2025年电池行业：钠离子电池技术简报

1. 执行摘要

能源转型不仅依赖于可再生能源的广泛部署，还依赖于电池储能容量的提升。储能技术，包括电池，对于提高电力系 统灵活性同时保持电网稳定至关重要。随着能源结构中可再生能源的比重不断增加，它们的重要性将持续增长。

电池也是推动交通领域转型的重要因素。预计到2050年，电动汽车（EV）将主导道路运输。随着转型加速，对固定应 用和电动汽车中电池存储的需求日益增长，加剧了对电池关键材料供应的担忧。 存在多种电动汽车电池类型，其中锂离子电池（LIBs）因其长寿命、高能量密度以及快速供能的能力而占据主导地位 。然而，2021–2022年的供应链中断以及最近的地缘政治紧张局势加剧了对LIB供应链韧性和可负担性的担忧，从而推 动了人们对钠离子电池（SIBs）等替代化学体系的兴趣日益增长。

sib结构类似于lib，这允许制造商利用现有的知识和经验。与lib不同，sib依赖于从丰富的原材料（纯碱）中提取的钠化 合物。 例如 其储量远超锂。这种丰富性表明SIBs可以帮助缓解供应链压力并多样化电池领域。

sibs是一种新兴技术，具有降低成本的潜力，并且性能参数正越来越多地与lib相当。作为一种不太成熟的技术，sibs仍 有巨大的改进空间和更大的成本降低潜力，而lib则是一种更成熟和优化的技术，其潜在的效率提升空间可能有限。sibs 的未来市场渗透将取决于其高效扩产的能力，同时与lib在成本和能量密度上相匹配。从长远来看，钠的更广泛地理分布 也可能降低供应中断和价格波动风险。

SIB市场目前处于萌芽阶段，但在未来几年内可能会出现显著增长。到2025年，全球SIB生产能力可能达到每年70 GW h，并扩展到到2030年每年近400 GWh（BMI，2025）。根据IRENA的1.5°C情景，到2030年全球电动汽车电池需求将 达到每年约4300 GWh（IRENA，2024a）。在符合1.5°C目标的情景下，根据当前假设，SIBs到2030年将占总电动汽 车电池需求的不到10%。

仍需观察SIBs能否为LIBs发挥补充作用，或成为颠覆性替代品。它们最大的优势是钠的高天然丰度。材料供应广泛可 以降低供应链风险，支持成本降低，并使SIBs成为LIBs的 promising 替代品。要充分开发这一潜力，在未来几年内改 进关键性能指标——尤其是能量密度——至关重要。最近的公告表明进展迅速：2025年4月，CATL推出了其用于电动 汽车的低电压和高电压SIBs量产系列Naxtra，能量密度为175 Wh/kg，并实现充电续航500公里。如果创新继续推动这 项技术的快速发展，SIBs将在道路运输行业的脱碳化中发挥重要作用。

2. 储能电池技术的概述

2.1 电池存储对能源转型的意义

近年来可再生能源发电技术取得了显著进步，显著的成本降低为更可持续的能源未来打开了大门。

能源转型正在改变我们的能源生产和消费方式。国际可再生能源署（IRENA）的分析显示，到2050年，主要需求领域 ——建筑、交通和工业——的直接和间接电气化可能导致全球电力需求增长三倍（IRENA，2023a）。为应对由此产生 的基础设施和系统挑战，电池储能技术至关重要。电力储能对于提高电力系统的灵活性和效率，同时保持电网稳定至关 重要，尤其是在可变可再生能源的占比持续增加的情况下。在多种储能技术中，电池储能技术因其能够在各种地点和气 候条件下部署、以模块化方式扩展以及快速响应能源需求变化而脱颖而出，按照电网的要求吸收、储存并重新注入电力 。

IRENA的1.5°C情景要求全球电池储能容量从2020年的17吉瓦增加到2030年的360吉瓦和2050年的4100吉瓦，以提供 基于可再生能源的电力系统所需的灵活性，如表1所示。除了电力部门之外，电池储能对于脱碳终端用能部门也至关重 要。例如，在交通领域，电池是使电动汽车（EVs）成为可能的核心技术，预计到2050年，电动汽车将占道路运输的约 90%（IRENA, 2023a）。

2.2 电池存储基础

电池是能够将化学能转换为电能的装置。它们通常由一个负极（阳极）、一个正极（阴极）、电解质和隔膜组成。给 电池充电时，离子通过电解质从阴极移动到阳极，储存电能。在放电过程中，离子流回到阴极，将储存的能量转换为 电能。不同的电池类型利用不同的材料，以调整电池性能，使其满足目标应用的要求。

电力系统：削峰填谷 ，这减少了高峰需求时段的发电需求。这是通过在低需求时段充电（当有过剩能源产生时）以 及在高峰需求时段放电来实现的。这也促进了可再生能源来源的进一步整合。

支持网格，提供电压和频率调节等关键辅助服务。离网型/微电网系统 确保在偏远地区或未接入集中式电网的岛屿提供可靠的电力供应。优化可再生能源的运行 ，例如当与水电站配套时，它可以提高其提供一次频率响应的能力，同时减少涡 轮的磨损（Drommi , 2024). 等。

2.3 电池储能技术格局

近几十年来，在电池技术发展中取得了重大进展，研究重点在于延长其使用寿命和性能指标，同时降低成本（PNNL， 无日期）。这导致了多种电池类型的开发，每种电池都具有不同的特性，使其适用于不同的应用；例如，铅酸（Pb酸 ）电池通常用于传统内燃机道路车辆和备用电源系统；镍镉（NiCd）和镍氢（NiMH）电池用于消费电子产品；钠硫（ NaS）和钒液流（VRF）电池适用于固定储能应用；锂离子电池（LIBs）广泛应用于电动汽车、固定储能和消费电子产 品；而钠离子电池（SIBs）与LIBs应用类似，但有一些将在后续章节中讨论的注意事项。下表2显示了不同电池技术的 性能特征。

过去十年见证了电池在交通（即电动汽车）和固定储能方面的使用量前所未有的增长。主要由锂离子电池( LIB)技术的快速进步和成本暴跌推动，自2015年以来，锂离子电池的部署增长了近35倍，达到超过2400吉瓦时(GWh) （IEA，2024）。

锂离子电池（LIBs）由于其高能量密度和多功能性，一直是现代储能解决方案的前沿；然而，对这些电池日益增长的 需求已引发关于可持续性、资源可用性、地缘政治因素以及潜在供应链瓶颈的担忧（Gielen和Lyons，2021年；IRENA ，2023b）。尽管包括锂在内的材料充足，足以支持能源转型，但人们仍担心电池供应链能否跟上不断增长的电动汽车 （EV）需求，以及碳酸锂价格的波动性——该价格在2022年飙升（IRENA，2023b；Trading Economics，n.d.a）。 此类担忧已促使市场探索替代技术，例如固态电池（SIBs）。

3. 钠离子电池

尽管在 20 世纪 70 年代和 80 年代与 LIBs 一起被探索，但由于 LIBs 的快速发展及商业成功、与 LIBs 相比性能较差以 及当时的 技术局限性，SIBs 大部分被边缘化（Hwang , 2017). 然而，21世纪的发现表明，与石墨阳极不同， 等 硬碳负极材料具有优异的可逆钠存储容量，重新点燃了人们对硅基钠离子电池（SIBs）的科学兴趣。对锂资源稀缺性 的日益关注进一步加速了SIB技术的发展，使其成为锂离子电池（LIBs）的一种潜在替代方案（Wahid） , 2018). 等。

3.1 施工与材料

SIBs的构建与LIBs相似。然而，它们依赖钠化合物作为电解质，而非锂。SIB技术的阴极材料通常分为层状 氧化物、多阴离子和骨架材料。阳极材料通常分为碳质材料、过渡金属氧化物以及金属间化合物和有机化合物。对于 集流体，SIBs的阳极和阴极都可以使用铝，而LIBs的阳极集流体需要使用铜，因为在低电压下锂会与铝合金化（Hwan g , 2017). 等。

阴极

目前正探索多种负极材料用于SIBs。SIBs中目前使用的三种主要负极材料系列是层状氧化物、多阴离子化合物以及骨 架材料（如普鲁士蓝类似物）。表3展示了它们的一些基本特性。

层状过渡金属氧化物（TMOs）的通式为Na MO，其中M代表一个或多个 x 2 (过渡)金属，通常为铁(Fe)、锰(Mn)、镍(Ni)、锌(Zn)或铜(Cu)。TMOs具有相对较高的能量密度，被认为是一种有前景 的SIBs(Wei , 2024)的负极材料等。

阳极

碳质材料是SIBs的首选负极材料，因为它们具有优异的导电性、多种制备工艺、低成本以及可再生前驱体的可用性。 在各种碳质材料中，硬碳和软碳材料被认为对SIBs最具潜力（Hou，2017）。硬碳是商业SIBs中最常见的负极材料。 通过生物质或酚醛树脂的固相热解，这些资源丰富且通常成本低廉，也可以由其他化石基的石化来源生产，尽管低效 的碳化和复杂的后处理会增加它们的成本 (BMI, 2024a)。

3.2 供应链

锂电池由于其高能量密度和广泛适用性，引领着当今的电池市场。然而，不断增长的需求加剧了对可持续性、关键材 料供应以及地缘政治和供应链风险的担忧（Gielen , 2021年). 尽管关键材料（如锂）的可用性可能不是主要 等 约束，电池供应链可能在保持与电动汽车（EV）快速增长需求同步方面面临挑战（Gielen，2021年）。进一步的风险 在于锂价格的波动性，在2022年和2023年锂价飙升，碳酸锂价格（Trading Economics，n.d.a）说明了这 一点。这些担忧突显了开发替代技术和确保可持续优化的存储解决方案的必要性。

sibs可以缓解与锂基电池相关的供应约束和价格波动，通过扩大可行的化学范围，降低对锂矿开采和加工的依赖。钠比 锂丰富得多——在地壳中大约丰富1000倍，在海洋中大约丰富60000倍（ncbi，n.d.a，n.d.b）。

SIB制造主要依赖纯碱（碳酸钠）作为主要的钠前体。纯碱在多个行业得到广泛应用，其储量远比锂丰富，因此不太容 易受到资源供应问题及价格波动的影响。全球天然纯碱资源估计约为470亿吨，而储量估计约为250亿吨（USGS，202 3）。 2 纯碱也可以，而且已经是，通过盐和石灰石合成生产，这两种资源几乎都是无限的。这为其全球生产提供了可 能性，尽管与天然纯碱相比，经济和环境成本更高，而更易获取的锂资源则更具地理集中性。尽管SIB技术在全球具有 潜力，但截至今天，宣布的SIB生产能力中超过95%在中国（McNulty和Williams，2023）。

3.3 优缺点

sibs正成为成熟的电池技术的有前景的替代品。它们的技术属性、安全特性、可持续性以及成本考量对能源格局具有潜 在的深远影响。

性能与安全

虽然目前SIBs的能量密度低于一些高端LIBs，但随着如今商业化电池的能量密度高达175 Wh/kg（见表1），需要注意 的是，这与一些低端LIBs相当，并且已经显著高于铅酸和其他镍基电池等其他技术。此外，SIBs的发展轨迹充满前景 ，制造商预计下一代SIB电池将超过190-200 Wh/kg（CATL, 2023; Faradion, n.d.）。在其最新公告中，CATL宣布其计 划于2025年大规模生产的Naxtra乘用车电池的能量密度为175 Wh/kg。这些进步，如果实现，可能使SIBs在各种应用中 成为可行的替代方案，特别是在成本、安全和可持续性是首要考虑因素的领域。

sibs在安全性方面也已显示出良好的效果，其工作温度范围比lib更宽，且阴极-电解质混合物更稳定，这有助于热稳定 性、更好的滥用耐受性和完全放电后安全运输的可能性（chayambuka , 2020; Desai , 2022; zhao 等 等 , 2013). 这尤其适用于使用聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物的SIBs。 等 它们的光阴极。

成本

2021年，SIBs的优势凸显，当时碳酸锂价格开始飙升，SIBs开始被视为锂离子电池（LIBs）的一种潜在更便宜的替代 方案，并且多家电池制造商宣布了他们的商业化计划。此后碳酸锂价格有所下降（Trading Economics，n. d.a），所以从长远来看，SIBs是否是LIBs（尤其是磷酸铁锂（LFP）电池）的更便宜替代方案还有待观察。一些来源 将电池级碳酸锂的价格门槛设定为每吨20,000美元，以使SIBs在成本方面保持竞争优势（BMI，2024b）。

2022年SIB电池的平均成本在80-105美元/千瓦时之间，具体取决于其化学成分，对于电池组，这些成本上升到90-125 美元/千瓦时（Reid，2023）。相比之下，2024年4月LIB电池的平均成本在52-81美元/千瓦时之间，电池组的成本则取 决于电池化学成分，为75-104美元/千瓦时（BNEF，2024）。尽管SIB在2021年相对于LIB的成本优势已经消失，因为 LIB原材料成本迅速下降，但一些制造商预计，一旦生产规模扩大，SIB电池的成本将降至40美元/千瓦时以下（Degen , 2023). 等。

成本仍可能因多种因素成为SIBs相对于LIBs的竞争优势之一。其中首先是钠的丰富性和可及性，钠是一种比锂便宜得 多的材料。2020年至2024年期间，碳酸钠的价格在每吨100美元至500美元之间，而同期碳酸锂的价格在每吨6000美 元至83000美元之间（Trading Economics，n.d.a，n.d.b）。除此之外，钠的全球分布降低了供应链中断和价格波动的 风险。另一个重要因素是SIBs在其结构中使用了更经济的材料，例如通常更便宜的阴极材料，如锰和铁，以及使用铝 集流体而不是铜集流体（Abraham，2020；Casey，2024）。最后，由于技术处于早期阶段，SIBs的成本降低潜力高 于LIBs。

可持续性

sibs 还在可持续性方面具有优势，利用比 lib 更丰富和更廉价的材料，例如用钠代替锂，或用铝代替铜。除此之外，一 些 sib 正极化学成分，例如普鲁士蓝和白多阴离子，不含镍或钴等矿物（reid，2023）。所有这些都有助于减少电池对 关键材料的需求。

总体而言，每千瓦时的SIB生命周期环境影响可能与表现最佳的LIB相当，并且通常优于大多数锂镍锰钴氧化物（NMC ）技术，尽管SIB的比能量密度较低（需要比LIB更多的材料才能达到相同的储能容量）和商业化程度较低（Peters , 2 016)。除此之外，SIBs的可持续性还可以进一步提高，因为 等 例如若行业从含镍的层状氧化物正极中转移开，如果用作负极的硬碳是由有机废物（彼得斯） , 2016). 等。

3.4 应用

sib是传统电池技术的可行替代品，其独特性能使其适合各种应用。其成本效益、安全性和可持续性使它们特别吸引人 ，用于大规模储能、电动汽车和各种工业用途。随着研究和开发不断拓展sib技术的边界，我们可以预期它们潜在的采 用范围将扩大，为更可持续和多样化的能源未来做出贡献。

固定存储

SIBs最有前景的应用之一是固定式储能。对整合太阳能和风能等可变可再生能源的需求日益增长，这需要高效且经济 的储能解决方案。这一点如今已经可见，如固定式电池储能（包括公用事业规模和户用规模）自2015年以来增长了超 过60倍（BNEF，2023；IEA，2024）。

电动汽车

由于它们的快速充电能力、安全性能和宽工作温度范围，SIB 的另一种潜在应用是电动汽车。特别是对于短程车型，鉴 于 SIB 目前高达 160 Wh/kg 的比能量密度，这一点尤为明显。事实上，几家中国电池和汽车制造商已经宣布计划推出 使用 SIB 供电的紧凑型电动汽车。 3 并且首批车型已投入市场。此外，SIBs 在快速渗透电动两轮和三轮车市场方面具 有巨大潜力（BNEF，2024）。

其他人

除了为电动汽车提供动力之外，固态电池（SIBs）还可以通过替换传统道路车辆中的铅酸电池，或者在电动两轮和三 轮车等设备中，发挥改造升级的作用，例如使电池能量密度提高三倍，并在循环寿命、低温性能、安全性、可持续性 和快充能力方面超越它们（见表2）。

4. 状态和展望

SIB市场目前处于萌芽阶段，但在未来几年可能会出现显著增长。预计到2025年底，全球SIB的年生产产能将达到70 G Wh，主要集中在中国，并以层状金属氧化物正极化学体系（BMI，2023a）为主导。虽然与LIB相比，SIB的市场份额 仍然相对较小，但生产能力预测为生产商提供了乐观的前景，预计到2030年生产能力将超过370 GWh/年（BMI，2024 c）。同时，SIB的未来市场渗透率似乎存在不确定性，不同来源的需求预测在2030年之间广泛波动，为50-600 GWh/ 年（Degen , 等 2023年）。

SIBs的未来产能部署目前尚不明确。仍存在需要克服的挑战。例如，在确保充足的需求和强大的供应链方面。新硬碳 产能的公告跟不上SIBs的步伐。如果这种情况持续下去，它可能成为SIBs增长的限制因素（BMI，2023b）。

尽管固态电池（SIBs）的潜力巨大，如生产能力及需求预测所示，但它们不应被视为对锂离子电池（LIBs）的完全替 代，而应被视为一种辅助技术，有助于缓解围绕电池供应链的可持续性和可用性方面的某些问题。固态电池的长期成 功可能取决于多种因素，包括成本和材料的可用性。锂供应链中的瓶颈、锂短缺或更高的锂成本都可能导致固态电池 的渗透率提高，而锂离子电池的进一步成本降低则可能对固态电池的需求产生负面影响。

SIBs的未来成功也与其持续的研发工作相关，这些工作旨在提高其性能并解决其局限性。创新预计将带来显著提升的能 量密度，例如预计将使其从160 Wh/kg提升至200 Wh/kg（CATL, 2021）。此外，还有混合电池配置（如钠锂电池和钠 离子超级电容器混合体） 例如 正在被探索以利用不同技术的优势，并进一步增强SIBs（KAIST，2024）的性能。

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