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纳离子电池

无名小韭07371114

2022-08-07 22:54:48

19页| 钠离子电池

电池社 2022-08-07 14:33 发表于北京

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➢钠电池成本优势明显，多路线并行发展。钠离子电池与锂离子电池工作原理类似，钠离子相比锂离子存在本征缺陷，但钠离子电池具备明显的成本优势，拥有较好的倍率、低温和安全性能。

材料方面：

1）正极：主要有过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物及普鲁士蓝等，短期看金属氧化物路线有望快速应用。

2）负极：负极材料中石墨储钠容量过低，层间距更大的硬碳为合适的材料之一。

3）电解液：钠离子电池对浓度要求更低，溶质换成相应钠盐。

4）集流体：由于钠和铝不会像锂与铝一样反应形成锂铝合金，因此可以选用铝箔为集流体，且可以降低成本。

➢ 钠电池有望逐步放量，与锂电池形成互补。

1）成本是决定储能技术应用和产业发展规模最重要的参数，要满足容量型储能大规模商业化应用，度电成本需降低约 0.3 元/kwh 以下，铅蓄电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池度电成本相对较高，钠电池具有优势。

2）电动两轮车市场存在铅酸替代需求，锂电渗透率不断提升，但锂电池成本上涨以及冬季续航缩水问题限制了锂电池的普及，钠离子电池成本更低，工作温区更宽，使用也更加安全，且两轮车对能量密度的要求比电动车低，钠离子电池有望快速应用于电动两轮车。

3）低速电动车在我国三四线城市和农村地区有着广阔的市场，新能源汽车下乡给 A00 级电动车提供了巨大增长动力，钠离子电池在低速车规范趋严和锂电池成本上涨背景下，有望快速发展。

4）我们预计钠离子电池 2025 年在电化学储能领域、电动两轮车领域及 A00 级电动车领域渗透率将分别达到 15%、 5%、10%，对应 2025 年钠离子电池需求量将达到 57.77GWh。

➢ 2023 年有望成为钠电池产业化元年。

1）21 年以来锂价上涨过快给供应链带来压力，短期锂矿价格有望维持高位，钠电池的成本优势更为显著。

2）从政策层面，国家各部委出台了多项政策鼓励多种储能技术并行发展，《“十四五”可再生能源发展规划》指出，研发储备钠离子电池等技术。

3）锂电巨头宁德时代的加入吸引了更多锂电材料厂家布局钠离子电池技术，共同加速钠电池产业链的发展，2023 年有望成为钠离子电池产业化元年。

一、钠电池成本优势明显，多路线并行发展

1）钠离子电池与锂离子电池原理相似，成本优势明显，低温、安全性能突出

钠离子电池与锂离子电池原理类似，钠离子存在本征缺陷。钠离子电池是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理、结构相似。虽然钠和锂处于同一主族，具有很多相似的物理化学性质，但是钠离子相对锂离子在电池应用中存在着一些不同：

1）钠的标准电极电势(-2.71 V)低于锂(-3.02V)，使得钠电池的输出功率不高。

2）Na+ (23 g/mol)的比重比 Li+ (6.9 g/mol))大，导致钠离子电池的比能量密度相对较低。

3）Na+半径(1.02 Å)比 Li+半径(0.76 Å) 大，导致其在正负极中脱嵌相对困难。

钠离子电池具备明显的成本优势。

1）钠资源储量丰富，地壳丰度(2.75%)是锂资源(0.0065%)的 400 多倍，且钠资源在全球分布均匀，而锂资源 70%分布在南美洲地区，资源分布极度不均。

2）负极采用的无烟煤前驱体材料来源广泛且碳化温度(约 1200℃)低于生产石墨负极时的石墨化温度(约 2800℃)。

3）钠不会和铝发生反应形成合金，因此负极集流体也能使用价格低廉的铝箔，从而进一步降低材料成本。

4）钠离子的斯托克斯直径比锂离子小，同浓度下钠盐电解液离子电导率比锂盐电解液更高，因此可以使用低盐浓度电解液代替高盐浓度电解液。

5）钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，生产设备大多兼容，设备和工艺投入少，利于成本控制。

钠离子电池倍率、高低温性能较好。钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即具有更好的界面离子扩散能力，同时同浓度下钠盐电解液离子电导率比锂盐电解液更高。更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能好，充电速度快，常温下充电到 80%仅需 15min。此外，锂电在低温下充电会析锂，而钠电不会析钠，因此钠离子电池的工作温度更宽，在-40℃到 80℃的温度区间内皆可正常工作，-40℃低温下容量保持率超过 70%，-20℃低温下容量保持率接近 90%，远高于同条件下锂电池不到 70%的保持率。

钠离子电池具备安全优势。

1）钠的活性高，在一定条件下钠枝晶比锂枝晶更易发生自消融，进而避免了电池短路自燃。

2）钠离子电池在热失控过程中易钝化失活，在过充、过放、挤压、针刺等安全测试中均不起火爆炸，热稳定性远超国家强标安全要求。

3）锂离子电池在过放电的情况下，金属态的铜会沉积在阴极上形成金属枝晶铜，金属枝晶铜的生长会造成内部短路并造成严重的热危害。而钠离子电池负极允许使用铝箔作为集流体，使其能够安全的放电至 0V，而不会出现 Al 溶解等任何问题。

2）钠电正极三条路线并行发展，负极、电解液及集流体与锂电亦有不同

钠离子电池正极技术路线主要有层状金属氧化物、聚阴离子化合物及普鲁士蓝类化合物等。钠离子电池正极材料主要包括层状金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物、转化材料（过渡金属氟化物、硫化物等）以及有机材料（共轭羰基或氧化还原活性化合物）。其中，前三类商业化程度进展较快，实际比容量可达 100-200mAh/g，三种材料各有优劣。层状氧化物类似目前的锂电三元正极的结构，能量密度高，但循环性差；聚阴离子化合物类似磷酸铁锂的结构，安全性和稳定性好，但能量密度低；普鲁士蓝类化合物成本低，但是导电性差。

层状过渡金属氧化物应用相对成熟和广泛，主要有 O3 型和 P2 型，两种类型各有优势。钠离子在层状材料中迁移的扩散势垒比锂离子低，层状化合物作为储钠材料非常有优势，因此层状过渡金属氧化物通常成为钠离子电池正极材料的首选。层状过渡金属氧化物结构通式一般为 NaxTMO（2 x≤1， TM 为 Ni、Mn、Fe、Co、Cu 等 3d 过渡金属的一种或几种）。根据 Na+的配位环境及 O 的堆积方式，可以将层状氧化物材料分为 O3、P3、P2、O2 等不同类型，其中钠离子电池层状氧化物正极材料大多以 O3 和 P2 两种结构存在。O3 型和 P2 型各有优势，O3 型具有更多的钠位，可以提供更多的钠离子，因此具有更高的理论容量和更高的初始库伦效率，P2 型结构更稳定，钠离子迁移的扩散势垒比 O3 型低，因此具有更好的离子导电性和倍率性能。目前主流钠离子电池厂家如中科海钠、钠创新能源、英国 FARADION 公司等都采用了层状金属氧化物路线。

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