鈉離子電池前沿技術(shù)研究報告

中國電子系統(tǒng)工程第三建設有限公司中國電子系統(tǒng)工程第三建設有限公司前言前言鋰離子電池已經(jīng)廣泛應用于生活和生產(chǎn)中，從消費電子產(chǎn)品到電動汽車等移動儲能設等半移動或固定儲能裝置，大大改變了人類的生活和工作方式。但是隨著對鋰離子電池供應情況卻變得越來越緊張。作為全球第六大鋰儲量國，我國理應不受鋰資源短缺的世界鋰資源量分布（2021）中國碳酸鋰表觀消費量及進口數(shù)量萬噸總儲量8600萬噸u其他1670萬噸a澳大利亞640萬噸a美國790萬噸u智利960萬噸u玻利維亞2100萬噸50前言鋰、鈉同屬于元素周期表ⅠA族堿金屬元素，在物理和化學性質(zhì)方面有相似之處，理論上都可以作為二次電池的金屬離子載體。鋰的離子半徑更小、標準電勢更高、比容量遠遠高于鈉，因此在二次電池方面得到了更早以及更廣泛的應用。而鈉電池卻因鈉離子質(zhì)量比鋰離子大三倍，電池容量低、循環(huán)壽命短等短板，長期坐冷板凳。直到2010年以后，才陸續(xù)有研究人員把鈉電池這項老技術(shù)撿起來，源端的瓶頸逐漸顯現(xiàn)，成本較高限制了鋰離子電池的大規(guī)模應用。鈉資源儲量非常豐富，地殼豐度為2.64%，是鋰（g/cm3)鋰鈉鈉離子電池介紹上中下游客戶代表性企業(yè)上中下游客戶代表性企業(yè)技術(shù)要求工程要求鈉離子電池介紹鈉離子電池主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似，兩者都被稱為鈉離子電池分類鈉離子電池按照電解液中的電解質(zhì)成分主要可分為水系鈉離子電池、有機鈉離子理鈉離子電池和鋰離子電池性能對比磷酸鐵鋰/石墨體系具有較低的成本、較高的能量密度、較好的安全性以及超長體積能量密度①差優(yōu)優(yōu)鈉2鋰26%26%16%26%18%4%10%正極材料負極材料電解液隔膜集流體其他注：鈉離子電池選用NaCuFeMnO/軟碳體系，鋰離子電池選鈉電行業(yè)介紹鈉電上游產(chǎn)業(yè)：1、天然礦產(chǎn)資源，包括鈷、鎳、錳、磷、鐵、鈉及各種化合物；2、正負極材料、隔膜、電解液、導電劑、粘結(jié)劑、極耳、集流體等構(gòu)成電芯的原材料組成。鈉電中游產(chǎn)業(yè)：為電芯制造和PACK組裝。中游廠商的共性特點是資本實力強、品牌知名度高、技術(shù)工藝成熟且有能力生產(chǎn)各種鈉電池。鈉電下游產(chǎn)業(yè)：指應用環(huán)節(jié)，包括低端的手機、筆記本電腦、數(shù)碼相機、電動工具、礦燈市場，中端的風電和太陽能儲能市場，以及低速電動自行車、電動摩托車、電動代步車、電動輪椅、電動轎車及電動客車市場等。源Altris源源Altris由表可見，目前我國在鈉電行業(yè)還處于材料研究的起步階段。只有少數(shù)下游企業(yè)采用鈉電池。企業(yè)主要產(chǎn)品整理鋁箔鼎盛新材南山鋁業(yè)萬順新材邦普循環(huán)貝特瑞正極材料傳藝科技負極材料寧德時代電解液多氟多隔膜恩捷股份當升科技佰思格鈉創(chuàng)新能源鋁箔鼎盛新材南山鋁業(yè)萬順新材邦普循環(huán)貝特瑞正極材料傳藝科技負極材料寧德時代電解液多氟多隔膜恩捷股份當升科技佰思格鈉創(chuàng)新能源山東章鼓多氟多珈鈉能源?？菩略葱窃床馁|(zhì)孚能科技可樂麗江蘇國泰中材科技鈉創(chuàng)新能源寧德時代岸田化學立方新能源猛獅科技蔚藍鋰芯中科海鈉傳藝科技大禹節(jié)水三豐田派能科技璞鈉能源三菱化學三峽能源山東章鼓松下欣旺達鈉創(chuàng)新能源鵬輝能源山東章鼓眾創(chuàng)能源眾鈉能源賁安能源寧德時代星空鈉電億緯鋰能中自科技層狀金屬體系電池聚陰離子體系電池普魯士藍體系電池貝特瑞NaiadesTiamatAltris國內(nèi)企業(yè)裝機量預測02023-2027年鈉離子電池市場空間預測趨勢圖（單位：GWh）2023年2024年2025年2026年2027年北京當升材料科技股份有限公司，成立于2001年，是一家由大型科研院所的科研人員創(chuàng)業(yè)，從事新能源材料研發(fā)和生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)。當升科技2022年7月20日正式發(fā)布新一代鈉離子電池材料，該材料繼續(xù)沿用與三元材料一致的層狀結(jié)構(gòu)。公司通過特殊微晶結(jié)構(gòu)的均相前驅(qū)體設計、系統(tǒng)優(yōu)化高溫固相結(jié)晶調(diào)控技術(shù)以及多層級多元素協(xié)同修飾，來實現(xiàn)正極材料的完美結(jié)晶。目前公司正極材料比容量能夠做到177.2mAh/g，能夠兼容現(xiàn)有三元正極生產(chǎn)線，預計在2023-2024年實現(xiàn)量貝特瑞新材料集團股份有限公司，成立于2000年8月7日，總部地點位于深圳市光明新區(qū)，2015年12月28日上市，是一家以技術(shù)創(chuàng)新為引領，以技術(shù)領先、產(chǎn)品及產(chǎn)業(yè)鏈布局完善、國際與國內(nèi)主流客戶并重為特色，行業(yè)地位突出的新能源材料研發(fā)與制造商。貝特瑞正極材料產(chǎn)品基于前驅(qū)體+燒結(jié)工藝，二次球形貌、產(chǎn)品理化指標和電化學指標可定制，目前具備中試試驗條件。自2009年起，貝特瑞開始研究布局硬碳、無定形碳等負極材料；目前負極材料可量產(chǎn)，包括硬碳、軟碳。江蘇傳藝科技股份有限公司是一家在深交所A股發(fā)行上市的國家級高新技術(shù)企業(yè)，2007年11月創(chuàng)建，逐步整合為集團股份公司。公司注冊資本10772萬元，現(xiàn)有員工1450人，其中科研人員300人。自2022年開始投資建設鈉離子電池以來，公司在鈉離子電池領域?qū)崿F(xiàn)了快速的產(chǎn)業(yè)化推進，先后于2022年10月、2023年3月實現(xiàn)了中試線的投產(chǎn)和一期4.5GWh產(chǎn)能的投產(chǎn)，在鈉離子電池行業(yè)處于領先梯隊成員之一。公司自布局鈉離子電池領域伊始即確立了產(chǎn)品一體化發(fā)展的戰(zhàn)略路線和目標，即同步發(fā)展電芯、正負極材料和電解液的研發(fā)和制造能力。廣州鵬輝能源科技股份有限公司（深交所創(chuàng)業(yè)板A股，股票代碼300438）,成立于2001年，注冊資本4.2億元，公司規(guī)模:6000人。是國內(nèi)最早從事電池研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的企業(yè)之一，也是國內(nèi)品種最齊全的專業(yè)電池生產(chǎn)企業(yè)之一。產(chǎn)品廣泛應用于數(shù)碼3C領域、新能源汽車領域、電動自行車、電動工具等輕型動力領域、通信基站后備目前鵬輝能源與成都佰思格簽訂投資協(xié)議，投資人民幣1000萬元，布局鈉離子電池材料（硬公司鈉離子電池已完成小批量試產(chǎn)，計劃應用場景為儲能、快充模式電動車、中等續(xù)航電動多氟多新材料股份有限公司（股份代碼002407），總部位于焦作市中站區(qū)，主要從事高性能無機氟化物、鈉離子電池材料等研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。目前六氟磷酸鈉已商業(yè)化量產(chǎn)（國內(nèi)首家），有穩(wěn)定出貨，目前有除電解液外，鈉離子電池的正極材料中試線已經(jīng)建成，小批量產(chǎn)品陸續(xù)下線，小試的鈉離子電池測試進行寧德時代新能源科技股份有限公司，成立于2011年12月16日，是全球領先的動力電池和新能源創(chuàng)新科技企業(yè)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈領域擁有核心技術(shù)優(yōu)勢及前瞻性研發(fā)布局。2018年6月11日2021年7月29日，寧德發(fā)布了第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度能夠達到160Wh/kg。此外鋰電鈉電AB模式方案也備受關注，寧德時代預計第二代鈉電池能量密度將達到200Wh/kg，計劃2023年產(chǎn)業(yè)化，目前已與整車及儲能企業(yè)展開合2023年4月16日，寧德時代董事長曾毓群與奇瑞汽車董事長尹同躍共同宣布，寧德時代將與奇瑞合力打造全新電池聯(lián)合品牌ENER-Q。寧德時孚能科技(贛州)股份有限公司，成立于2009年12月18日，總部位于贛州市章貢區(qū)金嶺西大道，于2020年7月17日上市。孚能科技主要從事新能源車用動力鈉離子電池及整車電池系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)的研發(fā)。近日，孚能科技收到江西江鈴集團新能源汽車有限公司EV3鈉電池定點函，孚能科技將為江鈴集團供應鈉電池包總成，預計2023年第二季度實現(xiàn)量產(chǎn)裝車，這是孚能科技與江鈴集團雙方互利共贏的又一合作成果。與此同時，孚能科技鈉電池產(chǎn)品正在與乘用車、兩輪車、換電、消費儲能等市場的客戶和項目積極對接開發(fā)中，鈉電池送樣也得到大量客戶的良好反饋。浙江青鈉科技有限公司，成立于2022年，注冊資本3000萬元。專注于鈉離子電池研發(fā)生產(chǎn)和銷售，于浙江湖州在建200MWh準量產(chǎn)線及10GWh量產(chǎn)線，公司團隊掌握了行業(yè)里最先可以達到量產(chǎn)化生產(chǎn)交付的鈉離子電池產(chǎn)品，并與關鍵原材料供應商及設備供應商達成戰(zhàn)略合作全面打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，吸引了多家上市公司和行業(yè)巨擘作為創(chuàng)2023年4月8日，浙江青鈉年產(chǎn)40GWh鈉離子大圓柱電池建設項目在長三角（湖州）產(chǎn)業(yè)合作區(qū)開工。該項目中試線也于當天投用，首款0.2GWh鈉離子大圓柱電池中試產(chǎn)品下線。2023年1月，金彭集團還與青鈉科技簽署戰(zhàn)略協(xié)議，共同投入人力及資金資源開發(fā)鈉離子電池模組及PACK系統(tǒng)，匹配電二、電三、低速四輪、微型四輪、高速電動汽車、電動叉車等全系鈉電車型，前期目標采購量北京中科海鈉科技有限責任公司成立于2017年2月，是中科院物理所科技成果轉(zhuǎn)化項目，也是國內(nèi)第一家專注中科海鈉作為聚焦層狀氧化物正極材料的代表公司，在技術(shù)研發(fā)方面進展迅速。中科海鈉在國際上首次發(fā)現(xiàn)Cu2+/Cu3+氧化還原點對在含鈉層狀氧化物中高度可逆?；诖?，公司設計和制備出低成本、環(huán)境友好的Na-Cu-Fe-Mn-M-O層狀氧化物正極材料（銅鐵錳皆為廉價金屬2021年12月，中科海鈉與華陽股份發(fā)起鈉離子電池和正負極材料的生產(chǎn)線建設，提出無煙煤作為前驅(qū)體制備低成本軟碳負極材料，并研制出容量大于400mAh/g兼顧高首江鈴汽車股份有限公司是國家高新技術(shù)企業(yè)、國家創(chuàng)新型試點企業(yè)、國家認定企業(yè)技術(shù)中心、國家知識產(chǎn)權(quán)示范企業(yè)，“國家整車出口基地”。江鈴汽車是集整車及零部件研發(fā)、制造、銷售、服務于一體的中國汽車行業(yè)勁旅，是中國商用車行業(yè)領軍企業(yè)，也是乘用車領域標桿新勢力。1993年11月，公司成功在深圳證券交易所發(fā)行A股，成為江西省第一家上市公司。美國福特汽車公司現(xiàn)近日，孚能科技收到江西江鈴集團新能源汽車有限公司EV3鈉電池定點函，孚能科技將為江鈴集團供應鈉電池包總成，預計2023年第二季度實現(xiàn)量產(chǎn)裝車，這是孚能科技與江鈴集團雙方互利共贏的又一合作成果。奇瑞汽車股份有限公司成立25年以來，始終堅持自主創(chuàng)新，逐步建立起完整的技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)體系，產(chǎn)品出口到全球80多個國家和地區(qū)，打造了艾瑞澤、鈉離子電池的組成電解質(zhì)集流體電解質(zhì)集流體鈉離子電池-正極材料分類鈉離子電池-正極材料分類正極材料和鋰離子電池正極技術(shù)路線基本確定不同，目前鈉離子電池相關的正極材料超100種，技術(shù)路線尚處于演進中，目前，常見的鈉離子電池正極材料主要包括層狀過渡金屬氧化物、普魯士藍類似物、聚陰離子化合物等。01層狀過渡金屬氧化物層狀氧化物NaMO2是正極材料領域的研究熱點,其比容量高且易于加工量產(chǎn)，在合成與電池制造方面與鋰電池有相似之處，單層金屬氧化物結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，摻入多種元素的二元或三元金屬氧化物可以具有較高的可逆容量及較好的循環(huán)壽命，但同時也提升02普魯士藍類似物是由金屬－氰根配位鍵形成的開放性框架結(jié)構(gòu)，具有足夠容納鈉離子的空間，因而很容易進行可逆的離子嵌入/脫出反應，易于合成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。03聚陰離子化合物具有三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，同時也具有工作電壓高和循環(huán)性能好的優(yōu)點，但是比容量較低且導電性偏低，目前主要采用碳材料包覆、氟化、參雜、不同陰離子集團混搭、尺寸納米化及形成多孔結(jié)構(gòu)等方式改善。正極材料-層狀氧化物正極材料-普魯士藍正極材料-聚陰離子化合物存在這些框架之中，穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)賦予了這類材料高熱力學穩(wěn)定性。聚陰離子化脫出過程中，體積變化小、相變少，因此長期循環(huán)性能好，安全性高，此類化合物循環(huán)次以上。但龐大的陰離子集團會使其比容量低且電子導電性較差，為提高其電正極材料-聚陰離子化合物磷酸鹽類正極PH值接近中性，對濕氣不敏感均電位低于2.5V，因此開發(fā)出具有更高電負性硫酸根比磷酸根電負性強、電壓高，且硫酸吸潮分解使得循環(huán)壽命比較差，理論容量相對較鈉離子電池-負極材料分類鈉離子電池-負極材料分類負極材料負極材料是鈉離子電池充放電過程中離子和電子的載體，決定能量儲存與釋放，優(yōu)選碳基材料。由于鈉離子與鋰離子的半徑不同，鈉離子無法在石墨中有效嵌入脫出，如果要應用石墨就必須要擴大石墨層間距，普通石墨材料很難實現(xiàn)。01碳材料無定形碳是目前最為主流的負極材料，其分為硬碳和軟碳。硬碳材料作為最為常見的碳材料之一，具有宏觀非石墨結(jié)構(gòu)，同時微觀結(jié)構(gòu)中又包含有石墨夾層，被認為是目前最接近實用的鈉離子電池負極材料。硬碳儲鈉容量高、嵌鈉電位低，高比容量易合成；軟碳在高溫下可以完全石墨化，導電性能優(yōu)良。02合金材料鈉能夠與第四和第五主族的Si、Ge、Sn、Pb、Sb、P、As和Bi等元素形成合金化合物。合金作為鈉離子電池的負極材料可以提供很高的比容量，但也會伴隨嚴重的體積膨脹，循環(huán)較差。03金屬氧化物材料它們的工作電壓比Na+/Na低，并且展現(xiàn)出較高的比容量，根據(jù)其在充放電過程中儲鈉機理的不同，可分為插層型和轉(zhuǎn)化型為兩大類。插層型TiO2的儲量豐富、分布廣泛，并且具有較高的儲鈉容量。轉(zhuǎn)化型儲鈉容量比插層型要高，但體積和結(jié)構(gòu)變化較大，導致循環(huán)穩(wěn)定性較差。負極材料-硬碳負極材料-軟硬碳對比結(jié)構(gòu)定義易石墨化碳材料，2500℃以上可以石墨化的無定形碳難石墨化碳材料，2500℃以上難以石墨化，一般是500℃-1200℃范圍內(nèi)熱處理得到產(chǎn)品石油焦、針狀焦、碳纖維、碳微球樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑、生物質(zhì)碳放電容量相對較差相對較好首次充放電效率相對較差相對較好電位平穩(wěn)性相對較差相對較好應用一般不直接用作負極材料，是制造人造石墨的原料，或者摻雜、包覆改性天然石墨等商用化負極鈉離子電池-隔膜分類鈉離子電池-隔膜分類隔膜鈉離子電池隔膜用在電極之間，阻隔正負極直接接觸，并且能夠阻擋電子通過，但是能保證鈉離子穿過，因此隔膜在鈉離子電池體系中起著重要的作用。01聚合物膜在鈉離子電池隔膜發(fā)展的初期，主要采用聚合物多孔膜。該隔膜為含有耐熱樹脂的耐熱多孔層和含有熱塑性樹脂的關閉層組成的疊層多孔膜，由此來提高鈉離子電池的耐熱性，可以防止熱02無機材料與聚合物復合多層膜無機復合膜是由一種極細的無機微粒連接而成的多孔性基質(zhì)膜，其具有高親水性能和高表面能，熱力學穩(wěn)定性好，在高溫下膜的收縮小。03纖維隔膜纖維隔膜的拉伸強度、撕裂強度優(yōu)良，具有耐短路性、電解液浸滲性好以及化學穩(wěn)定性較好的特點。通過添加改性劑對聚合物纖維和/或玻璃纖維的無紡布隔膜進行改性，可以提高無紡布隔膜的機械強度、電解液浸潤性能和離子傳導性能，進而提高電池的倍率性能，降低電池微短路引起的自放電。隔膜-介紹鈉離子電池-電解液分類鈉離子電池-電解液分類電解液電解液是傳輸離子的載體，由電解質(zhì)、溶劑和添加劑構(gòu)成，它在平衡和轉(zhuǎn)移電荷方面起到了關鍵作用。電解液的熱力學穩(wěn)定性決定了電池的電化學窗口。酯類電解液碳酸酯是鋰離子電池中最常用的電解液溶劑，目前也被開發(fā)并廣泛應用于鈉離子電池體系，分子動力學模擬和理論計算結(jié)果表明，Na+會自發(fā)與溶劑形成配位結(jié)構(gòu)，并且在七種常用的碳酸酯溶劑中（EC、VC、PC、BC、DMC、EMC、DEC），純EC和EC:PC二元混合物是適用于鈉離子電池的最佳溶劑02醚類電解液醚類電解液具有溶劑共插層效應和Na+的快速遷移等優(yōu)勢，近年來已經(jīng)成為鈉離子電池領域的研究熱點。03離子液體電解液離子液體又稱室溫熔融鹽，通常由一種特殊的有機陽離子和一種無機或有機陰離子組成，在室溫時呈液態(tài)。由于其特殊的理化性質(zhì)和電化學性能，如低蒸氣壓、高沸點、寬電化學窗口和易于設計的優(yōu)點，展現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?。水系電解液水系電解液具有成本低、固有安全性高、生態(tài)友好等優(yōu)點，比其它電解液體系更適用于大規(guī)模的能量存儲。鈉離子電池-集流體分類鈉離子電池-集流體分類集流體集流體是用來連接粉末狀活性物質(zhì)，并將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質(zhì)。在石墨基鋰電池中，因為鋰會與鋁反應產(chǎn)生合金，因此負極必須采用銅箔作為集流體。而在鈉離子電池中，鈉和鋁不會反應產(chǎn)生合金，因此正負極集流體都可以采用鋁箔，成本遠低于鋰電池。鋁箔成本遠低于銅箔！集流體-銅箔鋁箔對比制造制造工藝步驟操作簡單，步驟較少，更易生產(chǎn)操作流程稍顯復雜，生產(chǎn)效益低硬度相對較差相對較好延展性相對較好相對較差抗折強度相對較好相對較差總結(jié)。鈉離子電池材料研究經(jīng)過近年來的快速發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了一批具有電化學活性的關鍵材料，這種情況的出現(xiàn)很大程度上歸功于鈉離子電池與鋰離子電池之間有很多類似之處，這也使得很多鈉離子電極材料的研究可以看作從相應的鋰離子電極材料中直接類比借鑒而來。這種利用“前車之鑒”開展研究的方式對于推進鈉離子電池技術(shù)領域的研究水平提升，加快技術(shù)突破具有較強的助推作用。。目前，鈉離子電池材料研究總體現(xiàn)狀是正極材料研究進展較快，具有相對穩(wěn)定脫嵌能力的正極材料已有幾種，材料類型主要集中在層狀材料，這與早期鋰離子電池正極材料選擇層狀材料的情況相符。。綜合考慮現(xiàn)有研究結(jié)果、材料成本等各方面因素，碳基材料仍然是未來鈉離子電池實用化應該重點關注的研發(fā)對象。而我國作為一個煤炭資源較為豐富且碳