在众多新型电池路线中，钠离子电池与锂离子电池技术最为接近，2010 年以来其研究受到广泛关注。钠离子电池相比锂离子电池有资源优势明显、倍率性能更好、高低温性能较好、安全性更好等优势，且理论材料成本较锂离子电池低 30%-40%。从需求侧看，全球新能源产业如火如荼，对锂矿的需求量快速提升，有“白色石油”之称的锂矿对各国能源系统稳定至关重要。而从供给侧看，全球锂供给却呈现高度集中的特点：澳大利亚的 Talison Lithium 和 Galaxy resources 公司控制了全球约 70％的矿石锂供给。而 SQM、Rockwood 以及 FMC 三家公司则控制了全球约 92％的盐湖锂供应。中国的锂矿石蕴藏量占全球已知蕴藏总量第六位，但受限于矿产形态、分布位置、运输条件等因素，自主开采量并不高，中国国内约 80% 的锂需要进口，在材料端依旧存在“卡脖子”的风险。在各国日益重视本国能源安全的大环境下，钠离子作为锂离子电池的重要补充，未来将在储能、小动力车、两轮车市场有较好的应用前景，预计至 2025 年，钠离子电池市场空间将达 100GWh。01钠离子电池基础信息1.1 钠离子电池的发电原理钠电池和锂电池均是摇椅式二次电池，是一种依靠离子在正负电极之间往返嵌入和脱出的二次电池，其中正极和负极材料均允许钠离子可逆地插入和脱出。在充电过程中，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，使正负极发生氧化还原反应，保证正负极电荷平衡；放电时则相反。
钠离子电池理论能量密度上限低于三元锂电池，但与磷酸铁锂电池有一定重合。目前可实现能量密度为 70-200Wh/kg，约为锂离子电池的一半。数据对比，锂离子电池能量密度大约为 150-350Wh/kg：其中磷酸铁锂电池约 150-210Wh/kg，而三元锂电池能量密度较高，约为 200-350Wh/kg。
1.2.2 循环次数较高
钠离子电池循环次数与能量密度存在负相关关系，低能量密度下一般出现高循环次数，高能量密度下对应低循环次数。
1.2.3 高低温环境下放电表现更佳
钠离子电池在高低温环境里表现更优异。锂离子电池在寒冷的环境下容易活性降低，比容量大幅度下降。而钠离子电池在在 -20℃低温下可以放出 90% 的容量，在 -40 ℃低温下可以放出 70% 的容量，在高温 80 ℃时仍然可以正常循环充放电使用。
1.2.4 热失控风险低
钠离子电池的安全性能较高，可以有效降低存储和运输成本。钠离子电池在过充、过放、短路、针刺等测试中不起火、不爆炸。而锂离子电池热失控温度更高，在高温环境下容易因为钝化、氧化而不自燃。而且钠盐电解质的电化学窗口较大，电解质在参与反应的过程中分解的可能性更低，电池系统的稳定性更高。钠离子电池的稳定性对存储和运输的要求较低，可以有效降低成本。
不同电池性能对比（来源：《钠离子电池：从基础研究到工程化探索》）
02
钠离子电池技术进展
2.1 正极材料钠离子比锂离子半径大，导致其很难从层状正负极材料嵌入及脱出，因此钠离子正极材料在能量密度上有所欠缺，同时为了使钠离子更容易嵌入 / 脱出，相对应的正极材料选择也和锂离子电池有所差别，目前有 3 条主流的技术路线：层状氧化物类、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化物。2.1.1 层状氧化物层状氧化物能量密度高、循环性能优异、倍率性能好，但材料在空气中稳定性差、浆料容易果冻、克容量发挥不稳定。
从工艺上看，层状氧化物工艺与锂电三元工艺基本相似，分为固相法和液相法。固相法需要较高烧结温度，相比液相法没有前驱体的制备需求，但是材料均一性控制较难；液相法产出材料表面光滑、粒径分布均一、 震实密度高，但工艺更复杂成本较高。
目前主流工艺为固相烧结法，如振华新材采取二次烧结工艺和单晶化技术，有效改善钠离子电池的能量密度低、循环性能差的问题。
目前采用层状氧化物路线的钠离子公司包括中科海钠、立方新能源、钠创新能源等，相关公司产业化进度汇总如下：
2.1.2 普鲁士蓝 / 白
普鲁士蓝 / 白的优点是成本低、合成简单、可设计性强、理论克容量和倍率性能高，但缺点在于除水困难、循环寿命低、实际倍率性能差、体积能量密度低、电压极化大、有热失控风险。
从工艺上看，普鲁士蓝 / 白常见的制备方法有简单沉淀法、热分解法、水热法、单一铁源法、蓝晒法等。简单沉淀法相比于其他方法具有工艺简单、成本低廉、适用性广、可大量生产等优点。
工艺难点在于制备中结晶水的控制，合成中需要可能避免引入结晶水，同时又需避免暴力脱水导致普鲁士蓝 / 白类似物结构塌陷，目前没有简单经济方式将结晶水较好的去除，因此其在钠离子电池中实际性能大打折扣。
采用该技术路径的电池公司有代表公司有宁德时代、Natron Energy 等，其投产进度如下：
2.1.3 聚阴离子化合物
聚阴离子路线的优点在于循环寿命高、理论工作电压高、热稳定性好，但改路线下钠离子材料能量密度低、原材料成本高。更具体来看，磷酸钒钠体系在聚阴离子化合物中性能最为优异，已小批量量产。
聚阴离子化合物合成方法包括有机酸溶解法、二次利用法等，同时均需要使用碳包覆等改性手段提升导电性。目前工艺以有机酸法为主流，有机酸溶解法得到的混合溶液离子分布均匀，前驱体颗粒较小，干燥后的前驱体颗粒较小，无需进行破碎处理，可直接高温煅烧制得相应的电极材料，热处理环节包括两步，对不同环节温度的精准把控是制备工艺的关键，直接影响正极材料成品的性能。
采用该技术路径的电池公司有代表公司：Tiamat、鹏辉能源等，具体产业化进度如下：
来源：北拓资本
钠离子电池正极材料总结（来源：北拓资本）2.2 负极材料
由于钠离子半径大于锂离子，因此无法在石墨层间嵌入/脱嵌，因此其负极使用无序度大的无定型碳，可分为硬碳和软碳两类（在2800℃以上可以石墨化的碳材料称为软碳，反之称为硬碳）。由于软碳的克容量低于硬碳，目前行业内钠离子电池负极主要使用硬碳。2.2.1 硬碳硬碳往往具有较大的层间距（通常大于 0.37nm)，较多的纳米孔洞以及较多的缺陷位点，因而可以储存较多的钠离子，具有较高的比容量（320-350mAh/g）。但劣势在于：前驱体一般为生物质或其衍生物，炭化后产碳率偏低，经济性略差。从工艺上看，硬碳合成工艺路线较长，构效关系复杂，流程分为预处理、交联固化、中温碳化、深度纯化、表面改性、高温碳化六步，其中关键难点在于交联固化+中温碳化、深度纯化（脱胶、脱脂）、及表面改性（包覆、掺杂），具备较高的Know-How壁垒。硬碳最终的空心率、孔径一致性决定硬碳的容量，其很大比例取决于前驱体本身性质，因此需要严格的原料管控。硬碳前驱体一般采用生物质基（植物基），但也可以采用沥青、煤炭、酚醛树脂作为前驱体，需要进行交联固化，但其容量较差。硬碳目前产业化瓶颈在于无法找到廉价、适合大规模量产的前驱体原材料，国外高端产品价格约20万元/吨，国产产品价格在8万元/吨左右。公开信息显示，目前可乐丽、贝特瑞、佰思格可分别实现320mAh/g、350mAh/g、350mAh/g的克容量。
成本对比：成熟后的钠电成本将显著低于锂电和铅酸
根据中科海纳官网披露的数据，如果钠离子电池选用NaCuFeMnO/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体系，钠离子电池材料成本可降低 30-40%。
层状氧化物体系钠离子电池成本测算 - 成熟期（来源：北拓资本）04
产业化落地情况4.1 钠离子电池产业化优势我国钠元素储量丰富，开采成本低。钠资源地壳丰度为2.64%，且分布广泛，开采难度低，成本低。同时，由于铝制集流体易与锂而不与钠发生化学反应，因此锂离子电池的负极使用的是高价的铜箔，而钠离子电池可以在正负极都可以使用更低价的铝箔。
从设备上看，钠离子电池的设备可以采用锂离子电池的生产设备。锂离子电池的生产设备主要分为针对电极制片工序的前端设备、覆盖电芯装配工序的中端设备和覆盖电芯激活化成、分容检测以及组装成电池组等工艺的后端设备。钠离子电池的制造工艺和设备与锂电池兼容，只需要对设备进行升级即可用于钠电池生产，需要投入的设备成本较低。4.2 当前产业化瓶颈钠电池大部分非活性物质（集流体、粘结剂、导电剂、隔膜、外壳）可借鉴锂电池成熟的产业链，但核心的正负极材料和电解液等活性材料的规模化供应渠道依然缺失，其来源稳定性无法保证，进而影响生产工艺过程和产品质量的稳定性。其次钠电池的工作电压上下限与锂电池不同，并且具备较强的过放电忍耐能力，现有 BMS 系统无法满足钠电池使用要求，需要重新设计开发。05海内外公司产业落地情况5.1 钠英国 Faradion：全球第一家专注钠离子电池产业化的企业
成立于2011年的英国Faradion是全球第一家专注钠离子电池产业化的企业。公司2015年制作了全球第一个钠离子电池，当时开发的能量密度大约90Wh/KG。2021年的钠离子电池产品的能量密度已经做到了150Wh/KG，循环次数做到了2000-4000次。公司对钠电池的研究主要看重成本和能量密度，拥有 21 项钠电池开发专利。其研发的原型电池能量密度约为 140Wh/kg，在 80% 放电深度下循环寿命约为 1000 次；设计的 10Ah 软包电池的能量密度为 155Wh/kg。公司积极与同行业公司开展合作，2021 年公司与 Phillips 66 (NYSE: PSX) 启动技术合作，开发低成本和高性能负极材料的钠离子电池，同年与电池制造商 AMTE Power 合作，可以利用 AMTE Power 现有的电池制造设施。5.2 美国 Natron Energy：高循环次数钠电池的领先者
成立于2012年的美国Natron Energy于2022年宣布开始在密歇根州的 Clarios 国际工厂大规模生产钠离子电池，并计划于2023年上市。该公司研发的钠电池能量密度较低，约为50Wh/L，但是循环次数较高，大约为50,000次，快充性能优秀，在八分钟内可以快速充电到99%，因而主要应用于工业电力和储能。5.3 日本 ASAHI CARBON：起家于碳黑产品，涉足钠电池负极材料
成立于 1951 年的日本 ASAHI CARBON 主要营业范围为碳黑产品的开发、生产与销售。公司目前加速推动钠离子电池负极材料的研发，将碳黑与氧化铝复合，并使用结合力高的聚酰亚胺做为黏合剂，成功制造出具有高稳定性、高可逆容量的负极材料，其可逆容量达到 357mAh/g。5.4 国内公司目前在产品上有突破的公司包括宁德时代、中科海钠、鹏辉能源、浙江钠创、湖南立方、贲安能源、星空钠电、山东章鼓、江苏众钠。宁德时代在 2021 年 7 月 29 日以线上发布会的形式发布了第一代钠离子电池，该电池能量密度达到了 160Wh/kg，在系统集成效率方面，也可以达到 80% 以上。同时宁德时代表示下一代钠离子电池能量密度将突破 200Wh/kg，公司计划于 2023 年形成基本产业链。
国内部分公司工艺路线一览（来源：北拓资本）