钠离子电池行业深度研究系列报告（二）

1、钠离子电池价格低廉且性能良好

钠离子电池相较锂电子电池成本更低廉废金属价格。钠电池由于嵌入效率低，能量密度受影响，但成本优势显著。钠离子电池正极材料无须价格较高的锂盐，也可以使用铜基正极材料以避免价格较高的过渡金属元素化合物，据中科海钠数据显示，钠离子电池铜基正极成本相比磷酸铁锂正极可降低近60%；同时，由于钠与铝不易发生合金化反应，集流体可以全部使用铝箔代替铜箔，成本可降低近70%。另外，钠离子电池负极材料可以使用价格较低的无烟煤加工获得，隔膜与锂离子电池类似，两者基本维持与锂离子电池相近的成本。根据中科海钠的综合测算，钠离子电池成本相比性能接近的磷酸铁锂电池可降低约30%-40%；目前，钠离子电池制造工艺尚未完全成熟，制造规模较小，其制造成本约为1元/Wh，与三元锂电池相当；而据中科海钠预测，在规模效应的加持下，钠离子电池成本有望进一步压缩至0.2~0.3元/Wh。

表2：钠离子电池与主流二次电池性能对比

资料来源：21SPV废金属价格，钜大锂电，SMM资讯，ElecFans，瑞达电源官网，前瞻网，中科院物理所官网，Mysteel，有驾网，汽车维修技术网，国海证券研究所

图6：钠离子电池与锂离子电池成本对比

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资料来源：中科海钠官网

2、钠电池三大正极材料路线各有所长

钠离子电池正极材料主要包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物三大路线废金属价格。已发现的层状金属氧化物正极材料包括NaFeO2等O3构型材料，Na2/3MnO2等P2构型材料，以及具有更复杂构型的混合材料；普鲁士蓝类似物主要包括普鲁士蓝、铁基/锰基普鲁士白等；聚阴离子类正极材料分为Na4MnV(PO4)3等NASICON型材料，以及Na3(VOPO4)2F等氟磷酸盐型材料。已经商业化的正极材料覆盖各个类型，其性能、成本各不相同。从性能角度来看，普鲁士蓝类似物和层状氧化物的理论能量密度更高；从成本看，层状氧化物材料价格最为低廉。其余几类材料中，隧道型氧化物、非晶态化合物理论能量密度较低，实用性差；有机正极如Na2C6O6，其能量密度很高，但工作电压很低，阻碍了进一步的发展和应用。

表3：已发现的具有代表性的钠离子电池正极材料（部分）

资料来源：《Recent Advance sin Sodium‑Ion Battery Materials》废金属价格，《Recent advances in high energy-density cathode materials for sodium-ion batteries》，国海证券研究所(摘选其中较典型或性能参数较高的材料)

2.1、层状过渡金属氧化物原材料易得、成本低

层状氧化物材料谱系广泛，性能潜力空间大废金属价格。过渡金属氧化物是一类最为常见的锂离子电池正极材料，三元锂电正极材料即属此类。过渡金属氧化物分为隧道型和层状型两种，前者性能潜力远不如后者，主要系层状结构利于钠/锂离子更好地嵌入金属氧化物，从而提升其比容量和能量密度。基于与三元锂离子电池正极材料相同的原理，钠离子电池可以采用类似结构的材料NaxMO2，其中M一般为镍、钴、锰等过渡金属元素。根据材料的晶胞构造与钠离子嵌入形式，该类材料又可细分为O3、P2、P3三个亚型及混合型，其中O3、P2构型最为常见。由于不同过渡元素的配比可诞生极多种材料构型，可挖掘潜力大，层状金属氧化物一直以来都是科学研究的重点。层状氧化物路线可变因素较多，潜力空间大。据胡勇胜团队研究显示，P2构型的Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2材料具有高可逆氧变价特性，理论最高能量密度可达700Wh/kg，最高可逆比容量270mAh/g。

图7：三种层状氧化物构型示意图

资料来源：《Sodium and Sodium-Ion Batteries:50YearsofResearch》

图8：高可逆氧变价P2层状金属氧化物

资料来源：《钠离子电池及其关键材料》废金属价格，中科院物理所

层状氧化物材料谱系丰富，原材料易得废金属价格。英国钠离子电池生产商Faradion是世界最早开始钠离子电池商业化的公司之一，始终采用层状正极氧化物路线，拥有AxMyMiziO2-d过渡元素型层状金属氧化物专利，其中A为以钠为主导的碱金属合金，M为镍、锰、铁、钴之一，Mi可能为镍、铁、钴、锰、钛等几十种元素的组合，其中较为常用的如NaNi0.5Ti0.5O2-d等。Faradion的专利内容也充分体现了层状氧化物材料谱系丰富的特点，其元素组成灵活多变，性能各异，一方面有望为不同应用场景提供各种解决方案，另一方面通过所用金属元素的改进可以不断降低成本。同时，层状氧化物制备方法简单，主要为烧结等热处理工艺，该工艺与三元正极制备方法十分类似。

图9：层状氧化物常见配方与合成方法

资料来源：国际专利WO2016/103649A1

铜基氧化物路线，性能可控同时实现低成本废金属价格。中科海钠研发团队在国际上首次发现铜离子Cu2+/Cu3+氧化还原在层状氧化物中高度可逆，其发布的钠离子电池创造性地选用铜基层状氧化物材料Na·Cu·Fe·Mn·O，其中铜、铁、锰价格都低于钴、镍等常用于此类化合物的过渡金属元素。该材料在降低成本的同时保持了足够的性能，电池能量密度可达145Wh/kg，循环次数可达4500次。

图10：新型低成本铜基层状金属氧化物正极材料

资料来源：《钠离子电池及其关键材料》废金属价格，中科院物理所

2.2、普鲁士蓝类似物能量密度高

普鲁士蓝类似物潜力突出，能量密度比肩磷酸铁锂废金属价格。普鲁士蓝类似物开放式的三维结构和丰富的钠离子储存位点为其带来了优异的电化学性能及较高的能量密度。根据Tangetal.于2020年的工作，普鲁士蓝正极材料在实验室中可测得能量密度为111Wh/kg以上；S.He(2022)等人的研究则表明一种新型铁基普鲁士白(NaMHCF)的能量密度至少可达182Wh/kg。据宁德时代钠离子电池发布会披露，目前商用钠离子电池最高单体能量密度可达160Wh/kg，与主流磷酸铁锂正极材料性能基本相当；下一代钠离子正极材料能量密度有望达到200Wh/kg，已迎头赶上主流磷酸铁锂正极材料的发展规划。

图11：一种普鲁士蓝材料的晶体结构示意图

资料来源：《Reversible structural evolution of sodium-rich rhombohedral Prussian blue for sodium-ion batteries》

图12：普鲁士白NaMHCF性能曲线

资料来源：《Solvent-free mechanochemical synthesis of Narich Prussian white cathodesfor high-performance Na-ion batteries》

普鲁士蓝原料价格低廉，生产技术成熟后有望进一步降本废金属价格。普鲁士蓝原料易于制备，价格低廉，但普通的普鲁士蓝材料内部含有大量结晶水，对电池的放电性能、安全性和稳定性都带来了较大危害。因此，在原料的基础上，还需要增加导电高分子包覆等工艺，或使微观呈多孔纳米立方结构，以改善材料性能。普鲁士蓝类似物加工工艺的改进空间较大，未来尚有降本空间。

2.3、聚阴离子化合物稳定性高废金属价格，倍率性能有待改善

聚阴离子化合物结构稳定性安全性高，倍率性能限制实际应用废金属价格。相比其它正极材料，聚阴离子化合物(含有四面体或者八面体阴离子结构单元(XOm)n-(X=P、Si、B等)的一系列化合物总称)由于阴离子框架网络高度的稳定性而具有良好的结构稳定性和安全性能。但聚阴离子型化合物最大的缺点就是电子导电率和离子扩散系数都很低，致使电化学反应极化大，降低了倍率性能，限制了实际应用。

图13：一种聚阴离子化合物材料的晶体结构

资料来源：《Recent Advances in Phosphate Cathode Materials for Sodium-ion Batteries》

实验室阶段铝元素代替钒，新材料效能显著提升废金属价格。2021年，赵君梅团队突破性地研发了三元磷酸盐正极材料Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3，随后又通过使用铝元素代替钒，进一步降低成本。据该团队介绍，磷酸铝锰钒钠材料成本较磷酸钒钠降低44%，较磷酸锰钒钠降低10%。同时，两种磷酸铝锰钒钠材料的能量密度分别达到了224Wh/kg和232Wh/kg，远超前人研究结果，打开了磷酸盐系聚阴离子化合物的应用之窗。

3、负极材料以碳基为主废金属价格，有待技术突破

钠离子电池负极材料以碳基为主，铁基材料及钛酸钠兼具潜力废金属价格。Fangetal.等人完成的综述显示，钠离子电池的负极材料以各种硬碳、软碳材料为主，另外还包括三钛酸钠等嵌入型化合物、四氧化三铁等转化型化合物、金属单质及合金材料等等。在所有已发现的负极材料中，除碳基、铁基负极外的其他材料可能具有更高的可逆容量和能量密度，但单价过高，暂不适合商业化应用。其中，铁基材料如硫化亚铁、四氧化三铁等价格较低，偶见商用，但其技术成熟度不如碳基材料。碳基材料中，锂离子电池常用的石墨材料无法有效嵌入钠离子，改进的石墨材料尚处实验室研究阶段，暂未得到应用；目前主流的碳基负极材料主要为各类硬碳材料，其价格、性能与锂离子电池的石墨负极基本相当。

表4：已发现的钠离子电池负极材料(部分)

资料来源：《Recent Advances in Sodium‑Ion Battery Materials》废金属价格，国海证券研究所(摘选其中较典型或性能参数较高的材料)

3.1、硬碳性能肩比石墨

硬碳路线性能卓越，价格降低后更具应用潜力废金属价格。2003年，Dahn等人利用葡萄糖碳化得到了一种内部结构无序的硬碳材料。钠离子可以嵌入材料中的纳米空洞中，形成所谓“纸牌屋结构”，可逆比容量达300mAhg-1。随着硬碳材料的不断发展，其比容量不断上升，已知最高可达478mAhg-1。然而，由于硬碳加工要求高于石墨，其价格偏高，一般约10-20万/吨，常作为高性能负极材料应用于钠离子电池。未来，硬碳价格仍有较大下降空间，这为其提供更加广阔的应用前景。

图14：一类高性能硬碳材料的关键参数

资料来源：BTRChina废金属价格，国海证券研究所

3.2、新型软碳材料具备用于钠离子负极可行性

软碳路线另辟蹊径，新型高比容量软负极材料面世废金属价格。根据Asenbauer等人完成的研究，软碳材料(SoftCarbon)中最具代表性的石墨材料已被广泛应用于锂离子电池负极，理论上锂离子填充石墨片层间形成化合物LiC6时，克容量最大，为372mAh/g。由于钠离子体积更大，难以嵌入石墨层间间隙，因而石墨无法被直接用于钠离子电池负极。1994年，Doeff提出了一种热处理工艺，可以将石油焦炭或乙炔炭黑代替石墨用于钠离子电池负极，填充钠离子后分别形成NaC30和NaC15，钠离子在化合物中的密度均优于对照组的石墨材料(NaC70)，虽逊于锂电池石墨材料，但也初步具备了应用于钠离子电池负极的可行性。

图15：有序嵌入石墨片层的锂离子

资料来源：《Comprehensive elucidation of crystal structures of lithium intercalated graphite》

图16：钠离子无序嵌入硬碳形成“纸牌屋”结构

资料来源：《Sodium and Sodium-Ion Batteries:50YearsofResearch》

软碳材料价格低廉，将显著降低钠离子电池成本废金属价格。据东方财富网报道，目前锂电用石墨负极材料价格在4万元/吨左右。而由于焦炭、炭黑等原料价格低廉，热处理工艺简单，以无烟煤裂解材料为代表的钠电负极软碳材料价格十分低廉。据金融外汇网报道，其价格预计低于1.5万/吨，远低于现有锂离子电池石墨负极材料的价格，以及现有主流硬碳材料10-20万/吨的价格，软碳材料的应用可使钠离子电池成本进一步下降。

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