，设计合适的形态以优化结构。

聚阴离子类化合物正极材料制备工艺各有不同，从主流方法来看，主要分为三个步骤：前驱体的制备；预烧结制备聚阴离子类化合物；高温煅 烧并包覆修饰处理。

3.2、降本途径1：探索低成本规模化制备方法

聚阴离子类正极材料的制备与磷酸铁锂制备方式相似，通常可以使用高温固相法、水热法、溶胶-凝胶法、机械化学法等方法制备。溶胶-凝胶 法工艺所用有机溶剂价格较为昂贵；水热法能耗较大，成相过程复杂不易控制；高温固相法存在耗能、原料混合不均匀的缺点。此外，传统的 固相烧结法、溶胶-凝胶等方法由于需要经过高温烧结的过程，能量消耗较高，极大增加了材料的合成成本。机械化学法为近年新合成方法，无 需溶剂和高温加热，也无需煅烧过程，对环境友好。

根据《一种聚阴离子型钠离子电池正极材料及其制备方法》（专利号 CN106784727A），以Na4-βFe2+β/2(P2O7 )2，(2/3≤β≤7/8)正极材料合成为例： 前驱体粉末的制备：按照化学式Na4-βFe2+β/2(P2O7 )2计量称取钠源、铁源和磷源，并称取碳源和抗氧化剂，其中，所述抗氧化剂的质量占比为1％-5 ％，然后将钠源、铁源、磷源、碳源和抗氧化剂置于砂磨机的砂磨罐中，然后加入助磨剂和砂磨珠，再将该砂磨罐置于高能砂磨机中进行砂磨，干 燥后得到前驱体粉末； 前驱体粉末的煅烧处理：将中所得的前驱体粉末放置于具有保护气体氛围的箱式反应炉中，先在340℃-360℃下预烧3h-6h，然后在580℃-620℃下 煅烧6h-24h后冷却，即得正极材料。

3.3、降本途径2：无钒聚阴离子正极材料

由于钒价格高昂且具有毒性，制备少钒或者无钒的聚阴离子正极材料成为目前的研究重点。铁、锰等较为廉价的元素替代钒元素打开聚阴离子 化合物降本空间，有望推动聚阴离子路线钠离子电池产业化。在无钒聚阴离子化合物中，硫酸铁纳具有明显的成本优势，目前多氟多、众钠能 源、传艺科技、星光钠电等公司都储备相关专利。

3.4、聚阴离子体系持续布局

目前使用聚阴离子体系正极路线的公司相对较少。法国Naiades、Tiamat、鹏辉能源、众钠能源、多氟多、传艺科技等公司有所布局。其中众 钠能源全体系电芯能量密度为120-160Wh/kg，循环性能可以达到2000-10000 圈，且可以在零下 20℃正常工作。众纳能源已建成百吨级硫 酸铁钠正极量产线，2022年12月万吨级产线建设启动。电池于2022年6月中试投产，预计2023年2GWh产业化生产，钠创新能源积极研究聚 阴离子化合物-磷酸钒钠体系，可超快充放电，实现高达20000次循环次数。多氟多具有聚阴离子正极材料技术储备，传艺科技在二期大型储能项目应用聚阴离子体系。

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