钠离子电池行业专题：多方发力，趋势已成
钠电池 ，是锂离子电池的 完美替补？
钠离子电池具备替代锂离子电池的条件
工作原理：与锂离子电池相同：属摇椅式二次电池， 充电时钠离子从正极脱嵌，通过电解质和 隔膜后在负极嵌入，放电时则相反运动。
钠源：氢氧化钠、碳酸钠、甲酸钠、醋酸钠、氯化钠等；储量丰富， 易于开采，供应链安全风险小； 锂源：氢氧化锂（三元）、碳酸锂（铁锂）；原矿品位低，开采难度 大，周期长，价格波动较大，对外依存度高；
钠离子电池产业化发展的突破口：材料端，重点是钠电专用正负极主材的开发
正极材料：离子半径上的差异意味着钠化合物 在晶格结构与锂存在区别，需要发掘或通过界 面和结构调控实现兼具良好电性能和循环寿命 的钠基正极主材。
负极材料：商业化的石墨负极或硅碳负极（层 状有序结构）不适合储存钠离子。
电解液：主要溶剂由六氟磷酸锂切换成六氟磷酸钠，壁垒较低。
隔膜、集流体：隔膜孔隙大小为纳米级别，离子半径的差异可忽略与锂电池通用；钠与铝无合金化反应，不 会侵蚀铝箔，负极集流体可用铝箔替代铜箔。
其他添加剂：包括正负极添加剂，电解液溶剂，大体与锂电池相同，通过开发新型辅材、或配方用量的调配 达到性能与成本的均衡兼顾。
钠离子电池产业化发展的突破口：电池端，重点关注钠电专用电池管理系统的开发，测试数据库的完善和行业标准的制订
电芯设计：包括电池形态（圆柱、方形、软包），正负极主材的选型，和辅材的搭配， 以期优化电池的综合性能。电芯工艺：电芯产线工艺参数的优化（关键是极片段和化成段）和know-how经验的积累。
测试/模拟数据库：处在产业化初期，循环性能、日历寿命等长周期验证数据相对匮乏（以1C倍率循 环为例，算上静置时间，一天8次循环，获取3000次循环数据需1年时间）。
模组/系统集成：钠电池在能量密度的表现逊色于锂电池，需要对模组集成上做出优化。电池管理系统开发：充放电特性、电压模式、热量分布等均有差异，需要针对性地开发 BMS系统。
标准化：包括性能指标，规格和测试方法等，有利于产品推广和成本降低。
钠离子电池，如何设计？
钠离子电池正极材料：层状金属氧化物
层状金属氧化物NaxMO2 由于钠离子的含量的不同存在多种结 构，主要分为O3（x=0.8~1）和P2（x=0.67~0.8）结构。1. O代指，Na+被周边氧离子包围，占据八面体点位，P代指占 据棱柱点位 ，下标3指 ABCABC形式的层状堆积，2指 ABBAAB的堆积形式。 2. O3结构Na+的含量更多，因此容量相对更高，但是Na+的传 输动力学相对P2结构更差，且在脱嵌过程中易使晶体结构发 生不可逆的相变，循环性能下降。 3. 若x<0.5，晶格结构呈三维隧道状，结构稳定，循环性能佳， 但钠离子点位少，能量密度低。< />>
钠离子电池正极材料：层状金属氧化物制备
多离子掺杂+晶相调控：容百科技钠电池正极材料NaiNixFeyMnzM1-x-y-zO2
1. 通过多离子掺杂对晶相进行调控，结构中的TM-O键长发生改变，材料同时具备P2相和O3相，相界之间的复合有效抑制不可逆相变， 结构稳定性提高，循环性能和放电容量更佳。
其他改性方式：层状-隧道复合结构（格林美）
1. 内核包括高锰含量的NaxMnaM1-aO2，提供高能量密度，外壳包括NaxNibMncFedO2，起结构稳定作用，减低活性物质与电解液发生的副 反应，提高循环性能。 2. 生产工艺与锂电池三元材料的生产流程相似，重置成本低。
钠离子电池，如何设计？--正极材料
NASICON型聚阴离子型化合物NaxM2 (XO4 )3，相较层状金属 氧化物，晶体结构呈现拥有较大间隙的三维框架。1. x=1~4; M可以是V, Fe, Ni, Mn, Cr等; X 则是P, S, Si, Se, Mo 等，典型代表为Na4V2 (PO4 )3 ，相较磷酸铁钠电压更高 （V4+/V3+氧化还原对平台电压3.4V）。 2. 聚阴离子多面体中氧原子的强共价键(PO4) 3−，材料晶体结构 稳定，循环性能优于层状氧化物材料，同时，开放的三维通 道也带来更高的离子电导率。
钠离子电池正极材料：聚阴离子型化合物材料制备工艺（共沉淀法）
工艺要点 ：1. 在水系体系下对温度和PH的控制，与钒源转换率，产品的晶粒和表面活性结构的修饰息息相关。 2. 钒源为氧化物钒源或偏钒酸盐，成本较低；钠源为氟化钠、碳酸钠、氢氧化钠等；氟源为氟化钠、氟化铵、氢氟酸等。 3. 原液中Na:V:P:F摩尔比：(3-4):2:(2-2.5):(3-4)。
优化方向： 1. 材料优化：掺杂、包覆；在Na4MnV(PO4 )3颗粒表面均匀包覆碳层，且碳层上掺氮，提高电子/离子传输速率。 2. 工艺优化：固相法；的钠源、磷源、锰源、碳源通过球磨混合，碳层包覆以及氮掺杂均在烧结过程一步成型，简化工艺，降低 成本，有利于大规模生产和工业。
钠离子电池正极材料：普鲁士蓝类(PBAs)正极材料价格便宜，理论比容量高，但是产业化难度相对较大
普鲁士蓝类Na2M[M'(CN)6 ] (M, M' = Fe, Co, Mn, Ni, Cu, Zn etc.),长期用于生产深蓝色颜料，因为成本上具备优势，其在 钠电池正极领域的应用被开发。1. 晶格是具有开放的离子通道和宽敞间隙的三维刚性框架， 利于钠离子快速传输。 2. 含两种不同的氧化还原活性中心：(如Na2Fe[Fe(CN)6 ]的 M2+/3+和Fe2+/3+），理论比容量高（170mAh/g）。 3. 该 晶 格 结 构 存 在 结 晶 水 和 [Fe(CN)6 ] 空 位 , 导 致 Fe−C≡N−Mn骨架破坏，可逆容量，倍率能力和循环稳 定性低于理论值。
钠离子电池，如何设计？--负极材料
钠离子电池负极材料：硬碳体系生产工艺
工艺要点： 1. 微孔结构调节：0.3～0.7nm，更多的锂簇储锂空间，提高材料容量，更快脱嵌钠，提升倍率性能； 2. 材料结构调节：硬炭负极材料为球形，硬炭颗粒球形化减少颗粒间堆积密度，提高负极压实，获得高能量密度。 3. 交联剂的选择：采用有机交联剂避免了无机交联剂（氯化铵和硫酸铵)在高温碳化过程分解并腐蚀碳化设备带来的风险； 此外，适宜的交联剂亦可增大碳链之间的交联反应，调节碳层间孔隙数量，提供更多储钠空间 4. 烧结方式：需要在效率和化学反应质量上做出权衡，提高加热速度、降低保温时间的同时，需要保证内部脱氢充分，淀粉 原料的球形形貌不被破坏等，避免对首效、能量密度和压实密度造成影响。
硬碳的碳化温度小于1500°C，低于石墨化温度，生产成本低；主要设备为球磨机，加热炉，工艺简单，设备重置成本低；采用不同 的前驱体，生产工艺需针对性的进行细节调整，在材料性能、成本和生产难度等方面寻求均衡。
钠离子电池，如何设计？--电池环节
钠离子电池优化：正极补钠
钠离子电池硬碳负极存在首效较低的问题，造成正极活性物质在首次充放电的大量损失，全电池能量密度下降。通过在电池激活前前添 加额外钠离子来补偿活性钠离子损失，以此提高首效，称为补钠技术。 正极补钠剂：作为添加剂与正极活性物质混合制成浆料，涂敷在铝箔制成极片，组成电芯。在电池化成时被氧化，释放钠离子补充首次 充放电过程不可逆的活性钠离子损失。
1. 正极补钠剂典型代表有Na2S、NaN3、Na2NiO2、NaCrO2、Na3C6H5O7、Na2C6O6等。 2. 需把控合适的添加比例，关注正极添加剂分解释放气体或添加剂残留等问题。 3. 中南大学采用NaCxNyHz型补钠材料，掺杂比例9%-17%wt，提高全电池能量密度约20-30%；电池生产工艺方面，可增加degassing设 置、步骤，解决材料反应分解的产气问题。
钠离子电池，产业化提速
钠离子电池政策支持及终端应用需求
工信部及国家发改委出台多份文件，为钠离子电池的产业规范 化发展，行业标准化制订等领域提供了支持与指导意见。
预计2023年，钠离子电池先对二轮车市场进行渗透，并具备替 代低速车的条件；储能领域，则先行对MWh基本的中小型工商 业储能系统和户储进行渗透。
钠离子电池产业化进程
预计2023年形成万吨级规模的钠离子电池正极产能，其中仅容百，钠创，美联新材远期规划近30万吨正极产能，满足近115GWh的电池 装机需求。国内主要负极制造商均已开始布局，目前形成千吨级规模的钠离子电池负极产能。
投资分析
单晶材料无晶界，避免了循环过程晶界开裂、颗粒破碎，内 部排列具各向同性，结构稳定更高；同时也更适配高压体系， 使更多离子脱嵌，进一步提高能量密度。通过特殊微晶结构前驱体，结合多原子掺杂进行修饰，形 成有特殊外壳包裹的核状结构层状金属氧化物，在生产过 程中通过煅烧工艺调节晶相，提高材料循环稳定性。
传统方法制备普鲁士蓝类正极材料粉末，由于颗粒粒径小、比表面积大、以及表面吉布斯自由能大，容易出现团聚问题，通过机械、离 心手段难以形成材料均匀分散的浆料。1. 工艺直接采取普鲁士蓝类化合物的溶液（对固含量进行调控），加入粘接剂、导电剂等辅料形成浆料（固含20％-60％），活性材料分 散均匀，团聚现象得以解决。 2. 省去了沉淀、过滤以及干燥等工序，生产效率大大提升。
解决行业痛点：普鲁士蓝除结晶水；电池集成解决方案。通过干燥脱水获得的普鲁士蓝类正极材料，加入导电改性液 进行表面处理，改性液中的含硼元素，如(BO3 ) 3-、BF3可以 与过渡金属形成配位或取代过渡金属结合的配位水，防止曝 露在空气中重新产生结晶水
钠离子电池模组方案，解决能量问题（AB电池）。整合锂离子电池的高能量密度和钠离子电池的快充和低温 应用，搭配A00/A0车型拥有较大优势。 将两种体系的电池混搭、集成至统一系统，BMS系统的 精准算法和联动调控是关键难点。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
