2022年中國(guó)鈉離子電池技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展研究報(bào)告

前言2021年夏，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布20前言2021年夏，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布20性能優(yōu)良、能夠大規(guī)模應(yīng)用的儲(chǔ)能方案，鈉離子電池（SoimintterNaiontteriesNIB）潛力的選項(xiàng)之一。鈉離子電池是一種依靠鈉離子在正負(fù)極間移動(dòng)來(lái)完成充放電工作的二次電池，與已被廣泛使用的鋰離子電池的工作原理與結(jié)構(gòu)相似。與受到資源限制的鋰離子電池相比，鈉離子電池原料來(lái)源廣泛，性能優(yōu)良，在動(dòng)力電池和大規(guī)模儲(chǔ)能等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，是實(shí)現(xiàn)“碳中和、碳達(dá)峰”目標(biāo)的利器，因此近年來(lái)受到了政府、科研領(lǐng)域和投資者的青睞。池技術(shù)面臨的風(fēng)險(xiǎn)與機(jī)遇。2鈉離子電池：鋰離子電池同胞兄弟，具備成本優(yōu)勢(shì)的新型儲(chǔ)能方式原理與鋰離子電池相似，技術(shù)發(fā)展也曾與鋰離子電池并駕齊驅(qū)。20鈉離子電池：鋰離子電池同胞兄弟，具備成本優(yōu)勢(shì)的新型儲(chǔ)能方式原理與鋰離子電池相似，技術(shù)發(fā)展也曾與鋰離子電池并駕齊驅(qū)。20702090離子電池的發(fā)展一度陷入沉寂。2010年以來(lái)，隨著人類社會(huì)對(duì)儲(chǔ)能設(shè)備的需求飛速增加，鈉離子電池的優(yōu)點(diǎn)凸顯，再度走上舞臺(tái)中央。成本優(yōu)勢(shì)使鈉離子電池奪回關(guān)注焦點(diǎn)。工作原理的相似性讓鈉離子電池和鋰離子電池成本限制了其繼續(xù)發(fā)展。相比之下鈉元素來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，鈉離子電池性能較為電池已逐步成為鋰離子電池的優(yōu)質(zhì)替補(bǔ)和潛在競(jìng)爭(zhēng)者。圖1丨鈉離子電池工作原理（來(lái)源：NuriaTapia-Ruizetal2021JPhys.Energy3031503）3成本——鈉離子電池的突出優(yōu)勢(shì)與鋰離子電池相比，鈉離子電池的低成本優(yōu)勢(shì)如何體現(xiàn)？IA族堿金屬元素，在物理與化學(xué)性質(zhì)上較為相似，都可以作為二次電池的金屬離子載體。近年來(lái)由于鋰2020成本——鈉離子電池的突出優(yōu)勢(shì)與鋰離子電池相比，鈉離子電池的低成本優(yōu)勢(shì)如何體現(xiàn)？IA族堿金屬元素，在物理與化學(xué)性質(zhì)上較為相似，都可以作為二次電池的金屬離子載體。近年來(lái)由于鋰20204/2022450成本更低，價(jià)格受供需影響小，碳酸鈉常年處于3000元/噸以內(nèi)水平。表1丨鈉元素與鋰元素部分參數(shù)對(duì)比（來(lái)源：DeepTech）鈉離子電池正負(fù)極集流體材料可用鋁箔，進(jìn)一步擴(kuò)大了鈉離子電池低成本優(yōu)勢(shì)。由于鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。在以上因素的作用下，鈉離子電池相較于鋰離子電池有30%-40%的成本優(yōu)勢(shì)。圖2丨鈉離子電池與鋰離子電池成本對(duì)比（來(lái)源：中科海鈉官網(wǎng)）4元素 離子半徑（pm） 密度（g/cm3） 氧化還原電位（V） 地殼豐度鋰 76 0.534 -3.0 0.0065%鈉 102 0.968 -2.7 2.74%能量密度上遜色于鋰離子電池，安全性等方面展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)與其他電池相比，鈉離子電池的性能如何？目00/kg3能量密度上遜色于鋰離子電池，安全性等方面展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)與其他電池相比，鈉離子電池的性能如何？目00/kg3-Wh/k。目前鈉離子電池的能量密度相較于三元鋰電的200-350Wh/kg有所遜色，但與磷酸鐵鋰電池的150-210Wh/kg有重疊范圍。206040802090%，高低溫性能更優(yōu)秀。鈉離子電池安全性更高。得益于更高的內(nèi)阻，鈉離子電池在短路狀況下瞬間發(fā)熱量少，熱失控溫度高于鋰離子電池，具備更高的安全性。在針對(duì)過充過放、針刺、擠壓測(cè)試時(shí)，鈉離子電池的安全性表現(xiàn)也讓人滿意。倍率性能好，在快充方面具備優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池具備更好的倍率性能，能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電，這一特性使鈉離子電池能夠更好地勝任大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用。表2丨不同種類電池性能對(duì)比（來(lái)源：DeepTech）5鉛酸電池 磷酸鐵鋰電池 三元鋰電池 鈉離子電池能量密度 30-50Wkg 120-200Whkg 200-350Wkg 70-200Wkg循環(huán)壽命 300-500次 3000次以上 3000次以上 3000次以上平均電壓 2V 3-4.5V 3-4.5V 2.8-3.5V安全性 高 較高 較高 高環(huán)保性 差 較優(yōu) 較優(yōu) 優(yōu)高溫性能 差 較差 差 優(yōu)低溫性能 差 差 較差 優(yōu)下游應(yīng)用 儲(chǔ)能、低速車 儲(chǔ)能、電動(dòng)車 儲(chǔ)能、電動(dòng)車 低速車、儲(chǔ)能低成本助力大規(guī)模使用，完善產(chǎn)業(yè)鏈形成優(yōu)質(zhì)發(fā)展土壤鈉離子電池的商業(yè)化潛力體現(xiàn)在哪些方面？低成本優(yōu)勢(shì)使鈉離子電池具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。全球鋰資源集中于南美洲和大80依賴進(jìn)口。隨著鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，中國(guó)本就匱乏的鋰礦資源顯得捉襟見肘，碳酸鋰價(jià)格飛漲。鈉元素在地球分布廣泛，儲(chǔ)量較高，原料獲取容易，價(jià)格較低且受需求波動(dòng)影響較小，可以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需要。低成本助力大規(guī)模使用，完善產(chǎn)業(yè)鏈形成優(yōu)質(zhì)發(fā)展土壤鈉離子電池的商業(yè)化潛力體現(xiàn)在哪些方面？低成本優(yōu)勢(shì)使鈉離子電池具備大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用潛力。全球鋰資源集中于南美洲和大80依賴進(jìn)口。隨著鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模不斷增長(zhǎng)，中國(guó)本就匱乏的鋰礦資源顯得捉襟見肘，碳酸鋰價(jià)格飛漲。鈉元素在地球分布廣泛，儲(chǔ)量較高，原料獲取容易，價(jià)格較低且受需求波動(dòng)影響較小，可以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需要。0圖3丨2019年5月-2022年5月電池用碳酸鋰價(jià)格走勢(shì)（元/噸）（數(shù)據(jù)來(lái)源：Choice）鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)完善，切換技術(shù)路線成本低。產(chǎn)鈉離子電池?zé)o重置成本。中國(guó)完備的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化提供了優(yōu)良的土壤。圖4丨鋰離子電池與鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈條相似（來(lái)源：DeepTech）6鈉離子電池應(yīng)用領(lǐng)域：交通領(lǐng)域替補(bǔ)鋰離子電池，替代鉛酸電池鈉離子電池可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？新能源汽車發(fā)展受成本限制，鈉離子電池有望替補(bǔ)鋰離子電池。隨著全球減碳進(jìn)程推進(jìn)，新能源汽車替代燃油汽車是大勢(shì)所趨。目前新能源汽車普遍使用鋰離子電池，受鋰礦供應(yīng)影響，鋰離子電池成本問題隨著新能源汽車的普及愈發(fā)凸顯。由于鈉離子電鈉離子電池應(yīng)用領(lǐng)域：交通領(lǐng)域替補(bǔ)鋰離子電池，替代鉛酸電池鈉離子電池可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？新能源汽車發(fā)展受成本限制，鈉離子電池有望替補(bǔ)鋰離子電池。隨著全球減碳進(jìn)程推進(jìn)，新能源汽車替代燃油汽車是大勢(shì)所趨。目前新能源汽車普遍使用鋰離子電池，受鋰礦供應(yīng)影響，鋰離子電池成本問題隨著新能源汽車的普及愈發(fā)凸顯。由于鈉離子電量面略遜于鋰離子電池，因此其主要針對(duì)能量密度要求不高的使用場(chǎng)景。鉛酸電池性能低下且污染嚴(yán)重，鈉離子電池有望在低速車等領(lǐng)域替代鉛酸電池。由于2021池也具備潛力逐步在其他領(lǐng)域取代鉛酸電池。在存量上，鉛酸電池占全球可充電電池75%；2020228GWh可對(duì)鉛酸電池實(shí)現(xiàn)替代，增長(zhǎng)前景廣闊。圖5丨二次電池市場(chǎng)份額，鉛酸電池占比可觀（ENERGYSTORAGEGRANDCHALLENGE）7鈉離子電池應(yīng)用領(lǐng)域：大規(guī)模儲(chǔ)能在電源側(cè)助力清潔能源開發(fā)，在負(fù)荷側(cè)提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性隨著人類社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。中國(guó)作為全球最大的電力消費(fèi)國(guó)，2019鈉離子電池應(yīng)用領(lǐng)域：大規(guī)模儲(chǔ)能在電源側(cè)助力清潔能源開發(fā)，在負(fù)荷側(cè)提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性隨著人類社會(huì)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)能源的需求愈發(fā)強(qiáng)烈。中國(guó)作為全球最大的電力消費(fèi)國(guó)，20197.25000戰(zhàn)略的迅速推進(jìn)，中國(guó)需要更多的使用太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔低碳的能源。而這些能源大多存在不確定性和間歇性等特點(diǎn)，受限于電網(wǎng)消納能力，高比例間歇性可再生能源并網(wǎng)，不僅會(huì)對(duì)現(xiàn)有電網(wǎng)穩(wěn)定性造成沖擊，還可能導(dǎo)致棄風(fēng)率、棄光率升高。由于性能和成本方面較為優(yōu)秀，鈉離子電池可以構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)，在AGC系統(tǒng)調(diào)度下接入清潔能源發(fā)電系統(tǒng)，既可以降低棄風(fēng)率、棄光率，還能平抑能源波動(dòng)，參與系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻，增強(qiáng)電網(wǎng)穩(wěn)定性。在負(fù)荷側(cè)，鈉離子電池可以平滑負(fù)荷曲線，提高電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。鈉離子電池構(gòu)建的區(qū)氣候條件，可以提高儲(chǔ)能電站的滲透率。圖6丨鈉離子電池儲(chǔ)能電站（圖片來(lái)源：中科海鈉官網(wǎng)）8鈉離子電池戰(zhàn)略地位凸顯，多方勢(shì)力先后布局鈉離子電池在新能源汽車動(dòng)力電池和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力使多個(gè)國(guó)家開始重視鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)：美國(guó)能源部（DOE）于2020年底發(fā)布了一份《儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖》（ENERGYSTORAGEGRANDCHALLENGE）報(bào)告，進(jìn)一步提升了儲(chǔ)能技術(shù)的戰(zhàn)略地位。通過“三大課題”和“五大路徑”推進(jìn)美國(guó)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展。報(bào)告中肯定了鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，并表明有多家隸屬于DOE的研究機(jī)構(gòu)正專注于鈉離子電池的開發(fā)工作。歐洲：歐洲汽車和工業(yè)電池制造協(xié)會(huì)（EUROBAT）20212030路圖》報(bào)告，將鈉離子電池列入了“電池2030”未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的電池體系。路線圖認(rèn)為：鉛系、鋰系、鎳系和鈉系電池，不同種類的電池都有適合于特定應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，沒有一種電池或技術(shù)能滿足全部應(yīng)用要求，應(yīng)當(dāng)將聚焦于各種關(guān)鍵應(yīng)用，結(jié)合各種電池的特殊優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵應(yīng)用的需求，對(duì)電池關(guān)鍵性能進(jìn)行改進(jìn)。多種電池技術(shù)共同發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)歐盟的脫碳目標(biāo)。中國(guó)：鈉離子電池戰(zhàn)略地位凸顯，多方勢(shì)力先后布局鈉離子電池在新能源汽車動(dòng)力電池和大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力使多個(gè)國(guó)家開始重視鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)：美國(guó)能源部（DOE）于2020年底發(fā)布了一份《儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖》（ENERGYSTORAGEGRANDCHALLENGE）報(bào)告，進(jìn)一步提升了儲(chǔ)能技術(shù)的戰(zhàn)略地位。通過“三大課題”和“五大路徑”推進(jìn)美國(guó)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展。報(bào)告中肯定了鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，并表明有多家隸屬于DOE的研究機(jī)構(gòu)正專注于鈉離子電池的開發(fā)工作。歐洲：歐洲汽車和工業(yè)電池制造協(xié)會(huì)（EUROBAT）20212030路圖》報(bào)告，將鈉離子電池列入了“電池2030”未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的電池體系。路線圖認(rèn)為：鉛系、鋰系、鎳系和鈉系電池，不同種類的電池都有適合于特定應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，沒有一種電池或技術(shù)能滿足全部應(yīng)用要求，應(yīng)當(dāng)將聚焦于各種關(guān)鍵應(yīng)用，結(jié)合各種電池的特殊優(yōu)點(diǎn)和關(guān)鍵應(yīng)用的需求，對(duì)電池關(guān)鍵性能進(jìn)行改進(jìn)。多種電池技術(shù)共同發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)歐盟的脫碳目標(biāo)。中國(guó)：20224展實(shí)施方案》，提出推動(dòng)多元化技術(shù)開發(fā)，開展鈉離子電池、新型鋰離子電池等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究?？萍疾吭凇笆奈濉逼陂g實(shí)施的“儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點(diǎn)專項(xiàng)中，也將鈉離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，目標(biāo)是進(jìn)一步推動(dòng)鈉離子電池的規(guī)模化、低成本化，提升綜合性能。全球只有少數(shù)公司致力于鈉電池的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化布局，如Faradion（英國(guó)）、Tiamat（歐洲）、trsAB（歐洲）、寧德時(shí)代、中科海鈉、眾鈉能源科技、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電、立方新能源等（中國(guó)）、ndiegy（印度）、NatnEnergy、AquionEnergy（美國(guó)）以及日本松下、三菱等。其中歐洲因其鋰、鈷等全球部分鈉離子電池企業(yè)圖7丨全球部分鈉離子電池企業(yè)（來(lái)源：DeepTech）9鈉離子電池首先要解決：能量密度、安全性和成本鈉離子電池技術(shù)目前面臨哪些挑戰(zhàn)？能量密度是首要指標(biāo)，提升依靠正極材料技術(shù)發(fā)展。相較于鋰離子，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，離子擴(kuò)散速率較低，反映在電池性能上為理論容量和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征較為遜色，這些問題需要正極材料的突破來(lái)改善。得益于鋰離子電池成熟的技術(shù)與生產(chǎn)工藝，鈉離子電池正極材料發(fā)展較為迅速。鈉離子電池在安全性方面具備先天優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步強(qiáng)化需要在電解質(zhì)和負(fù)極材料入手。鈉離子電池首先要解決：能量密度、安全性和成本鈉離子電池技術(shù)目前面臨哪些挑戰(zhàn)？能量密度是首要指標(biāo)，提升依靠正極材料技術(shù)發(fā)展。相較于鋰離子，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，離子擴(kuò)散速率較低，反映在電池性能上為理論容量和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征較為遜色，這些問題需要正極材料的突破來(lái)改善。得益于鋰離子電池成熟的技術(shù)與生產(chǎn)工藝，鈉離子電池正極材料發(fā)展較為迅速。鈉離子電池在安全性方面具備先天優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步強(qiáng)化需要在電解質(zhì)和負(fù)極材料入手。方面具備先天優(yōu)勢(shì)。但鈉離子電池電解液易燃、負(fù)極處鈉枝晶生長(zhǎng)易導(dǎo)致短路等問題依舊存在，因此安全性的提高需要在負(fù)極材料、電解質(zhì)環(huán)節(jié)入手。成本是鈉離子電池的突出優(yōu)勢(shì)，但需要大規(guī)模商業(yè)化后才得以體現(xiàn)。目前磷酸鐵鋰電0.5元/Wh。目前鈉離子電池由于產(chǎn)業(yè)尚不成熟，成本優(yōu)勢(shì)尚未完全體現(xiàn)。鈉離子電池成本為推廣期0.5-0.7元/Wh；發(fā)展期0.3-0.5元/Wh；爆發(fā)期0.3元/Wh。待鈉離子電池產(chǎn)能達(dá)到GWh水平時(shí)，各項(xiàng)費(fèi)用攤薄，鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)將顯現(xiàn)出來(lái)。為了高安全性和低成本，市場(chǎng)可能接受較低的能量密度?；仡欕姵匕l(fā)展歷程，對(duì)能量20172021極材料的反超。依此邏輯，鈉離子電池前景依然可期。10正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出為突破技術(shù)瓶頸，鈉離子電池正極材料有哪些發(fā)展路線？層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物是鈉離子電池正極材料的三種主要發(fā)展方向。環(huán)等電化學(xué)性能上各有所長(zhǎng)。（1）層狀金屬氧化物：具備高比容量?jī)?yōu)勢(shì)，但循環(huán)性能有待提高正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出為突破技術(shù)瓶頸，鈉離子電池正極材料有哪些發(fā)展路線？層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物是鈉離子電池正極材料的三種主要發(fā)展方向。環(huán)等電化學(xué)性能上各有所長(zhǎng)。（1）層狀金屬氧化物：具備高比容量?jī)?yōu)勢(shì)，但循環(huán)性能有待提高NxTM2TMDelmas1980POP2P3、O3O3P2常見的鈉離子電池層狀金屬氧化物正極材料如P2-NaxMnO2以較高的可逆容量（0mAhgJhn-lr-aFe2屬氧化物正極材料如NaxNiO2、NaxVO2圖丨層狀氧化物結(jié)構(gòu)示意圖；(a)P2型、(b)03型、(c)P3型（來(lái)源：CNI）11正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出發(fā)展趨勢(shì)：改性可明顯提升性能，陽(yáng)離子取代最為常用。層狀金屬氧化物鈉離子電池導(dǎo)致電池循環(huán)性能衰減。為此人們開發(fā)了多種改性手段。陽(yáng)離子取代是最為常用的方Mn、Fe、Ni正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出發(fā)展趨勢(shì)：改性可明顯提升性能，陽(yáng)離子取代最為常用。層狀金屬氧化物鈉離子電池導(dǎo)致電池循環(huán)性能衰減。為此人們開發(fā)了多種改性手段。陽(yáng)離子取代是最為常用的方Mn、Fe、Ni基礎(chǔ)上引入少量電化學(xué)惰性元素如Li、Zn、Cu等可進(jìn)一步提高材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。（2）聚陰離子化合物正極材料：氧化還原電位高且穩(wěn)定性好，但比容量較低NxM[(Sm)zMPSV等元素），是由鈉、過渡金屬以及陰離子構(gòu)成，其中過渡金屬主要有鐵、釩、鈷等。另外由于聚陰離子化合物中陰離子結(jié)構(gòu)單元通過強(qiáng)共價(jià)鍵形成三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好，循環(huán)性能和安全性能良好。但這種結(jié)構(gòu)也帶來(lái)了比容量和導(dǎo)電性較差的問題。發(fā)展趨勢(shì)：針對(duì)聚陰離子化合物正極材料比容量和導(dǎo)電性較差的問題，目前改性手段主要為碳材料包覆、氟化、摻雜、不同陰離子基團(tuán)混搭等。圖丨常見聚陰離子型化合物正極材料aFPO4的兩種結(jié)構(gòu)(a)iie相;(b)maiie相（來(lái)源：CNI）12正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出（3）普魯士藍(lán)類化合物正極材料：比容量較高，循環(huán)性能存在短板NxMFe(CN正極材料決定能量密度，三大方向脫穎而出（3）普魯士藍(lán)類化合物正極材料：比容量較高，循環(huán)性能存在短板NxMFe(CN)61y·zH20HCFPBAs，其中M代表鐵、鈷、鎳、錳等過渡金屬元素，F(xiàn)e(CN)6MFeCNNCFeHCFMnHCF由于成本低廉、原料豐富、理論容量高等優(yōu)勢(shì)最受關(guān)注。Fe(CN)6能。發(fā)展趨勢(shì)：目前主要通過優(yōu)化合成工藝、離子摻雜和與其他材料復(fù)合使用以改善儲(chǔ)鈉MHCF化物、聚陰離子型化合物形成“三足鼎立”之勢(shì)。圖丨普魯士藍(lán)類化合物的3種晶體結(jié)構(gòu)圖；(a)Cubic、(b)ii、(c)Rhomboedal（來(lái)源：CNI）13負(fù)極材料：無(wú)定型碳材料具備商業(yè)化潛力為突破技術(shù)瓶頸，鈉離子電池負(fù)極材料有哪些發(fā)展路線？多種負(fù)極材料中無(wú)定形碳材料最具商業(yè)化潛力。由于鈉離子的原子半徑較大，鈉離子鈉離子電池負(fù)極材料主要有無(wú)定型碳類（硬碳、軟碳等）、合金類、過渡金屬氧化物為硬碳和軟碳兩種。（1）硬碳負(fù)極材料：來(lái)源廣泛，可逆容量可觀。負(fù)極材料：無(wú)定型碳材料具備商業(yè)化潛力為突破技術(shù)瓶頸，鈉離子電池負(fù)極材料有哪些發(fā)展路線？多種負(fù)極材料中無(wú)定形碳材料最具商業(yè)化潛力。由于鈉離子的原子半徑較大，鈉離子鈉離子電池負(fù)極材料主要有無(wú)定型碳類（硬碳、軟碳等）、合金類、過渡金屬氧化物為硬碳和軟碳兩種。（1）硬碳負(fù)極材料：來(lái)源廣泛，可逆容量可觀。硬碳是高分子聚合物、石油化工產(chǎn)品（如瀝青類）或生物質(zhì)材料（如植物殘?jiān)┨蓟?800較高的可逆容量。圖(a)“微孔吸附”機(jī)理、(b)“微晶插層”機(jī)理（來(lái)源：CNI）14負(fù)極材料：無(wú)定型碳材料具備商業(yè)化潛力趨勢(shì)：對(duì)硬碳負(fù)極材料進(jìn)行改性以提高首周庫(kù)倫效率（ICE），并進(jìn)一步提高比容量和循環(huán)性能。硬碳負(fù)極材料的首周庫(kù)倫效率（負(fù)極材料：無(wú)定型碳材料具備商業(yè)化潛力趨勢(shì)：對(duì)硬碳負(fù)極材料進(jìn)行改性以提高首周庫(kù)倫效率（ICE），并進(jìn)一步提高比容量和循環(huán)性能。硬碳負(fù)極材料的首周庫(kù)倫效率（CE）偏低。對(duì)于全電池，儲(chǔ)存在正極和電解液中的鈉離子是有限的，低庫(kù)倫效率將嚴(yán)重影響電池容量。為解決這一問題，研究人員開發(fā)了包括材料結(jié)構(gòu)調(diào)控、陽(yáng)離子摻雜、調(diào)控含氧官能團(tuán)等手段，改善了硬CE（2）軟碳負(fù)極材料2800為鈉離子電池負(fù)極材料。相比于硬碳材料，軟碳材料具備更高的電子導(dǎo)電性和倍率性能，這得益于其富含的sp2碳。趨勢(shì)：通過異相原子摻雜、制備納米結(jié)構(gòu)等手段改性碳材料以改善軟碳負(fù)極材料性能。由于軟碳材料在高溫下容易石墨化，其層間距會(huì)隨碳化溫度升高而逐漸減小，令孔道結(jié)構(gòu)塌陷而導(dǎo)致儲(chǔ)鈉性能明顯。而碳化溫度較低無(wú)法使其發(fā)揮電子導(dǎo)電性優(yōu)勢(shì)，且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，不可逆容量大。為解決這些問題，研究人員開發(fā)出了多種改性手段，如通過制備納米結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)多孔結(jié)構(gòu)加快鈉離子傳輸、摻雜異相原子以增加層間距，改善容量與導(dǎo)電率、預(yù)氧化策略抑制其石墨化等。15生產(chǎn)工藝的突破將掃清從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的障礙鈉離子電池從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)還有多遠(yuǎn)？成熟的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)為鈉離子電池商業(yè)化準(zhǔn)備好了土壤。鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)相似，均由正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液構(gòu)成，被稱為四大主材。生產(chǎn)工藝的突破將掃清從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的障礙鈉離子電池從實(shí)驗(yàn)室到市場(chǎng)還有多遠(yuǎn)？成熟的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)為鈉離子電池商業(yè)化準(zhǔn)備好了土壤。鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)相似，均由正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解液構(gòu)成，被稱為四大主材。NaPF6LiPF6極材料與負(fù)極材料。正極材料：層狀金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物未來(lái)可期，生產(chǎn)工藝需要技術(shù)突破。鈉離子電池正極材料的三大方向中，層狀金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物以較高的比O3P2耐水性較差，易與空氣中的水分子發(fā)生反應(yīng)，造成電池的損傷；目前普魯士藍(lán)類化合鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。負(fù)極材料：無(wú)定型碳材料展現(xiàn)應(yīng)用潛力，成本仍有降低空間。無(wú)定形碳材料以其較低隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，無(wú)定型碳材料成本有下降空間，這將進(jìn)一步加快鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。16四十年技術(shù)積累，產(chǎn)業(yè)化只爭(zhēng)朝夕鈉離子電池在走向商業(yè)化的過程中經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？鈉離子電池的研究自從20世紀(jì)80年代開始至今已有40多年，但受到企業(yè)關(guān)注是從近10年開始。Faradion20112017頭，近幾年也已布局鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化。鈉離子電池研究開始1980s金屬層狀氧化物正極材料發(fā)現(xiàn)2000硬碳負(fù)極材料發(fā)現(xiàn)鈉離子電池研究迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī) FARADION四十年技術(shù)積累，產(chǎn)業(yè)化只爭(zhēng)朝夕鈉離子電池在走向商業(yè)化的過程中經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？鈉離子電池的研究自從20世紀(jì)80年代開始至今已有40多年，但受到企業(yè)關(guān)注是從近10年開始。Faradion20112017頭，近幾年也已布局鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化。鈉離子電池研究開始1980s金屬層狀氧化物正極材料發(fā)現(xiàn)2000硬碳負(fù)極材料發(fā)現(xiàn)鈉離子電池研究迎來(lái)轉(zhuǎn)機(jī) FARADION系全球首家專注鈉離子電池工程化的企業(yè)20112015法國(guó)NIDES項(xiàng)目組成立，同年成18650?2017中國(guó)首家鈉離子電池企業(yè)建成百噸級(jí)正負(fù)極材料中試線2018中科海鈉首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車問世中國(guó)鈉離子電池企業(yè)浙江鈉創(chuàng)新能源公司成立??2019中科海鈉鈉離子電池儲(chǔ)能站鈉創(chuàng)新能源先后建成正極材料和兆瓦級(jí)電池中試生產(chǎn)線1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在太原投入運(yùn)行寧德時(shí)代發(fā)布首代鈉離子電池，并計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈?2021?圖12丨鈉離子電池行業(yè)主要事件節(jié)點(diǎn)（來(lái)源：公開信息整理）17四十年技術(shù)積累，產(chǎn)業(yè)化只爭(zhēng)朝夕池產(chǎn)業(yè)鏈的布局陸續(xù)浮出水面。期待鈉離子電池的發(fā)展為清潔能源的開發(fā)利用做出貢獻(xiàn)。表3丨在鈉離子電池領(lǐng)域進(jìn)行布局的部分企業(yè)（來(lái)源：公開信息）18企業(yè) 在鈉離子電池領(lǐng)域的布局寧德時(shí)代 2021年7四十年技術(shù)積累，產(chǎn)業(yè)化只爭(zhēng)朝夕池產(chǎn)業(yè)鏈的布局陸續(xù)浮出水面。期待鈉離子電池的發(fā)展為清潔能源的開發(fā)利用做出貢獻(xiàn)。表3丨在鈉離子電池領(lǐng)域進(jìn)行布局的部分企業(yè)（來(lái)源：公開信息）18企業(yè) 在鈉離子電池領(lǐng)域的布局寧德時(shí)代 2021年7月發(fā)布了第一代鈉離子電池，并計(jì)劃于2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈層狀氧化物正極材料的技容百科技 術(shù)迭代與產(chǎn)線建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)噸級(jí)產(chǎn)出，2023年規(guī)模達(dá)到百噸級(jí)三峽能源 與中科海鈉等合作建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線，預(yù)計(jì)2022年正式投產(chǎn)負(fù)極材料一期工程規(guī)模匹華陽(yáng)股份 配，pack電池生產(chǎn)線也按照材料一期規(guī)模建設(shè)，預(yù)計(jì)2022年3季度末投產(chǎn)鵬輝能源 公司已制備出鈉離子電池樣品，采用陰離子聚合物正極與硬碳負(fù)極體系預(yù)計(jì)，2022年6月進(jìn)行中試翔豐華 針對(duì)鈉離子電池開發(fā)高性能硬碳負(fù)極材料，目前正在測(cè)試中浙江醫(yī)藥 持有浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司40%的股份華為 旗下哈勃投資公司持股北京中科海納科技有限責(zé)任公司，持股比例為13.3333%技術(shù)路線：層狀金屬氧化物與普魯士藍(lán)類材料廣受青睞目前的鈉離子電池企業(yè)如何選擇技術(shù)路線？能量密度更受關(guān)注，成本影響企業(yè)選擇。鈉離子電池作為鋰離子電池的低成本替代品，能量密度和成本成為了鈉離子電池企業(yè)選擇技術(shù)路線時(shí)的首要指標(biāo)。層狀金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物憑借著較大的比容量，被大多數(shù)鈉離子電池企業(yè)選作正極材料，其產(chǎn)品在能量密度方面表現(xiàn)良好。負(fù)極成本較低的硬碳材料和有機(jī)電解液體系。圖13丨截至2021Faradion（來(lái)源：NuriaTapia-Ruizetal2021J.Phys.Energy3031503）19公司/組織 國(guó)家 材料體系 性能技術(shù)路線：層狀金屬氧化物與普魯士藍(lán)類材料廣受青睞目前的鈉離子電池企業(yè)如何選擇技術(shù)路線？能量密度更受關(guān)注，成本影響企業(yè)選擇。鈉離子電池作為鋰離子電池的低成本替代品，能量密度和成本成為了鈉離子電池企業(yè)選擇技術(shù)路線時(shí)的首要指標(biāo)。層狀金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物憑借著較大的比容量，被大多數(shù)鈉離子電池企業(yè)選作正極材料，其產(chǎn)品在能量密度方面表現(xiàn)良好。負(fù)極成本較低的硬碳材料和有機(jī)電解液體系。圖13丨截至2021Faradion（來(lái)源：NuriaTapia-Ruizetal2021J.Phys.Energy3031503）19公司/組織 國(guó)家 材料體系 性能（截至發(fā)文時(shí)最新公開數(shù)據(jù)，來(lái)源：官網(wǎng)公開信息）FARAION 英國(guó) 層狀金屬氧化物硬碳有機(jī)電解液體系 1Ah軟包電池能量密度可達(dá)155Wh/kgNatron 美國(guó) 普魯士藍(lán)類化合/水系電解液體系 水系電解液體系安全性高Energy 超過50能量密度50Wh/kg 年）,000次循環(huán)壽命（2022NAIADES 法國(guó) 聚陰離子化合物/硬碳/有機(jī)電解液體系 能量密度90Wh/kgAltrisAB 瑞典 普魯士藍(lán)類化合物 正極材料比容量170mAh/g中科海鈉 中國(guó) 層狀金屬氧化物/硬碳/有機(jī)電解液體系 能量密度145Wh/kg循環(huán)4500次后留存超83%鈉創(chuàng)新能源 中國(guó) 層狀金屬氧化物/硬碳/有機(jī)電解液體系 能量密度120Wh/kg循環(huán)壽命1000次寧德時(shí)代 中國(guó) 普魯士藍(lán)類化合物/硬碳/有機(jī)電解液體系 能量密度160Wh/kg全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)迅速，中國(guó)占比最高2012年起鈉離子電池專利申請(qǐng)量迅速增加，絕大多數(shù)申請(qǐng)來(lái)自中國(guó)。20101020181000全球?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量增長(zhǎng)迅速，中國(guó)占比最高2012年起鈉離子電池專利申請(qǐng)量迅速增加，絕大多數(shù)申請(qǐng)來(lái)自中國(guó)。2010102018100090圖14丨全球鈉離子電池專利申請(qǐng)量趨勢(shì)，截至2022年6月9日（數(shù)據(jù)來(lái)源：智慧芽；橫軸為專利數(shù)量、縱軸為申請(qǐng)人數(shù)量、檢索詞為鈉離子電池）圖16丨全球鈉離子電池專利按當(dāng)前申請(qǐng)人分布（數(shù)據(jù)來(lái)源：智慧芽）圖15丨全球鈉離子電池專利按公開年分布（數(shù)據(jù)來(lái)源：智慧芽）圖17丨全球鈉離子電池專利詞云（數(shù)據(jù)來(lái)源：智慧芽）20研究熱度逐年遞增，產(chǎn)學(xué)研合力助推行業(yè)發(fā)展2013的關(guān)注度與日俱增，每年以鈉離子電池為核心研究主題的論文數(shù)量逐年攀升。2012年單年全球鈉離子電池相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量剛突破百篇，2021年這個(gè)數(shù)字已經(jīng)接近2900秀的團(tuán)隊(duì)與人才，助力鈉離子電池產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。WebofScience家：中國(guó)、美國(guó)（10%）、韓國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)、印度、新加坡、英國(guó)、西班牙、法國(guó)和加拿大；中國(guó)占比70%，位列第一。300028972600257825002241200017291500126090310005375000圖18丨全球鈉離子電池論文發(fā)表數(shù)量按出版年份分布（數(shù)據(jù)來(lái)源：WebofScience，檢索關(guān)鍵詞為Sodium-ionbattery）產(chǎn)學(xué)研緊密合作，頂尖團(tuán)隊(duì)助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過近十年的積累，中國(guó)已經(jīng)在鈉離子電池領(lǐng)域培養(yǎng)出相當(dāng)數(shù)量的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，其中部分團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打破了實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)之間壁壘，開始以中試規(guī)模生產(chǎn)鈉離子電池。表4丨中國(guó)部分鈉離子電池企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展（來(lái)源：DeepTech）21研究機(jī)構(gòu) 團(tuán)隊(duì) 孵化企業(yè) 產(chǎn)業(yè)進(jìn)展中科院物理所 胡勇勝團(tuán)隊(duì) 中科海鈉 一期1GWh鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線將于2022年正式投產(chǎn)上海交通大學(xué) 馬紫峰團(tuán)隊(duì) 鈉創(chuàng)新能源 2021年開始建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)正極材料生產(chǎn)基地蘇州大學(xué)等 趙建慶團(tuán)隊(duì)等 眾鈉能源 2022年研究熱度逐年遞增，產(chǎn)學(xué)研合力助推行業(yè)發(fā)展2013的關(guān)注度與日俱增，每年以鈉離子電池為核心研究主題的論文數(shù)量逐年攀升。2012年單年全球鈉離子電池相關(guān)論文發(fā)表數(shù)量剛突破百篇，2021年這個(gè)數(shù)字已經(jīng)接近2900秀的團(tuán)隊(duì)與人才，助力鈉離子電池產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。WebofScience家：中國(guó)、美國(guó)（10%）、韓國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)、印度、新加坡、英國(guó)、西班牙、法國(guó)和加拿大；中國(guó)占比70%，位列第一。300028972600257825002241200017291500126090310005375000圖18丨全球鈉離子電池論文發(fā)表數(shù)量按出版年份分布（數(shù)據(jù)來(lái)源：WebofScience，檢索關(guān)鍵詞為Sodium-ionbattery）產(chǎn)學(xué)研緊密合作，頂尖團(tuán)隊(duì)助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過近十年的積累，中國(guó)已經(jīng)在鈉離子電池領(lǐng)域培養(yǎng)出相當(dāng)數(shù)量的優(yōu)秀科研團(tuán)隊(duì)，其中部分團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打破了實(shí)驗(yàn)室和產(chǎn)業(yè)之間壁壘，開始以中試規(guī)模生產(chǎn)鈉離子電池。表4丨中國(guó)部分鈉離子電池企業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)與產(chǎn)業(yè)進(jìn)展（來(lái)源：DeepTech）21研究機(jī)構(gòu) 團(tuán)隊(duì) 孵化企業(yè) 產(chǎn)業(yè)進(jìn)展中科院物理所 胡勇勝團(tuán)隊(duì) 中科海鈉 一期1GWh鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線將于2022年正式投產(chǎn)上海交通大學(xué) 馬紫峰團(tuán)隊(duì) 鈉創(chuàng)新能源 2021年開始建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)正極材料生產(chǎn)基地蘇州大學(xué)等 趙建慶團(tuán)隊(duì)等 眾鈉能源 2022年3月，百噸級(jí)正極材料線投產(chǎn)科研側(cè)持續(xù)布局鈉離子電池技術(shù)，部分科研團(tuán)隊(duì)研究成果進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵階段也為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了窗口期，研究團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化因此進(jìn)入關(guān)鍵階段。DeepTech（部分）聚焦鈉離子電池研究的科研人才，以饗讀者。（如果您的團(tuán)隊(duì)也在從事鈉離子電池領(lǐng)域科研工作，歡迎與我們聯(lián)系交流）表5丨中國(guó)（部分）涉及鈉離子電池技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)及其研究方向，順序不分先后（來(lái)源：DeepTech）22人物 所在單位 研究方向陳立泉院士 中科院物理所 全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池、室溫鈉離子電池等吳鋒院士 北京理工大學(xué) 綠色能源材料、環(huán)境材料研究與應(yīng)用、新型二次電池陳軍院士 南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院 新型有機(jī)電極材料、高能量密度層狀氧化物正極材料錢逸泰院士 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與 新型納米材料及復(fù)合納米材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用材料科學(xué)學(xué)院歐陽(yáng)明高科研側(cè)持續(xù)布局鈉離子電池技術(shù)，部分科研團(tuán)隊(duì)研究成果進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵階段也為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了窗口期，研究團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化因此進(jìn)入關(guān)鍵階段。DeepTech（部分）聚焦鈉離子電池研究的科研人才，以饗讀者。（如果您的團(tuán)隊(duì)也在從事鈉離子電池領(lǐng)域科研工作，歡迎與我們聯(lián)系交流）表5丨中國(guó)（部分）涉及鈉離子電池技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)及其研究方向，順序不分先后（來(lái)源：DeepTech）22人物 所在單位 研究方向陳立