报告出品/作者：川财证券、孙灿

以下为报告原文节选

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一、钠离子电池：产业化元年来临，市场空间广阔

1.1.钠离子电池基本原理介绍

钠离子电池与锂离子电池相同，属于二次电池。钠离子电池使用钠离子（Na+）作为电荷载体，在电极之间发生可逆的嵌入和脱出，从而实现化学能与电能之间的转换。其工作原理具体来说，电池放电时，负极材料失去电子，钠离子脱嵌进入到电解液，正极材料中的可变价过渡金属得到电子发生还原反应，使得电解液中的钠离子向正极运动并且嵌入到正极晶格中，化学能转化为电能；充电时，外加电压使“摇椅反应”逆向进行，正极失去电子发生氧化反应，钠离子从正极晶格中脱嵌进入电解液，负极得到电子发生还原反应，使得电解液中钠离子向负极移动并插入负极材料中，将电能转化为化学能储存起来。

钠离子电池主要由正极、负极、隔膜、集流体、电解液等构成，按照其组成材料是否直接参与电化学反应，又可以分为活性材料与非活性材料，其中活性材料包括正极材料、负极材料、电解质材料，非活性材料包括隔膜、集流体、导电剂、粘结剂等。

正极是电池中电势较高的一方，放电时发生还原反应，充电时发生氧化反应。正极材料是影响电池功率密度和能量密度的重要因素，在钠离子电池中，由于钠离子半径和原子质量较大，导致其在电极中的嵌脱难度大，速度慢，容易造成正极材料的形态破坏，因此合适的正极材料是钠离子电池产业化的关键因素。目前钠离子正极材料的主要研究路线有三条：层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物。其中层状过渡金属氧化物路线发展最为成熟，有望率先实现产业化。

负极与正极相反，属于电池中电势较低的一方，其放电时发生氧化反应，充电时发生还原反应。负极材料起着负载和释放钠离子的重要作用，其直接影响电池整体的动力学性能，例如倍率性能、功率密度等。由于钠离子的原子半径较大，钠离子无法在石墨负极材料处进行高效率的脱嵌，因此寻找合适的储钠负极材料至关重要。钠离子电池负极材料主要有合金类材料、金属氧化物和硫化物材料、有机材料和碳基材料等。

其中合金类容量较高但循环性能和倍率性能不佳；过渡金属氧化物容量较低；无定形碳可逆容量和循环性能优良，控制成本后有望实现商业化。电解质是正负极之间物质传输的桥梁，用来传输离子以形成闭合回路，是维持电化学反应的重要保障，不仅直接影响电池的倍率、循环寿命、自放电等性能，还是决定电池稳定性和安全性的核心因素之一。按照物理形态，钠离子电池的电解质可分为液态电解质和固态电解质。其中，液态电解质即钠盐液态电解质，一般由溶剂、溶质和添加剂组成；固态电解质材料主要包括三种类型：无机固态电解质、聚合物固态电解质、复合固态电解质，此类材料目前面临室温电导率较低、界面阻抗很大等难题，其产业化尚需时日。

隔膜的主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路，此外还具有能使电解质离子通过的功能。隔膜材质是不导电的，其物理化学性质对电池的性能有很大的影响。

集流体是正负极活性材料附着的基底构件，约占电池重量的10-1%，用以汇集电极材料产生的电流，并对外释放传导。钠离子电池集流体正、负极均可以用铝箔，而锂离子电池由于锂离子在负极会和铝离子发生化学反应，因此负极需要用铜箔。

1.2.钠离子电池技术发展路径钠离子电池的正极材料应满足还原电势高、可逆容量大、循环性能稳定、电子和离子电导率高、结构稳定安全性高、价格低廉等特点。钠离子电池正极材料目前主要以层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物为主要研究路线。

层状过渡金属氧化物正极材料结构与锂电三元正极结构类似，其中过度金属为镍、钴、铁、锰等，在钠离子嵌脱过程中，利用其结构的良好可调节性，通过将不同过渡金属元素互相掺杂或取代可以制备出不同的二元、三元甚至多元的层状过渡金属氧化物。

普鲁士蓝类化合物之前并未在锂离子电池中使用过，作为过渡金属的氰化配位聚合物，过渡金属为铁、锰、钴等。普鲁士蓝材料常温即可制作合成简单方便，理论比容量可以达到mAh/g，钠离子在结构中拥有较大的传输通道可实现高倍率充放电，普鲁士蓝在实际应用中容易存在比容量低、效率不高、倍率较差和循环不稳定等问题。

聚阴离子正极材料结构与锂电磷酸铁锂正极结构类似，过渡金属主要是钒，还包括锰、铁、钴，聚阴离子材料晶体框架结构稳定，电化学稳定性高，但聚阴离子本身的分子量偏大，使得理论比容量仅为-mAh/g，同时还存在导电性差等问题。钠离子正极材料三种技术路线各有优劣，目前层状过渡金属氧化物有望凭借其技术成熟、较高的能量密度、低成本、设备兼容性等优点而率先量产。

金属钠能与Sn、Sb、In等多种金属形成合金，可作为钠离子电池的负极，与锂离子电池的硅基负极类似。这类材料的优势是理论比容量很高，且反应电势很低，因此有望制造高能量密度、高电压的钠离子电池。但是这类材料的反应动力学性能较差，而且钠脱嵌前后的体积变化可达数倍，伴随巨大的应力，使活性材料容易从集流体表面脱落，比容量快速衰减。

某些过渡金属氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物也具有可逆储钠的电化学活性，这类材料往往同时伴随转换反应和合金化反应，因此其理论比容量可超过相应的合金类负极材料，但也更多的技术难题。

有机负极材料的优缺点与有机正极材料类似，目前种类主要包括：羰基化合物、Schiff碱化合物、有机自由基化合物和有机硫化物等，尚处于实验室研究阶段。按照石墨化程度，碳材料可以分为石墨类碳和无定型碳两大类。其中，石墨化程度较高的碳材料由于比表面积较大，有序性较强使得库伦效率极低，难以满足商业应用。无定形碳又可以分为软碳与硬碳，其中，软碳是一种可以在℃下石墨化的非晶碳材料，也被称为石墨化碳，最具代表性的石墨材料已被广泛应用于锂离子电池负极，常见的有石油焦、针状焦、碳纤维和碳微球等。软碳材料中含有石墨微晶无规则堆垛架构而成的孔道结构，具备一定的储钠能力；而硬碳是高分子聚合物、石油化工产品（如沥青类）或生物质材料（如植物残渣）碳化而成，常见的硬碳有树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑及生物质碳等，这些碳质材料即便加热到℃也难以石墨化，以这些材料作为前驱体进行热处理，即可获得硬碳负极材料。软碳与硬碳各有优劣，软材料价格低廉，并且相比于硬碳材料，软碳材料具备更高的电子导电性和倍率性能，但由于软碳材料在高温下容易石墨化，其层间距会随碳化温度升高而逐渐减小，令孔道结构塌陷而导致储钠性能明显减弱，而碳化温度较低无法使其发挥电子导电性优势，且结构不稳定，不可逆容量大；硬碳在比容量、首次充放电效率、电位平稳性等方面均优于软碳，并且由于硬碳材料具有较大的层间距离和较多晶格缺陷，为钠离子提供了丰富的位点，在作为钠离子电池负极材料时表现出了较高的可逆容量，然而由于硬碳加工要求较高，其成本较高。

1..钠离子电池与其它电池的比较

钠与锂处于同一主族，具有相似物理化学性质。地壳中含有2.27%的钠，钠成为地球上第七大最丰富的元素和第五大最丰富的金属，仅次于铝、铁、钙和镁，领先于钾。钠分布于全球各地，完全不受资源和地域的限制，相比锂离子电池，钠离子电池在元素储量上有非常大的资源优势。

钠离子电池的电极材料具有优异的热稳定性和更优的低温性能，对于极端气候拥有更好的适应性，安全性高于锂电池。根据最新研究，已经制备的钠离子电池具有宽工作温度范围：-70-℃，在-70℃的情况下该电池仍可提供70.19%的室温容量，在℃的情况下仍能正常工作。锂离子电池在寒冷的环境下容易活性降低，比容量大幅度下降。钠离子电池中的所有关键部件，包括电解质、阴极和阳极，都设计成适应宽温度窗口，即处理高固有离子扩散系数以补偿损失低温，并具有出色的热稳定性以防止高温下的放热反应。

钠离子电池稳定性更高，更不易出现热失控等情况。钠离子电池在过充、过放、短路、针刺等测试中不起火、不爆炸。钠离子电池热失控温度更高，在高温环境下容易因为钝化、氧化而不自燃。钠盐电解质的电化学窗口较大，电解质在参与反应的过程中分解的可能性更低，电池系统稳定性更高。钠离子电池化学允许在阳极使用金属Al作为集流体，能有效避免石墨基锂离子电池的过放电问题。且钠离子电池的内阻比锂电池高，所以其在短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的安全性。

根据中科海纳估计，Cu-Fn-Mn基钠离子电池原材料成本相对磷酸铁锂/石墨体系将降低0%-40%。在当前高锂电背景下，随着产业化的展开，电解液、硬碳、普鲁士蓝等原材料供应一致性和稳定性有望获得提高，成本效应将逐步凸显。

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