推动我国钠离子电池产业化路径探析

马 琳，刘晨曦（通信作者），王 敏，李 海

（1 中国电子信息产业发展研究院 北京 100846）

（2 工业和信息化部装备工业发展中心 北京 100846）

0 引言

当今世界正经历百年未有之大变局，落实好碳达峰、碳中和重大决策部署，推进经济高质量低碳转型发展，是顺应百年大变局的新形势新要求，要实现碳中和目标必须推动低碳能源变革。锂电储能已经成为构建清洁能源体系、绿色交通体系的关键，作为新一轮能源变革的核心支撑，其重要性已经得到广泛认同，并成为全球产业竞争的热点领域。在各国政策的引导下，锂电池产业快速发展，对锂资源的需求也呈现快速增长态势，但同时导致上游原材料价格持续大涨、锂资源供应瓶颈日趋明显。截至2021 年底，电池级磷酸铁锂价格已经突破10 万元/吨，较年初涨幅超过170%，价格高涨下锂资源供应趋紧，目前国内锂资源进口依存度已经高达90%以上。因此，亟须开发低成本新型电池技术以满足日益增长的产业及新能源转型需求。

钠离子电池与锂离子电池工作原理相同、电池构件相似，因此工艺兼容度高、切换成本低，且价格更加便宜、资源更加丰富，地壳中钠资源储量丰富且成本低廉，使得钠离子电池具有大规模应用及快速产业化的巨大潜力[1]。因此，钠离子电池可作为锂离子电池在大规模储能领域的重要补充[2]，有效缓解锂资源稀缺难题，具有极为重要的经济价值和战略意义。目前钠离子电池已经成为各方研究和关注的重点，正处于从实验室走向产业化应用的“最后一公里”，我国在钠离子电池产业相关的布局也处于世界前列，尤其随着国内动力电池龙头企业宁德时代入场钠离子电池，更将会极大促进国内相关材料的研发和产业化进程，对推动我国“双碳”目标实现意义重大。

1 钠离子电池的特点

1.1 钠离子电池简介

钠离子电池是指依靠钠离子在正负电极之间脱嵌实现充放电的摇椅式二次电池。工作原理与锂离子电池一致，充电时钠离子由正极脱出，经电解质嵌入负极，放电过程反之[3]。钠离子电池主要包含正极、负极、电解液、隔膜和集流体等基础构件，电解液是离子传输的载体和界面反应的物质基础，隔膜可防止正负电极间发生短路，集流体则用以收集和传输电子。

正负极材料的选择直接影响钠离子电池的性能。理想的正极材料需具备脱嵌电位高、脱嵌容量高、脱嵌高度可逆、电极过程动力学温和、电子/离子导电率好、与电解液相容性好、稳定性高且成本低等特点，通常采用过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类化合物、金属氟化物和有机聚合物等。同时，合适的负极材料需具备以下特征：储钠电位低、储钠比容量高、比表面积合适、电子/离子导电率好、钠离子进行脱嵌时氧化还原电位变化小、稳定性高、成本低廉且绿色环保，主要采用碳基材料、钛基材料、有机材料和合金类材料等[4]。

1.2 钠离子电池的优势

与商业化的锂离子电池和铅酸电池相比，钠离子电池在成本、性能和安全性3 个方面具有显著优势，有望在两轮电动车、低速电动车、5G 基站、电网储能、新能源电站等场景中实现大规模应用。

1.2.1 成本优势

钠资源储量丰富，地壳丰度（2.75%）是锂资源（0.006 5%）的400 多倍，且钠资源在全球分布均匀，而锂资源有75%集中在美洲，资源分布极度不均。此外，钠离子电池还能选用价格更低廉的负极材料和电解液，如采用铝箔代替铜箔作为负极集流体、低盐浓度电解液代替高盐浓度电解液。因此，在大规模商业化后，钠离子电池的材料成本较锂离子电池可降低30%～40%，价格优势明显。

1.2.2 性能优势

钠离子电池的电芯单体能量密度在100 Wh/kg 以上，远高于铅酸电池，可比肩磷酸铁锂电池；快充性能好，钠离子的斯托克斯直径更小，同浓度下钠盐电解液离子电导率比锂盐电解液更高，充电速度更快，常温下充电到80%仅需15 min；高低温性能优异，既能忍受太阳暴晒又能经受冰冻环境，工作温度范围可达-40 ～80 ℃，尤其在-20 ℃的情况下放电保持率仍在90%以上，远高于同条件下三元锂电池不到70%的保持率；循环寿命在1 000 次以上，远高于铅酸电池。

1.2.3 安全优势

钠离子电池的电化学性能相对稳定，这是由于钠的活性高，在一定条件下钠枝晶比锂离子电池中形成的锂枝晶更易发生自消融，进而避免电池短路自燃。钠离子电池在热失控过程中易钝化失活，在过充、过放、挤压、针刺等安全测试中均不起火爆炸，热稳定性远超国家强标安全要求。可见，在对电力系统安全稳定运行要求很严格的场景中，钠离子电池更具应用优势。

2 钠离子电池产业化现状及问题

2.1 国内外产业化现状

现阶段，钠离子电池已从实验室走向市场应用，虽已取得初步成效，但仍处于产业化初期。全球各个研发和生产企业的钠离子电池体系各具特色，其中正极材料技术路线分化尤为明显，主要包含层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物3 大体系。例如，法国Naiades 开发的基于氟磷酸钒钠/硬碳/有机电解液体系的1Ah18650 型电池，能量密度可达90 Wh/kg，循环寿命为4 000 次；我国钠创新能源公司开发的层状氧化物/硬碳/有机电解液体系软包电池能量密度可达120 Wh/kg，循环寿命为1 000 次。

目前，我国在钠离子电池的材料体系、综合性能、产业化推进、示范应用、标准制定以及专利布局等多个方面均处于世界领先水平。例如，全球钠离子电池正极材料的专利申请中，中国的申请数量位列第1，占申请总量的78.7%（统计数据截至2021 年3 月31 日）[5]，是该领域全球专利申请量保持较快增长的主要动力源。

作为中国首家钠离子电池企业，中科海钠公司依托中国科学院物理所的优势科研力量，已率先实现钠离子电池在电动自行车、低速电动车和储能电站上的示范应用。2019 年在江苏溧阳建成并示范运行了全球首座100kWh 钠离子电池储能电站，2021 年与华阳新材料合作的全球首套1MWh 钠离子电池光储充智能微网系统也在山西太原成功投入运行，标志着我国在钠离子电池产业化上走在了世界前列。此外，电池龙头企业宁德时代也抢先布局钠离子电池，于2021 年7 月29 日正式发布第一代基于普鲁士蓝类化合物/硬碳体系的钠离子电池产品，具有高能量密度（160 Wh/kg）、高倍率充电（常温15 min 充电80%）、良好低温性能和快充性能等特点，尤其在高寒地区的高功率应用场景中更具性能优势。同时还宣布下一代钠离子电池的能量密度将达到200 Wh/kg，进一步加快了钠离子电池从储能领域迈向动力领域的步伐，预计到2023 年将形成基本产业链，并在全球率先实现钠离子电池的商业化应用。

2.2 产业化面临的主要问题

一方面，钠离子电池的性能还有待提高，关键技术尚不成熟。钠离子电池具有原料储量丰富、性能优异和安全性好等诸多优势，但存在理论能量密度低的短板，影响电池续航性能。可见，钠离子电池这一动力电池市场的“后起之秀”有些“先天不足”，目前大多用于对电池能量密度要求不高的储能和低速动力领域，性能还有待进一步提高。短期内，钠离子电池对锂离子电池现有市场不会产生较大冲击，但从长远看，有望成为锂离子电池的差异化补充，尤其是在固定式储能领域中应用前景十分广阔。针对钠离子电池的一些关键技术难题，如最优正负极材料选择、适配电解液体系开发、负极储钠机理和反应调控机制研究、电池循环稳定性提高、锂钠混搭电池包结构创新等，还需进一步加大研发投入力度，以尽快实现关键核心技术突破。

另一方面，钠离子电池产业体系尚不完备，成本优势未显现。现阶段，钠离子电池产业体系总体处于商业化初期，产业规模较小，虽能够直接套用锂离子电池的生产设备和生产工艺，但无法完全照搬，且自身产业链配套尚不完备。存在相关行业标准缺失，核心电极材料和电解液规模化供应的渠道不完善，下游应用市场未完全打开，与下游适配的电池材料解决方案也尚未定型等问题，造成不同企业间的产品难以统一和标准化，不利于大规模的市场推广和成本降低。短期内，由于钠离子电池产业化程度不高，电池整体应用成本依然较高，材料成本优势并未充分显现。未来通过改性钠离子电池的正负极材料，有望进一步提升其性能，同时达到规模化生产的水平，钠离子电池的综合成本还有较大的下降空间。

3 钠离子电池产业化发展的路径探析

3.1 路径一：加强顶层设计和政策引导

（1）高度重视钠离子电池在未来我国清洁能源转型过程中可能发挥的重要作用，将钠离子电池的研究重点与国家新能源、新能源汽车、新一代信息技术等战略性新兴领域发展需求结合，聚焦重点领域、重点产品，从国家层面进行前沿性和战略性产品、技术方向、专利等的前瞻性布局，保持我国钠离子电池领域在全球的领先水平[5]。（2）研究制定钠离子电池技术成熟度路线图，对重点企业的重点产品和重点技术进行成熟度评价，并从企业经营、销售等多方面数据综合评估，科学评判产业化阶段和发展前景，并针对不同的发展阶段，采取不同的投融资支持方式，尽快实现大规模产业化。（3）针对目前国内钠离子电池专利申请人以高校和科研院所为主的现实，引导和鼓励重点企业联合高校、科研院所在产业关键技术和核心环节开展全球性、前瞻性专利布局。

3.2 路径二：加快突破一批共性关键技术

（1）要充分发挥国家动力电池制造业创新中心作用，开展钠离子电池关键技术的前瞻性布局，做好钠离子电池技术转移扩散和首次商业化，统筹资源推动产业技术进步，支持新型正极材料等关键技术攻关和产业化。（2）围绕“应用牵引、平台支撑、重点突破”的发展思路，支持在钠离子电池领域具有研发优势的企业、科研机构，紧跟国际技术发展新趋势，加快突破电解质和电极-电解质界面稳定性、关键电极材料和反应调控机制等核心难题，重点突破正极材料电导电率低、非晶态材料机理[6]等问题，开发出成本低、能量密度高、循环性能稳定的正极材料，解决负极材料循环寿命不足、工作电压不安全等问题。（3）进一步优化电池设计及生产制造工艺，降低非活性物质的用量，着力解决能量密度较低、循环寿命较短等短板。

3.3 路径三：加大财税金融协同支持力度

（1）充分利用清洁能源发展专项资金、国家制造业转型升级基金、先进制造产业投资基金、重点新材料首批次应用保险等专项资金、产业基金、保险等，将钠离子电池纳入其中，加大对钠离子电池关键材料、关键技术研发及产业化的推动力度，降低下游用户使用风险，突破“不敢用、不好用”瓶颈，培育和创造新的电池应用市场。（2）积极落实国家关于激励创新税收相关政策，加大对符合标准的钠离子电池企业实施税收减免力度，鼓励企业加大对钠离子电池加大研发投入，支持企业进行产品研发和技术迭代。（3）充分发挥社会资金的作用，引导和鼓励社会资本投向钠离子电池创新型企业以及参与、开展钠离子电池基础研究、关键技术攻关、科技成果转移转化、产业化培育等项目。

3.4 路径四：推动行业相关标准体系建设

（1）依托国家现有检测机构，推动建设钠离子电池质量检验检测平台，开展钠离子电池循环寿命、密封性能、安全性能、储存性能、外观等检验检测工作，推动钠离子电池相关标准出台。（2）研究制定钠离子电池电性能、循环寿命、安全性、互换性、回收利用等标准体系，推动将先进技术创新成果转化为标准，规范和引领钠离子产业高质量发展。（3）尽快研究制定一批国家标准和行业标准，引导企业制定企业标准，完善建立国内钠离子电池标准规范体系，并从产业布局、生产工艺、节能减排、质量管理、安全生产等方面强化行业规范管理，提升行业准入门槛。（4）鼓励龙头企业积极参与钠离子电池国际标准制定，充分利用国内产业、技术和市场优势，扩大在国际标准体系中的话语权。

3.5 路径五：整合优势资源培育领军企业

（1）整合全国及世界范围内钠离子产业相关优势资源，鼓励优先聚焦业内龙头企业，区域布局上优先聚焦资源、创新及经济基础条件较好的京津冀、长三角及粤港澳大湾区，通过完善园区配套、打造公共服务平台等产业载体，引导产业集聚集群发展。（2）统筹钠离子电池上下游及产业链进行产业合理布局，打造批量生产线示范线，着力解决生产效率和一致性问题，引导产业协调发展。（3）统一整合国内钠离子电池关键材料领域的人才资源、仪器设施资源、研发文献、科技成果等，充分利用信息化的手段，加强数据融合与知识深度挖掘，实现研发周期和成本双缩减。（4）鼓励国有大型企业、行业龙头企业积极参与钠离子电池的研发及应用，培育一批掌握核心技术、拥有自主知识产权、具备国际竞争力的领军企业，培育钠离子电池专精特新“小巨人”企业，针对产业链不同环节、企业成长的不同阶段，开展分级分类、精准施策。

3.6 路径六：深化部分领域应用试点示范

（1）根据我国现有的钠离子技术成熟度情况及制造规模水平，支持部分性能优异、竞争性强的钠离子电池产品进入国家或地方鼓励类电池产业目录，充分考虑钠离子电池理论能量密度较低、但成本低、安全性高、宽温度适应性特点，优先选择在对能量密度要求不高、成本敏感性较强的储能、低速交通工具、新能源电站、通信基站以及部分低续航乘用车领域开展示范应用，并不断扩大其在不同应用场景下的示范推广。（2）充分发挥国家新材料生产应用示范平台作用，推动钠离子电池与下游企业的协同联动、合作对接，推动下游行业使用钠离子电池。（3）以市场化手段为主，探索换电、电池租赁、送电上门、电池回收等合理高效的商业模式，尽快推动钠离子电池的市场化应用。