篇幅受限，原文獲取

后臺(tái)回復(fù)“17”，一鍵免費(fèi)獲取

1 鈉電池優(yōu)勢(shì)明顯，商業(yè)化在即

1.1 鈉離子電池優(yōu)勢(shì)在于成本低、資源豐富

鋰資源短缺，鈉含量豐富優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)。 早在 20 世紀(jì) 80 年代，鈉離子電池就已經(jīng)被短暫研究 過，但是由于當(dāng)時(shí)鋰離子電池在能量密度方面更具有明顯的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)中， 因此鈉離子電池的研究工作被擱置了。近年來，由于鋰資源短缺造成鋰離子電池的成本增加， 限制了其在大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，原料豐富且成本低廉的鈉再次引起了科學(xué)家們 的興趣。 在元素周期表中，鈉與鋰是處于同一主族且具有相似物理化學(xué)性質(zhì)的金屬元素，地球上的 鈉資源儲(chǔ)量非常豐富，元素含量約為 23000ppm （鋰含量?jī)H約為 17ppm ），豐度位于第 6 位， 且分布于全球各地，可完全不受資源和地域的限制。所以在資源方面，鈉離子電池比鋰離子電 池具有更大的優(yōu)勢(shì)

鈉離子電池結(jié)構(gòu)和原理類似鋰電池。 鈉離子電池主要由兩種不同的鈉嵌入型材料（正極材 料、負(fù)極材料）、電解液、隔膜等關(guān)鍵部件組成。充電時(shí)，鈉離子從正極材料中脫出，經(jīng)過電 解液，隔膜，最后嵌入到負(fù)極材料；與此同時(shí)，電子經(jīng)外電路從負(fù)極流向正極。放電過程則與 充電過程相反?？梢钥闯鲡c離子電池的工作原理和鋰離子電池基本類似，也是一類 “ 搖椅式電 池 ” 。鈉離子電池正、負(fù)極材料體系在電池產(chǎn)品中起決定性因素，電解液 / 隔膜主要與正、負(fù)極 材料體系進(jìn)行選擇匹配使用，因此，正、負(fù)極材料體系也直接決定了電池最終的性能指標(biāo)。

硬碳負(fù)極的研發(fā)，鈉電池逐漸走向成熟。 1970 年到 1980 年間，整個(gè)鈉電行業(yè)處于研發(fā)階 段，開始出現(xiàn)高溫硫鈉電池以及 NaMeO 2 正極； 1980 到 1990 年，開始將鈉電應(yīng)用到動(dòng)力和儲(chǔ) 能方面，發(fā)明了高溫鈉離子電池，但此時(shí)缺乏穩(wěn)定的負(fù)極； 1990 到 2000 年，儲(chǔ)能應(yīng)用研發(fā)逐 漸減少，鈉電研發(fā)進(jìn)程放緩，轉(zhuǎn)而鈉 - 氯化鎳電池開始發(fā)展；從 2000 年發(fā)現(xiàn)硬碳負(fù)極材料開始， 整個(gè)鈉電行業(yè)實(shí)現(xiàn)了研發(fā)突破。 國(guó)內(nèi)鈉電池進(jìn)展迅速，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化前夕。 2010 年，中科院開始發(fā)現(xiàn)鈉離子電池，成 為國(guó)內(nèi)最早涉及該領(lǐng)域的組織機(jī)構(gòu)； 2017 年，國(guó)內(nèi)首家專注于鈉離子電池開發(fā)與制造的企業(yè) 中科海納成立； 2018 年，中科海納首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車亮相，同年，浙江鈉創(chuàng)新能源 有限公司注冊(cè)成立； 2019 年，鈉創(chuàng)新能源全球首條噸級(jí)鐵酸鈉基正極材料生產(chǎn)線完工，同年， 中科海納首座鈉離子電池儲(chǔ)能電站問世； 2021 年，中科海納全球套 1MWh 鈉離子電池光儲(chǔ)充 智能微網(wǎng)系統(tǒng)成功投入運(yùn)行，同時(shí)期，鈉創(chuàng)新能源發(fā)布全球首套鈉離子電池 - 甲醇重整制氫綜 合能源系統(tǒng)，而且寧德時(shí)代發(fā)布第一代鈉離子電池，其能量密度可達(dá) 160Wh/kg 。

1.2 政策大力支持，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善

鈉離子電池近年來受到了政策大力支持。 鈉電池是鋰電池的有效補(bǔ)充，近年來技術(shù)也逐步 成熟，產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)逐步有小批量出貨。從政策層面，國(guó)家各部委以及地方政府出臺(tái)了多項(xiàng)政策 鼓勵(lì)多種儲(chǔ)能技術(shù)并行發(fā)展。

國(guó)家開始推動(dòng)鈉離子商業(yè)化，各項(xiàng)細(xì)節(jié)逐步完善。 2021 年 10 月 12 日工信部答復(fù)《關(guān)于 在我國(guó)大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中表示，鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動(dòng)新 能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng) 用的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。 工信部表示，下一步將在 “ 十四五 ” 相關(guān)規(guī)劃等政策文件中加強(qiáng)布局，從促進(jìn)前沿技術(shù)攻關(guān)、 完善配套政策、開拓市場(chǎng)應(yīng)用等多方面著手，做好頂層設(shè)計(jì)，健全產(chǎn)業(yè)政策，統(tǒng)籌引導(dǎo)鈉離子 電池產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。科技部將在 “ 十四五 ” 期間實(shí)施 “ 儲(chǔ)能與智能電網(wǎng)技術(shù) ” 重點(diǎn)專項(xiàng)，并將鈉 離子電池技術(shù)列為子任務(wù)，以進(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。

圖表 6 ：近年來國(guó)內(nèi)支持鈉離子電池發(fā)展的政策

2 鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈建立完成，各項(xiàng)環(huán)節(jié)基本定型

2.1 正極：層狀氧化物綜合性能好，開始成為主流，

鈉離子電池主要的正極材料有過渡金屬氧化物、普魯士藍(lán)，聚陰離子等。 正極材料是影響 電池能量密度、循環(huán)壽命等關(guān)鍵組部件，優(yōu)秀的鈉離子正極材料應(yīng)該具備：（ 1 ）原材料成本低， 制備工藝簡(jiǎn)單，更好的發(fā)揮鈉離子電池成本低的優(yōu)點(diǎn)；（ 2 ）具有氧化還原電對(duì)并且氧化還原電 位夠高，有利于提高鈉離子電池的能量密度；（ 3 ）電子和離子傳導(dǎo)速率高，能實(shí)現(xiàn)快速的充放 電；（ 4 ）材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，在鈉離子脫嵌過程中結(jié)構(gòu)不發(fā)生相變或相變可逆性高。 目前研究的最多的正極材料主要是以下三種：過渡金屬氧化物、普魯士藍(lán) / 白化合物，聚 陰離子。

圖表 8 ：隧道型過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)示意圖    圖表 9 ：層狀過渡金屬氧化物的結(jié)構(gòu)示意圖

普魯士藍(lán)具有較好的穩(wěn)定性，但循環(huán)壽命較差，生產(chǎn)過程不環(huán)保。 普魯士藍(lán)化合物 KFe[Fe(CN) 6 ] 是一種典型的立方晶體結(jié)構(gòu)，其所有的金屬離子位于立方體頂角， Na x MFe(CN) 6 （ M=Mn 、 Ni 、 Co 、 Zn 、 Cu 和 Fe 等）普魯士藍(lán)類似物材料由于具有開放的三維結(jié)構(gòu)，使其 具有相對(duì)優(yōu)異的倍率性能和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。 但由于其在合成過程中會(huì)產(chǎn)生劇毒的氰化氫， 同時(shí)晶格中的配位水難除盡，嚴(yán)重影響電池的容量和循環(huán)性能。

聚陰離子正極穩(wěn)定性較強(qiáng)，但成本較高。 聚陰離子型正極材料擁有堅(jiān)固且開放的三維框 架，材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與熱穩(wěn)定性非常高，因此聚陰離子型正極材料具有更好的循環(huán)穩(wěn)定性與 安全性能。類似 LiFePO 4 ， NaFePO 4 電化學(xué)性能較為優(yōu)異，但 NaFePO 4 能量密度較低。另一類 被廣泛研究是以 Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 為代表的 NASICON 結(jié)構(gòu)材料，其具有高度開放的框架結(jié)構(gòu)，可 以為鈉離子提供了三維擴(kuò)散通道和很大的遷移間隙，具有出色的倍率性能。 目前磷酸釩鈉已經(jīng) 有小批量量產(chǎn)，但成本較高.

2.2 負(fù)極：硬碳最合適，但成本較高

目前鈉離子電池使用較多的負(fù)極是硬碳、軟碳。 負(fù)極材料作為鈉離子電池的核心部件之 一，影響著電池首次庫侖效率、倍率性能和循環(huán)耐久等特性。 目前關(guān)于鈉離子電池負(fù)極材料研 究最多的是碳基材料，相比于鋰電池中的石墨負(fù)極，傳統(tǒng)的石墨材料無法滿足高儲(chǔ)鈉能力，目 前可以作為鈉離子電池的負(fù)極有： 硬碳、軟碳、納米纖維、石墨烯和碳納米管。

硬碳是目前最適合鈉離子電池的負(fù)極。 硬炭是即使在高于 3000 ℃ 的溫度下也不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> 石墨的一種炭材料。經(jīng)過了多年的研究，硬碳由于其高容量，合適的工作電勢(shì)和可持續(xù)性而成 為鈉離子電池理想的負(fù)極材料，其大的層間距被認(rèn)為有利于鈉離子的嵌入和脫出，并且可逆鈉 儲(chǔ)存容量在 150-350 mAh/g 。

軟碳通常作為硬碳的包覆層。 軟碳為可在 2800℃ 下石墨化的非晶態(tài)材料，軟炭材料往往 具有與石墨相近的石墨微晶排列和碳層間距，因此對(duì)于具有較大離子尺寸的鈉離子來說，軟炭 材料的容量較低無法達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的需求。 但是軟炭材料往往具有液相熱解的特性，并且相比 于硬炭來說，軟炭的比表面積較低。 因此軟炭材料可以作為硬炭材料的包覆層，減少電極材料 與電解液的副反應(yīng)，增大首次庫倫效率。

2.3 電解液多使用 NaPF 6 + 酯類溶劑，鋁箔成本有優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前鈉離子最常用的電解液溶劑是酯類電解液。 作為電池的一個(gè)重要組成部分，電解液是 電池內(nèi)部溝通正負(fù)極的橋梁，負(fù)責(zé)載流子在正負(fù)極之間的傳輸，是影響電池安全性的主要因素， 對(duì)電池的能量密度、循環(huán)壽命以及倍率性能等也起著重要影響。 有機(jī)電解液具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能、很高的離子電導(dǎo)率以及較低的價(jià)格，是鈉離子電池實(shí) 際應(yīng)用中最有前景的選擇之一。 目前最常用的電解液可以分為醚類電解液和酯類電解液： （ 1 ）酯類電解液安全性高，具有良好的導(dǎo)電性。 酯類電解液主要成分有： PC （碳酸丙烯 酯）、 EC （碳酸乙烯酯）、 DEC （碳酸二乙酯）等，酯類電解液對(duì)于鈉鹽的溶解性較好，做電解 液時(shí)可以提供良好的離子傳輸能力。 并且酯類電解液的結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，耐氧化，安全性高。

（ 2 ）醚類電解液可以提升電池的能量密度，但穩(wěn)定性較差。 醚類電解液的成分主要為 DME （乙二醇二甲醚）和 DOL （二氧五環(huán)）等，醚類電解液可以促進(jìn)鈉離子在炭材料層間的 插入，有助于提升材料的比容量、首效和倍率性能。 但是醚類電解液容易生成過氧化物，耐氧 化性差，應(yīng)用時(shí)容易起火，安全性差。

鈉鹽最常用的是 NaPF 6 。 鈉鹽是電解液中重要組成部分，是提供電解液中載流子的主要來 源。由于鈉鹽陰離子種類繁多，且還原電位不同，導(dǎo)致鈉鹽不可避免地會(huì)參與到 SEI 膜的形成 中，不同的陰離子對(duì) SEI 膜的成分與性能具有顯著影響。鈉鹽可分為含氟鈉鹽（ NaPF 6 、 NaFSI 等）和不含氟鈉鹽（ NaBF 4 、 NaClO 4 等）兩條路線，從熱穩(wěn)定性角度分析 NaClO 4 >NaPF 6 >NaFSI ， 雖然 NaClO 4 熱穩(wěn)定性最佳，但其易制爆，因此 NaPF 6 被認(rèn)為是較常用的鈉鹽。

后臺(tái)回復(fù)“17”，一鍵免費(fèi)獲取