吞吐天地之志者也是誰
（報告出品方/作者：財通證券，佘煒超）
1。 鈉離子電池量產化在即
鈉電池隨著產業化加速，量產在即。1979 年法國的 Armand 提出了“搖椅式電 池”的概念，開始鈉離子電池的研究。隨後 Delmas 和 Goodenough 發現了層 狀氧化物材料可作為鈉電池正極材料，Stevens 和 Dahn 發現硬碳材料作為負 極有良好的鈉離子嵌脫效能。2010 年以來，鈉電池的研發程序加速。2011 年中 科院物理所研究員團隊開始了鈉離子電池核心技術的研發，自此以後開發出低成 本
的
電極材料。2017 年國內第一家專注於鈉離子電池研發和生產的公司中科海 鈉成立。2021 年寧德時代成功舉行了第一代鈉離子電池線上釋出會。2022 年， 中科海納和傳藝科技均預計 2023 年量產其鈉離子電池。
鈉電池和鋰電池均是搖椅式二次電池，是一種依靠離子在正負電極之間往返嵌入 和脫出的二次電池，其中正極和負極材料均允許鈉離子可逆地插入和脫出。在充 電過程中，鈉離子從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，同時電子的補償電荷經外 電路供給到負極，使正負極發生氧化還原反應，保證正負極電荷平衡；放電時則 相反。
2。 鈉離子電池的構造決定其電化學效能
材料選擇上，鈉離子和鋰離子存在較大差異，並間接導致成本差異較大。 正極方面，由於鈉離子比鋰離子半徑大，導致其很難從層狀正負極材料嵌入 /脫出，因此鈉離子正極材料在能量密度上有所欠缺，同時為了使鈉離子更容 易嵌入/脫出，相對應的正極材料選擇也和鋰離子電池有所差別； 負極方面，鋰離子電池常用的石墨材料無法有效嵌入鈉離子，需要更換材料， 目前常見的是各類硬碳材料； 電解液方面，鈉離子摩爾電導率更高，使得鈉離子電池所需電解液濃度較低， 對新增劑的要求也較低，從而帶來電解液成本也較低。 隔膜方面，無較大差異； 集流體方面，鈉離子電池正負極集流體均可以選用成本較低的鋁箔，鋰離子 電池則需要正極集流體鋁箔，負極集流體銅箔。 由於材料選擇的差異，其成本也有較大差異。根據中科海納官網披露的資料，如 果鈉離子電池選用 NaCuFeMnO/軟碳體系，鋰離子電池選用磷酸鐵鋰/石墨體 系，鈉離子電池材料成本可降低 30-40%。
2.1. 鈉離子電池正極材料重要性顯著
正極材料的電化學特性影響了整個電池的電化學特性。正極材料的理論能量密度就是電芯能量密度的上限，正極材料透過影響容納鈉離子的能力和傳輸通道的通 暢性來影響鈉電池的功率密度。同時，正極材料活性物質的損耗以及雜質成分會 影響電池的壽命。目前，主流的正極材料主要包括過渡金屬氧化物材料、聚陰離 子類材料、普魯士藍類材料等。
2.1.1. 層狀金屬氧化物技術較為成熟
過渡金屬氧化物對儲存條件要求較高，需要摻雜元素提升
比
容量。過渡金屬氧化 物可分為層狀和隧道狀，用 NaxMeO2表示，其中 Me 包括 Mn、Fe、Ni、Co 等過
渡
金屬元素，x 為鈉的化學計量數。金屬氧化物合成方便、結構簡單，原料來源 廣，但是鈉離子在參與嵌脫反應的過程中由於離子半徑較大，會引起氧層的滑移， 造成材料結構不可逆的改變，影響迴圈效能。而且，材料易與空氣中的水分反應， 對儲存條件要求較高。目前多使用元素摻雜誘導氧化還原反應來提高電池容量， 減少嵌脫反應中結構的改變程度，構造人工介面包覆穩定晶體結構並提高電化學 效能。
層狀金屬氧化物熱量高，合成方便，但穩定性較低。自 1980 年以來，鋰離子層 狀氧化物一直是鋰離子電池的主要正極材料，因而層狀金屬氧化物也得到了大家 的關注。層狀金屬氧化物可以根據鈉離子和氧形成的結構分為 O 型（八面體結 構）和 P 型（三稜柱型）。其中常見的 O3 型鈉離子含量高，電池容量高；P2 型 鈉離子之間的層間距較高，傳輸速度和倍率效能較高。
隧道型氧化物穩定性更高，但可逆容量低，沒有得到市場的關注度。由於存在八 面體結構，材料的結構更加穩定，迴圈效能更好。但是由於材料中鈉含量較低， 可逆容量較低，市場關注度不高。
Faradion、中科海納等公司使用層狀金屬氧化物為鈉電池的正極材料。其中英國 Faradion 公司採用 Mn–Ni–Ti–Mg 四元層狀氧化物作為正極材料，電池能量密度 超過 140Wh/kg，迴圈壽命超過 3000 次；中科海鈉採用 Cu-Fe-Mn 三元層狀氧化 物正極材料，電池能量密度達到 145Wh/kg；鈉創新能源採用 Fe-Ni-Mn 三元層狀 氧化物，比容量超過 130mAh/g，能量密度約為 130-160Wh/kg。
2.1.2. 普魯士藍類化合物比容量高，穩定性較低
普魯士藍類化合物透過引入非活性金屬離子或設計不同結構等方法提升電化學 效能。普魯士藍類化合物用 AxMA［MB（CN）6］·zH2O 表示，其中 A 為鹼金屬離子， MA 和 MB 為過渡金屬離子。其中過渡金屬離子與氰根形成六配位，形成較大的 三位多通道結構，有利於鈉離子的嵌脫反應，所以有較高的比能量。但是普魯士藍類化合物熱穩定性較差，電池工作過程中產生的熱量會使材料分解且材料製作 過程中形成的結晶水可能導致材料的晶格結構破壞造成安全問題。目前透過引入 非活性金屬離子或者設計不同的結構等方法可以保持材料的結構穩定性，提高電 化學效能。
目前星空鈉電和寧德時代都採用了普魯士藍化合物作為正極材料。其中寧德時代 於 2021 年釋出的鈉離子電池，電芯單體能量密度達到了 160Wh/kg，為目前全球 最高水平，具有良好的快充效能，在常溫下充電 15 分鐘，電量可達 80%；也具有 良好的低溫穩定性，在零下 20°C 低溫的環境下，仍然有 90%以上的放電保持率。
2.1.3. 聚陰離子類化合物穩定性較高，比容量較低
聚陰離子類化合物結構較穩定。聚陰離子化合物用 NaxMy［（XOm）n-］z 表示，其 中 M 為可變價態的金屬離子；X 為 P、S、V、Si 等元素。聚陰離子化合物主要 是多面體框架連線而成，共價鍵較強因而抗氧化效能高，結構穩定，迴圈效能較 好，但由於陰離子較多，比容量和導電性偏低，且常用的釩元素價格較高，材料 成本較貴。目前多使用離子摻雜來提高電池倍率能力，調節脫嵌鈉的電化學效能； 使用聚合物包覆提高聚陰離子化合物的比表面積，從而提高電池的導電性和容量。
目前使用聚陰離子類化合物為正極材料的公司相對另外兩種材料而言較少。眾鈉 能源和高博能源使用釩基聚陰離子化合物作為電池的正極材料，廣州鵬輝科技公 司使用磷酸鹽類鈉正極做出了鈉離子電池樣品。其中眾鈉能源全體系電芯能量密 度為 120-160Wh/kg，迴圈效能可以達到 2000-10000 圈，且可以在零下 20℃正常 工作。 基於以上分析可以知道鈉電池常用正極材料的特性。其中普魯士藍類化合物可逆 容量（120-140mAh/g）和比容量較高；聚陰離子類化合物材料能量密度、穩定性 和迴圈次數（2000 次）較高；層狀金屬氧化物全壽命週期成本較高。
2.2. 鈉電池的主流負極材料是無定形碳
可以用作鈉電池負極的無定形碳主要分為硬碳和軟碳。其中在 2500°C 以上的高 溫下能石墨化的為軟碳，在 2500°C 以上的高溫下不易石墨化的為硬碳。無定形 碳儲鈉能力好、可逆比容量高、迴圈效能好，商業化趨勢明顯。同時軟碳和硬碳 都可以透過原子摻雜提高材料的層間距，製備奈米結構碳材料縮短鈉離子擴散
途
徑等方式提高電化學效能。
軟碳導電性較好，不可逆容量較高。軟碳的結構規整程度較高，導電性較好，原 材料豐富，成本低。但是鈉離子在發生嵌脫反應的時候容易引起層間距的改變， 所以首次充放電的不可逆容量較高。且軟碳在高溫下容易石墨化，層間距會減小， 降低材料的儲鈉能力。 硬碳比容量和首次充放電效率優於軟碳，成本也高於軟碳。硬碳的分子結構主要 是隨機排列，內部可以儲存鈉離子的空間較大，比容量高，可達到 350mAh/g 以 上。但由於加工要求更為嚴格，開發成本高於軟碳，且倍率效能較差，首周庫倫 效率低。
目前更多的鈉離子電池生產商採用硬碳作為負極材料。其中法國 Tiamat 公司使 用硬碳作為鈉電池的負極材料，能量密度可以達到 120Wh/kg；同樣採用硬碳的 寧德時代鈉電池能量密度可以達到 160Wh/kg。中科海鈉採用無煙煤基軟碳為負 極材料，其鈉電池的能量密度可以達到 145Wh/kg。 基於以上分析可以知道鈉電池常用負極材料的特性。其中硬碳的可逆容量（300mAh/g）較高，層間距（0。37-0。42nm）較大，利於鈉離子的脫嵌，穩定性較 好，同時工作電壓也僅有 0。1V。
2.3. 鈉電池的集流器可以採用低成本的鋁箔
鈉電池的正負極的集流體都可以用鋁箔。集流體主要用於彙集電池活性物質產生 的電流從而形成較大的電流。鋰電池因為在低電位下容易和鋁發生反應，因而正 極集流體材料為鋁箔，負極集流體材料為銅箔。但是鈉和鋁不會形成合金，所以 正負極的集流體都可以用鋁箔。
2.4. 鈉電池隔膜可以與鋰電池相同，電解液各異
鈉電池的電解液和隔膜均具備成熟的量產技術。電解液在電池中起傳導離子的
作
用，其中主要由溶劑、電解質和其他新增劑組成。鋰電池的電解質為六氟磷酸鋰， 而鈉電池的電解質為六氟磷酸鈉。隔膜主要起分隔電池正負極，防止兩極接觸而 短路的作用，並且隔膜還需要支援電解質離子透過，鈉電池和鋰電池均使用 PP 或者 PE 隔膜。
3。 鈉電池目標市場小動力兩輪車、儲能，市場空間較大
3.1. 鈉電池成本低，效能好帶來了產業化優勢
3.1.1. 低成本原材料和與鋰離子電池相容裝置利於鈉離子電池降低成本
鈉元素的儲量豐富，開採成本低，且集流體可以使用更低價的鋁箔。目前主流的 鋰電池原材料鋰資源總量有限，成本較高。鋰資源的地殼丰度僅為 0。006%，開採 成本較高，而且大多分佈在澳洲、南美地區，國內鋰資源主要靠進口，供應鏈不 安全。鈉資源地殼丰度為 2。64%，且分佈廣泛，開採難度低，成本低。同時，由 於鋁製集流體易與鋰而不與鈉發生化學反應，因此鋰離子電池的負極使用的是高 價的銅箔，而鈉離子電池可以在正負極都可以使用更低價的鋁箔。
鈉電池的電解液有高導電性，低濃度電解液可以降低成本。鈉離子的斯托克斯半 徑和脫溶劑化能比鋰離子更小，使得使用低濃度電解質的電解液成為可能，有效 降低電池成本。同時，鈉電池的快充效能較強，常溫下充電 15 分鐘，電量可達80%以上。
鈉離子電池的裝置可以採用鋰離子電池的生產裝置。鋰離子電池的生產裝置主要 分為針對電極製片工序的前端裝置、覆蓋電芯裝配工序的中端裝置和覆蓋電芯激 活化成、分容檢測以及組裝成電池組等工藝的後端裝置。鈉離子電池的製造工藝 和裝置與鋰電池相容，只需要對裝置進行升級即可用於鈉電池生產，需要投入的 裝置成本較低。
3.1.2. 鈉離子電池低能量密度下迴圈次數較高
鈉離子電池在高低溫環境裡表現更優異。鋰離子電池在寒冷的環境下容易活性降 低，比容量大幅度下降。但是，鈉離子電池在在-20℃低溫下可以放出 90%的容 量，在-40 ℃低溫下可以放出 70%的容量，在高溫 80 ℃時仍然可以正常迴圈充 放電使用。 鈉離子電池的安全效能較高，可以有效降低儲存和運輸成本。鈉離子電池在過充、 過放、短路、針刺等測試中不起火、不爆炸。鈉離子電池熱失控溫度更高，在高 溫環境下容易因為鈍化、氧化而不自燃。而且鈉鹽電解質的電化學視窗較大，電 解質在參與反應的過程中分解的可能性更低，電池系統的穩定性更高。鈉離子電池的穩定性對儲存和運輸的要求較低，可以有效降低成本。
鈉離子電池的能量密度較低，但低能量密度下迴圈次數較高。和其他高能量密度 的電池相比，鈉離子體積更大，質量更重。目前鈉離子電池的能量密度大約為 70- 200Wh/kg，而鋰離子電池能量密度大約為 150-350Wh/kg，其中磷酸鐵鋰電池的 能量密度偏低，約為 150-210Wh/kg，而三元鋰電池能量密度較高，約為 200- 350Wh/kg。迴圈次數方面，鈉離子電池迴圈次數與能量密度存在負相關關係，低 能量密度下一般出現高迴圈次數，高能量密度下對應低迴圈次數。
3.2. 市場定位小動力、兩輪車和儲能市場，未來市場空間較大
鈉離子電池未來產業化領域看點在儲能電池、小動力車、電動二輪車等領域。性 能表現上，鈉離子電池效能介於傳統鉛酸電池和鋰電池之間，寧德時代 2021 年 7 月分佈的第一代鈉離子電池單體能量密度達到 160Wh/kg，已經接近磷酸鐵鋰 電池的能量密度。根據中科海鈉和中國儲能網的測算，1wh 鋰電成本為 0。43 元， 鈉電則為 0。29 元，鉛酸電池成本為 0。40 元。考慮到鈉離子電池的效能，我們預 計未來鈉離子電池產業化替代的領域為電動二輪車以及對於高能量密度沒有高 要求的儲能電池、小動力車等領域。
我們預計 2025 年鈉離子電池市場規模為 398 億元，2022-2025 年年複合增速超 300%，市場需求直接從 21 年 0GWh 增長到 25 年的 73。50GWh。其中，電動二 輪車領域，鈉離子電池需求規模從2021年的0GWh增長到2025年的10。63GWh； 儲能領域，鈉離子電池需求規模從2021年的0GWh增長到2025年的48。74GWh； 純電 A00 領域，鈉離子電池需求規模從 2021 年的 0GWh 增長到 2025 年的 14。13GWh。
4。 各公司共同推進鈉電池產業化發展
4.1. 海外：歐美和日本是鈉電池發展的主要推動國家
Faradion：全球第一家專注鈉離子電池產業化的企業
成立於 2011 年的英國 Faradion 是全球第一家專注鈉離子電池產業化的企業。公 司對鈉電池的研究主要看重成本和能量密度，擁有 21 項鈉電池開發專利。其研 發的原型電池能量密度約為 140Wh/kg，在 80%放電深度下迴圈壽命約為 1000次， 設計的 10Ah 軟包電池的能量密度為 155Wh/kg。公司積極與同行業公司開展合 作，2021 年公司與 Phillips 66 （NYSE： PSX）啟動技術合作，開發低成本和高效能 負極材料的鈉離子電池，同年與電池製造商 AMTE Power 合作，可以利用 AMTE Power 現有的電池製造設施。
Natron Energy：高迴圈次數鈉電池的領先者
成立於 2012 年的美國 Natron Energy 於 2022 年宣佈開始在密歇根州的 Clarios 國 際工廠大規模生產鈉離子電池，並計劃於 2023 年上市。該公司研發的鈉電池能 量密度較低，大約為 50Wh/L，但是迴圈次數較高，大約為 50，000 次，快充效能 優秀，在八分鐘內可以快速充電到 99%，因而主要應用於工業電力和儲能。
ASAHI CARBON：起家於碳黑產品，涉足鈉電池負極材料
成立於 1951 年的日本 ASAHI CARBON 主要營業範圍為碳黑產品的開發、生產 與銷售。公司目前加速推動鈉離子電池負極材料的研發，將碳黑與氧化鋁複合， 並使用結合力高的聚醯亞胺做為黏合劑，成功製造出具有高穩定性、高可逆容量 的負極材料，其可逆容量達到 357mAh/g。
4.2. 中國：創業公司和老牌電池公司共同推動頂尖技術研發
4.2.1. 創業公司多由研究所人員成立，佈局鈉電池產業鏈
中科海鈉：國內首家鈉離子電池創業公司
2017 年國內首家鈉離子電池創業公司中科海鈉成立，佈局鈉電池的量產程序。該 公司的核心成員來自中國工程院、中國科學院物理研究所等機構，擁有 20 多項 鈉離子電池核心發明專利。中科海鈉和華陽股份合作研發並於 2021 年 6 月 28 日 投運的 1MWh 鈉離子儲能電池系統成功入選國家能源局釋出 2021 年度能源領域 首臺（套）重大技術裝備專案名單，此係統可以達到 145KW/h 的能量密度，4500 次迴圈次數。中科海鈉和華陽股份子公司發起的1GWh鈉離子Pack電池生產線， 預計 2022 年投產，該生產線成本約為 0。36-0。4 元/Wh。同時中科海鈉與三峽能 源、三峽資本及安徽省阜陽市人民政府達成合作，將合作建設全球首條鈉離子電 池規模化量產線。該產線規劃產能 5GWh，分兩期建設，一期 1GWh 將於 2022年正式投產。
無負極鈉電池的迴圈效能和能量密度都得到了提升。今年 6 月，中科海鈉的創始 人之一胡勇勝研究員在 Nature Energy 上發表了關於無負極鈉電池的研究，其能 量密度超過 200Wh/kg。透過在鋁集電器和含硼電解質上引入石墨碳塗層可以實 現可逆和均勻的鈉沉積層，使得 Na 電池的迴圈壽命達到 260 次，能量密度超過 200Wh/kg。
納創新能源：正極材料和電解液量產化公司
納創新能源是 2018 年由上海交通大學講席教授馬紫峰帶領成立的鈉離子電池技 術研發公司。馬紫峰教授於 2012 年已成立鈉離子電池研發團隊，該團隊於 2015 年釋出全球首臺鈉離子電池儲能裝置，2019 年建成全球首條噸級鐵酸鈉基正極 材料生產線，2021 年釋出全球首套鈉離子電池-甲醇重整制氫綜合能源系統。2022 年鈉創新能源擬將完成 3000 噸正極材料和 5000 噸電解液的投產。預計在未來的 3-5 年內，公司將建設 8 萬噸正極材料和配套電解液生產線。
4.2.2. 產業鏈公司加速鈉電池研發和量產
傳藝科技：即將開始鈉電池中試線投產
傳藝科技技術團隊多年聚焦鈉電池，有將近 10 年的研發儲備投入且 2022 年即 將開始投產中試線。公司針對鈉電池的核心技術環節-正極材料環節，已經研發 出兩款正極材料，其中一款能量密度可以達到 145Wh/Kg 左右。公司擬於 2022 年 10 月 27 日在高郵市舉辦“傳藝鈉電中試典禮、傳藝鈉離子電池研究院揭牌 儀式、傳藝鈉離子電池產品釋出會”，並即將開始進行中試線投產，預計 2GWh 一期鈉離子電池專案將於 2023 年投建，第二期會有 8GWh 專案視市場需求投 產。
寧德時代：開發了 AB 電池系統
作為老牌的動力電池公司，寧德時代在研發鈉電池的過程中有良好的技術和裝置 基礎。2021 年 7 月 29 日，寧德時代以線上釋出會的形式釋出了第一代鈉離子電 池，該電池能量密度達到了 160Wh/kg，在系統整合效率方面，也可以達到 80% 以上。同時寧德時代表示下一代鈉離子電池能量密度將突破 200Wh/kg，公司計
劃
於 2023 年形成基本產業鏈。
新技術不斷髮展，提升鈉電池的效能。2021 年 12 月 21 日，寧德時代董事長曾 毓群在高工鋰電年會上表示，寧德時代開發了 AB 電池系統，即鈉離子電池與 鋰離子電池兩種電池按一定比例進行混搭，可以彌補鈉電池能量密度低的缺點。
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精選報告來源：【未來智庫】。