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中国钠离子电池产业现状与未来趋势研究

在全球碳中和的大背景下，电化学储能技术得到了快速的发展。发展钠离子电池对于我国降低对锂资源的依赖具有深远的战略意义。钠电被认为是最具发展潜力的新型储能电池，为我国的产业带来了前所未有的高速增长机会。

钠离子电池（Sodium-ion battery）属于二次充电电池类别，其工作原理主要是依赖于钠离子在电池的正极和负极之间进行移动，这与锂离子电池的工作机制有着相似之处。钠作为一种重要的储能材料被广泛地应用于新能源发电、电动汽车等众多领域，其产业化前景广阔。在2022年度，它被列为化学领域的十大创新技术之一。

工作原理

在充放电过程中，Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。新款18650钠离子电池，借助了钠离子转移（而不是锂离子）来存储和释放电能。

钠离子电池

与锂离子电池的区别

虽然钠离子电池和锂离子电池的基本工作原理相似，但它们在离子脱嵌过程、材料选择和电化学特性上存在一些重要区别：

• 离子半径和质量：钠离子的离子半径（1.02 A）大于锂离子（0.76 A），质量也比锂离子重。这意味着钠离子的迁移速度和扩散系数较低，可能导致钠离子电池的动力学性能逊色于锂离子电池。

• 电极材料选择：由于钠离子半径较大，一些适用于锂离子电池的电极材料并不适用于钠离子电池。例如，石墨在钠离子电池中并不稳定，而硬碳、氧化物和聚阴离子化合物在钠离子电池中表现较好。

• 电压平台：钠离子电池的工作电压通常低于锂离子电池。这是由于钠的标准电极电位（-2.71 V vs. SHE）高于锂（-3.04 V vs. SHE），因此钠离子电池的能量密度较低。

• 电解质兼容性：钠离子电池的电解质体系需要适应钠离子的特性，通常使用NaPF6或NaClO4等钠盐，而锂离子电池通常使用LiPF6作为电解质盐。

钠离子电池发展历史沿革

钠离子电池工作原理

与锂电池一致

• 钠离子电池有着悠久的历史，它和锂离子电池的原理是一样的。钠离子电池最初是由ARMAND团队在20世纪80年代提出的，并在90年代通过产业化的方式得到了广泛的推广和技术应用。钠离子电池的本质就是充放电时钠离子嵌入脱出正负极之间实现电荷转移，锂离子电池则利用锂离子正负电极之间的运动实现电荷转移的一种电池形式，其原理本质一致。

钠电池生产工艺与锂电池相似

生产工艺方面：钠离子电池生产工艺同锂离子电池类似，主要包括极片制造（正负极搅拌制浆料-烘干-涂布等）和电池装配（辊压-模切-卷绕/叠片-入壳-封装-化成-分容分选等），主要区别在于钠离子电池可采用铝箔作为负极集流体，因此正、负极片可采用相同的铝极耳，极耳焊接等相关工序可以更加简化。因此，锂离子电池现有的电池组装生产线稍加修改即可用来生产钠离子电池，发展钠离子电池的重置成本很低。

钠离子电池生产工艺图

钠离子电池优势：资源丰富

• 钠资源丰富：钠元素在地壳中丰度为2.3%，位居所有元素第六位，显著高于锂元素的0.0017%。陈立泉院士表示目前全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14.8亿辆电动汽车，随着全球电动化加快，锂资源短缺压力进一步体现。

• 钠资源分布更均匀：据美国地质调查局2019年报告显示，南美洲国家阿根廷、智利、玻利维亚三国锂资源储量在全球中占比达到52.10%，中国锂资源储量占比仅为7.26%，资源分布极度不均匀。中国所需60%以上锂原料均需要进口，对外依存度高。钠元素以盐的形式广泛存于陆地与海洋中，获取便捷度高。

钠离子电池优势：成本低

• 钠离子电池成本优势主要体现在：

1）钠盐替换锂盐。金属钠价格为1.9万元/吨、碳酸钠价格为0.3万元/吨，显著低于金属锂的298万元/吨、碳酸锂的48.4万元/吨，原材料价格更为低廉。

2）铝箔替换铜箔。假设铜箔价格为11万元/吨、铝箔价格为4万元/吨，假设1GWh锂电池需要622吨铜箔、400吨铝箔，1GWh钠离子电池需要800吨铝箔，那么锂电池单Wh集流体成本为0.084元、钠电池单Wh集流体成本为0.032元，成本下降0.052元/Wh。

3）石墨负极有望更换为无烟煤降低成本。根据中科海钠数据，钠离子电池材料成本约0.37元/Wh，显著优于磷酸铁锂和三元锂电池体系。

钠离子电池优势：安全性高

钠离子电池具有更为优异的安全性能：

• 钠离子电池内阻高，在电池短路时电路中电流更低，瞬间发热更少。

• 锂的标准电极电位更负，在水溶液里表现更为比钠更容易失电子，因而钠离子电池具有更高的稳定性。

• 钠离子电池经短路，针刺和挤压试验均未发生着火和爆炸现象。锂离子电池的过放电问题会导致集流体如铜箔溶解和电池容量不可逆衰减；并且钠离子电池没有过放电的现象，正极可放电到0V,不会对后续的使用造成影响，继而使电池的储存运输时更安全。同时钠电池热失控后易钝化失活从而具有较好的安全测试性能。

锂与钠的物理化学性质对比

钠离子电池优势：

低温性能佳&倍率性能好

• 倍率性能优异：钠离子溶剂化能低于锂离子，界面离子扩散能力强,且钠离子斯托克斯半径小，相同浓度电解液情况下较锂盐电解液离子电导率更高，快充性能更好。根据宁德时代数据，钠离子电池能够在15min内充电至80%，中科海钠则提出其电池能够在12min内充电至90%，充电速度均明显优于正常状态下锂离子电池30min充电80%的充电速度。

• 低温性能优异：钠离子离子电导率高，电解液的浓度要求更低，低温时电解液粘度比锂离子电池更低，电池整体性能更为优异。钠离子电池正常工作温度范围在-40℃-80℃ , 部分产品在-20℃下容量保持率能够达到88%，显著优于磷酸铁锂60-70%左右的容量保持率。