钠离子电池和锂电池组成材料变化最大的正负极材料

奇偶派（jioupai）原创

作者|叶子

编辑 |钊

动力电池作为新能源汽车的动力源，被称为新能源汽车“心脏”，也是整车最重要的系统部件之一。

然而，自新能源汽车开始大规模生产以来，锂电池材料一直面临着供需矛盾的问题，导致锂价格长期居高不下，整个新能源汽车产业链笼罩着沉重的成本压力。汽车厂和电池厂在抱怨不赚钱的同时，也在努力争夺为数不多的锂资源。

随着锂价的持续高位和资源的短缺，新一轮钠电的追求也悄然开始。

事实上，早在20世纪70年代，钠离子电池就与锂离子电池同时萌芽。然而，由于钠负极嵌钠能力弱，钠电池能量密度低，其研发进度远远落后于锂电池。

然而，2020年以后，电动汽车的快速渗透对上游锂材料的价格产生了显著的驱动作用，成为钠离子历史机遇的最大驱动力：从中长期来看，锂资源供需不匹配和锂价格上涨仍有可能维持。更多的资本和企业开始关注或布局钠离子电池产业链，以寻求另一个稳定和高效的锂能源来源。

除了价格优势，理论研究已经重启。自2010年以来，对二次电池的需求迅速扩大，钠电池回到了研究的热点。经过十多年的积累，关键技术逐渐取得了突破。

在需求驱动和技术驱动的结合下，2023年也成为钠离子电池量产的第一年。

本文将分析钠电池和锂电池组成材料变化最大的正负极材料的发展，最终落户特定公司，向读者展示钠电池行业的发展。

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钠电迭代

促进正负材料的发展

钠离子电池的结构和工作原理与锂离子电池基本相同。它也由正极、负极、隔膜、电解质和集流体组成。正负极由隔膜隔开，防止短路。当电解质充放电时，离子在正负极之间传导，集流体起到收集和传输电子的作用。因此，钠离子电池与锂离子电池相同“摇椅式电池”的一种。

在构成电池最重要的正极、负极、电解质、隔膜和集流体五个部件中，锂电池的相关部件可以继续用于钠离子电池的隔膜和集流体，而电解质只将锂盐转化为钠盐。主要变化部件是正极和负极材料，占电池成本的40%以上。

各部件的价格比例

资料来源：中科海钠、国泰君安证券研究

其中，钠电正极材料量产即将到来，三条技术路线齐头并进。

钠离子电池的理想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、结构稳定性高、安全性高、价格低的特点。

作为材料变化最大的组件之一，正极不像负极硬碳产业化那样有明确的前景，而是有三条路线之间的争论。

目前，钠离子电池中三种应用于层状氧化物、普鲁士蓝和聚阴离子的正极材料已进入工业化视野，并处于批量生产前夕。

其中，层状氧化物因其优异的物理化学性能、与锂电池正极工艺和设备的高兼容性而受到许多电池正极玩家的青睐，已经处于工业化的前夕，即将大规模应用。

层氧化物正极材料结构类似于锂三元正极结构，分子为NaxMO2（M代表镍、钴、铁、锰等过渡金属）。在钠离子嵌入过程中，不同的二元可以通过混合或替代不同的过渡金属元素来制备三元甚至多元层过渡金属氧化物。

目前主流层状氧化物类型为O3和P2，与O3倍率相比，P2型具有更好的性能和循环稳定性，相对低于容量，但仍能保持在100-140 mAh/g，产品整体综合性能较好。

在工艺和设备方面，钠电层状正极与锂电池正极高度兼容。目前，钠离子电池层状氧化物正极材料的制备工艺主要采用共沉淀-高温固相烧结法。制备工艺类似于锂离子电池三元正极材料的制备工艺。目前，锂电池正极材料的生产设备被认为是最适合大规模生产钠电池层状氧化物正极材料的方法。

资料来源：CNKI，华安证券研究所

在与钠电正极材料专家的交流中，另一方表示，从学术角度来看，钠电最初的目标是进入储能市场，但随着能量密度的提高，预计电力电池领域也将取代锂电池。

此时，与其他两条技术路线相比，层状材料的理论克容量更高，有很大的改进空间，这也使得层状材料有望成为钠离子电池的主流发展方向。当电池巨头宁德时代推出第二代钠离子电池时，普鲁士系统很可能会切换到层状氧化物路线。

聚阴离子化合物除层状氧化物路线外，以其工作电压高、循环稳定性好的特点，吸引了许多新的企业布局。

聚阴离子化合物种类繁多，一般由阳离子和阴离子基团组成，其中阴离子基团是一系列强共价键(XO4)n-(X代表硫、磷、硅等元素)单元组成。

(XO4)在大多数聚阴离子化合物中n-不仅能保证碱金属离子在框架结构中的快速传导，还能保证金属氧化还原过程中材料结构的稳定性。因此，聚阴离子化合物材料往往比层氧化物具有更高的氧化还原电位和Na 该材料具有循环寿命长、热稳定性强、安全性高等优点。

资料来源：《钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠研究进展》孙畅等

鉴于硫酸盐聚阴离子材料具有良好的综合性能和可控的成本，许多国内企业在相关领域有专利布局，如多氟化物、传播技术、钠能源、星空钠电等。

在与专家的沟通中，对方还表示，只要能量密度低、原材料成本高，硫酸盐聚阴离子材料有望随着技术和制备工艺的突破，解决了循环寿命长、热稳定性强、理论工作电压高的问题。

作为第三种正极材料，普鲁士蓝化合物具有原料成本低、供应充足的优点，但在制备过程中也存在一些问题。

普鲁士蓝化合物具有开放的三维骨架结构和适当的钠离子扩散通道，其中普鲁士白可以通过M3 /M2 和Fe3 /Fe2 氧化还原电可逆脱出/嵌入两个钠离子，理论比容量达到 170.8mA·h/g，工作电势较高。

从原材料成本来看，根据宁德时代专利披露的普鲁士蓝正极材料的制备工艺，可以计算出单吨普鲁士蓝材料需要消耗亚铁氰化钠、氯化锰和氯化钠0.86吨、0.36吨和8.27吨。理想情况下，原材料成本只有1.5万元/吨。如此低的成本也使得普鲁士蓝正极材料具有很高的大规模推广可行性。

然而，普鲁士蓝材料在制备过程中反应速度非常快，导致普鲁士蓝材料的成型一般含有大量的Fe(CN)64-空位缺陷大大降低了材料的结晶性能和可控性。

普鲁士蓝色化合物制备过程中存在缺陷结构(右图)

数据来源：游济远等，钠离子电池正极材料研究进展

此外，普鲁士蓝材料的间隙水占据了Fe(CN)如果通过提高温度来强制去除64-的空缺，可能会对材料造成损坏，但如果不去除，会严重影响电解质的稳定性，降低电池的使用寿命，甚至造成安全问题。

一般来说，在三条正极路线中，层氧化材料的研究起步较早，生产线与锂三元高度一致，企业布局较多，在小型动力汽车和一些循环性能要求较低的储能场景中具有较大的应用潜力。部分聚阴离子材料路线成本低，循环性能好，储能场景应用前景好。普鲁士蓝材料仍存在一定的工艺障碍，需要企业进一步发展。

在负极材料的选择中，钠电和正极材料一样，也有多种路线选择，但硬碳负极远远领先于其他材料，预计将率先完成工业化。

钠离子电池负极材料包括金属化合物、碳基材料、合金材料和非金属单质。其中，金属化合物、合金材料和非金属单质存在体积膨胀问题。体积膨胀会导致充放电过程中电极断裂的风险，从而影响电池寿命。

因此，碳基材料已成为钠离子电池最好的负极材料，具有来源广泛、储钠能力强的优点。在碳基材料中，硬碳比石墨负极具有更好的储钠能力和倍率性能，是目前最适合钠离子电池的负极材料。

根据国内主流钠离子电池制造商披露的信息，公司布局钠离子电池负极材料，大部分选择硬碳材料，在其他负极材料系统中，中科海纳选择软碳材料技术路线，其余路线由于不确定性高，基本没有企业布局。

资料来源：各公司官方网站、公告、华安证券研究所

但硬碳材料并非十全十美，在目前的技术下，硬碳材料的性能仍存在一定的不足。

当使用硬碳作为电池负极充电时，硬碳电极表面钝化不足会溶解硬碳表面形成的SEI膜，导致活性钠离子严重衰减，最终导致电池容量和循环量急剧下降。

同时，硬碳负极存在一致性和成本匹配的问题。作为钠电池的关键材料之一，负极材料必须保证其高度一致性。硬碳材料的结构一致性主要取决于前驱体的状态和碳化过程。只有确保前驱体的高一致性和碳化过程中的均匀加热，才能获得高一致性的硬碳材料。然而，由于该过程的高度复杂，制造成本将大大增加，难以推广。

因此，如何平衡成本与硬碳结构的一致性是硬碳材料企业发展必须克服的问题，也是钠离子电池渗透率快速增长的障碍。

2

宁德时代vs中科海钠

谁会赢得新旧势力？

技术的进步必然导致竞争的出现，钠离子电池的落地之战也出现了“新旧势力”两派之争。

由于钠电池的研发和制造端与锂电池具有一定的协同作用，锂电池公司拥有钠电池轨道“提前入场券”。同时，材料创新也为新势力厂商带来了弯道超车的机会。

因此，现阶段以宁德时代为首的旧锂电力和以中科海钠、浙江钠创为首的新钠电力加快了产业布局，在钠电产业发展初期抓住了机遇。

其中，宁德时代作为世界上第一家电池企业，也是锂电池老势力的代表，早早切入钠离子轨道。

由于钠离子电池与锂离子电池在制造工艺上有一定的相似性，钠离子电池可以实现与锂离子电池生产设备和工艺的完美兼容，生产线可以快速切换，也可以使宁德时代完成生产能力的快速布局。

目前，宁德时代已经启动了相应的产业化布局，并在最近的机构调查中表示，钠离子电池将在2023年形成基本产业链，预计将出货接近1GWh，2024年将继续扩大生产线，形成大规模生产。

目前，宁德时代主要研发正极材料和无负极活性材料技术。其中，正极材料路线覆盖了三种主流技术：层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝化合物。

宁德时代研究院副院长黄启森博士在钠离子电池发布会上表示，目前最具商业价值的正极材料有普鲁士白和层状氧化物。在宁德时代的推动下，克容量已达到160mah/g，相当于现有锂离子电池的正极材料。同时，宁德时代也解决了材料在循环过程中容量快速衰减的世界性问题，使创新材料具备工业化条件。

数据来源：宁德时代钠离子电池发布会

除了宁德时代，以中科海钠为代表的钠电新势力，也凭借过硬的技术储备，加入了新一轮的钠电争夺战。

总的来说，钠电的新力量对钠电池的研发布局较早。由于研发初期没有配套材料制造商，新力量公司大多选择自主研发和生产钠电材料。因此，与锂产业链的旧力量相比，其产品性能更好，产能释放速度更快。

其中，最具代表性的新型钠电力企业是中科海钠。其最大的特点是从技术开始，是世界上最领先的技术开发团队之一。拥有中国科学院物理研究所院士陈立泉、胡永生研究员为技术领导的研发团队。

由于其企业基因，公司拥有多项钠离子电池核心专利，是国际上为数不多的具有钠离子电池核心专利和技术的电池企业之一。

目前，中科海钠的电池产品主要是基于O3相多元复合钠层状正极材料和软碳负极材料系统。公司产品已应用于低速电动汽车、电动船、家庭储能、电网储能等领域。

中科海钠离子电池储能系统

2月下旬，中科海钠还召开新产品新闻发布会，公开亮相多款新型电池和配备钠电的新能源汽车。同时，推出圆柱形电池和两个方形电池，在满足低成本和安全性的前提下，具有宽温、长寿命、倍率等优点，预计未来将广泛应用于乘用车、商用车和储能领域。

新闻发布会后不久，江淮汽车将中科海钠纳入电池供应商。周四，两家公司在中国江苏省举行的一次行业会议上推出了一款由海钠电池驱动的示范车，里程约250公里，正式走出了钠电车“第一步”。

3

写在最后

钠离子电池作为一种刚刚进入公众视野不到一年的钠离子电池“新兴”电池，仿佛离我们很远。

但3月17日，以“钠领未来”为主题的“2023雅迪•华宇钠电发布会”雅迪科技在杭州率先发布了第一款面向大众的钠离子电池——“极钠S9”，钠离子电池似乎离我们很近。

事实上，我们的感觉是正确的，但钠电池的发展比锂电池更具侵略性。原因是锂电池的电解液体系非常成熟，钠锂的物化性质几乎相同，所以钠电池可能只需要几年才能达到锂电池的水平。

正是这个极短的窗口期也加剧了企业之间的竞争。以宁德时代为代表的旧锂电池能否凭借锂电池时代的实力成为先发制人？还是以中科海钠为代表的新钠电力能够凭借技术优势在弯道上超车？王冠还没有落下。不知道谁会在钠电时代称王。

但唯一可以肯定的是，随着钠电的发展，电池产业链上的企业将迎来新一轮的重组，消费者最终将获得更轻、更环保、更便宜的产品。