推動我國鈉離子電池產業化路徑探析

馬 琳，劉晨曦（通信作者），王 敏，李 海

（1 中國電子信息產業發展研究院 北京 100846）

（2 工業和信息化部裝備工業發展中心 北京 100846）

0 引言

當今世界正經歷百年未有之大變局，落實好碳達峰、碳中和重大決策部署，推進經濟高質量低碳轉型發展，是順應百年大變局的新形勢新要求，要實現碳中和目標必須推動低碳能源變革。鋰電儲能已經成為構建清潔能源體系、綠色交通體系的關鍵，作為新一輪能源變革的核心支撐，其重要性已經得到廣泛認同，并成為全球產業競爭的熱點領域。在各國政策的引導下，鋰電池產業快速發展，對鋰資源的需求也呈現快速增長態勢，但同時導致上游原材料價格持續大漲、鋰資源供應瓶頸日趨明顯。截至2021 年底，電池級磷酸鐵鋰價格已經突破10 萬元/噸，較年初漲幅超過170%，價格高漲下鋰資源供應趨緊，目前國內鋰資源進口依存度已經高達90%以上。因此，亟須開發低成本新型電池技術以滿足日益增長的產業及新能源轉型需求。

鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相同、電池構件相似，因此工藝兼容度高、切換成本低，且價格更加便宜、資源更加豐富，地殼中鈉資源儲量豐富且成本低廉，使得鈉離子電池具有大規模應用及快速產業化的巨大潛力[1]。因此，鈉離子電池可作為鋰離子電池在大規模儲能領域的重要補充[2]，有效緩解鋰資源稀缺難題，具有極為重要的經濟價值和戰略意義。目前鈉離子電池已經成為各方研究和關注的重點，正處于從實驗室走向產業化應用的“最后一公里”，我國在鈉離子電池產業相關的布局也處于世界前列，尤其隨著國內動力電池龍頭企業寧德時代入場鈉離子電池，更將會極大促進國內相關材料的研發和產業化進程，對推動我國“雙碳”目標實現意義重大。

1 鈉離子電池的特點

1.1 鈉離子電池簡介

鈉離子電池是指依靠鈉離子在正負電極之間脫嵌實現充放電的搖椅式二次電池。工作原理與鋰離子電池一致，充電時鈉離子由正極脫出，經電解質嵌入負極，放電過程反之[3]。鈉離子電池主要包含正極、負極、電解液、隔膜和集流體等基礎構件，電解液是離子傳輸的載體和界面反應的物質基礎，隔膜可防止正負電極間發生短路，集流體則用以收集和傳輸電子。

正負極材料的選擇直接影響鈉離子電池的性能。理想的正極材料需具備脫嵌電位高、脫嵌容量高、脫嵌高度可逆、電極過程動力學溫和、電子/離子導電率好、與電解液相容性好、穩定性高且成本低等特點，通常采用過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物、普魯士藍類化合物、金屬氟化物和有機聚合物等。同時，合適的負極材料需具備以下特征：儲鈉電位低、儲鈉比容量高、比表面積合適、電子/離子導電率好、鈉離子進行脫嵌時氧化還原電位變化小、穩定性高、成本低廉且綠色環保，主要采用碳基材料、鈦基材料、有機材料和合金類材料等[4]。

1.2 鈉離子電池的優勢

與商業化的鋰離子電池和鉛酸電池相比，鈉離子電池在成本、性能和安全性3 個方面具有顯著優勢，有望在兩輪電動車、低速電動車、5G 基站、電網儲能、新能源電站等場景中實現大規模應用。

1.2.1 成本優勢

鈉資源儲量豐富，地殼豐度（2.75%）是鋰資源（0.006 5%）的400 多倍，且鈉資源在全球分布均勻，而鋰資源有75%集中在美洲，資源分布極度不均。此外，鈉離子電池還能選用價格更低廉的負極材料和電解液，如采用鋁箔代替銅箔作為負極集流體、低鹽濃度電解液代替高鹽濃度電解液。因此，在大規模商業化后，鈉離子電池的材料成本較鋰離子電池可降低30%～40%，價格優勢明顯。

1.2.2 性能優勢

鈉離子電池的電芯單體能量密度在100 Wh/kg 以上，遠高于鉛酸電池，可比肩磷酸鐵鋰電池；快充性能好，鈉離子的斯托克斯直徑更小，同濃度下鈉鹽電解液離子電導率比鋰鹽電解液更高，充電速度更快，常溫下充電到80%僅需15 min；高低溫性能優異，既能忍受太陽暴曬又能經受冰凍環境，工作溫度范圍可達-40 ～80 ℃，尤其在-20 ℃的情況下放電保持率仍在90%以上，遠高于同條件下三元鋰電池不到70%的保持率；循環壽命在1 000 次以上，遠高于鉛酸電池。

1.2.3 安全優勢

鈉離子電池的電化學性能相對穩定，這是由于鈉的活性高，在一定條件下鈉枝晶比鋰離子電池中形成的鋰枝晶更易發生自消融，進而避免電池短路自燃。鈉離子電池在熱失控過程中易鈍化失活，在過充、過放、擠壓、針刺等安全測試中均不起火爆炸，熱穩定性遠超國家強標安全要求。可見，在對電力系統安全穩定運行要求很嚴格的場景中，鈉離子電池更具應用優勢。

2 鈉離子電池產業化現狀及問題

2.1 國內外產業化現狀

現階段，鈉離子電池已從實驗室走向市場應用，雖已取得初步成效，但仍處于產業化初期。全球各個研發和生產企業的鈉離子電池體系各具特色，其中正極材料技術路線分化尤為明顯，主要包含層狀過渡金屬氧化物、普魯士藍類化合物和聚陰離子型化合物3 大體系。例如，法國Naiades 開發的基于氟磷酸釩鈉/硬碳/有機電解液體系的1Ah18650 型電池，能量密度可達90 Wh/kg，循環壽命為4 000 次；我國鈉創新能源公司開發的層狀氧化物/硬碳/有機電解液體系軟包電池能量密度可達120 Wh/kg，循環壽命為1 000 次。

目前，我國在鈉離子電池的材料體系、綜合性能、產業化推進、示范應用、標準制定以及專利布局等多個方面均處于世界領先水平。例如，全球鈉離子電池正極材料的專利申請中，中國的申請數量位列第1，占申請總量的78.7%（統計數據截至2021 年3 月31 日）[5]，是該領域全球專利申請量保持較快增長的主要動力源。

作為中國首家鈉離子電池企業，中科海鈉公司依托中國科學院物理所的優勢科研力量，已率先實現鈉離子電池在電動自行車、低速電動車和儲能電站上的示范應用。2019 年在江蘇溧陽建成并示范運行了全球首座100kWh 鈉離子電池儲能電站，2021 年與華陽新材料合作的全球首套1MWh 鈉離子電池光儲充智能微網系統也在山西太原成功投入運行，標志著我國在鈉離子電池產業化上走在了世界前列。此外，電池龍頭企業寧德時代也搶先布局鈉離子電池，于2021 年7 月29 日正式發布第一代基于普魯士藍類化合物/硬碳體系的鈉離子電池產品，具有高能量密度（160 Wh/kg）、高倍率充電（常溫15 min 充電80%）、良好低溫性能和快充性能等特點，尤其在高寒地區的高功率應用場景中更具性能優勢。同時還宣布下一代鈉離子電池的能量密度將達到200 Wh/kg，進一步加快了鈉離子電池從儲能領域邁向動力領域的步伐，預計到2023 年將形成基本產業鏈，并在全球率先實現鈉離子電池的商業化應用。

2.2 產業化面臨的主要問題

一方面，鈉離子電池的性能還有待提高，關鍵技術尚不成熟。鈉離子電池具有原料儲量豐富、性能優異和安全性好等諸多優勢，但存在理論能量密度低的短板，影響電池續航性能。可見，鈉離子電池這一動力電池市場的“后起之秀”有些“先天不足”，目前大多用于對電池能量密度要求不高的儲能和低速動力領域，性能還有待進一步提高。短期內，鈉離子電池對鋰離子電池現有市場不會產生較大沖擊，但從長遠看，有望成為鋰離子電池的差異化補充，尤其是在固定式儲能領域中應用前景十分廣闊。針對鈉離子電池的一些關鍵技術難題，如最優正負極材料選擇、適配電解液體系開發、負極儲鈉機理和反應調控機制研究、電池循環穩定性提高、鋰鈉混搭電池包結構創新等，還需進一步加大研發投入力度，以盡快實現關鍵核心技術突破。

另一方面，鈉離子電池產業體系尚不完備，成本優勢未顯現。現階段，鈉離子電池產業體系總體處于商業化初期，產業規模較小，雖能夠直接套用鋰離子電池的生產設備和生產工藝，但無法完全照搬，且自身產業鏈配套尚不完備。存在相關行業標準缺失，核心電極材料和電解液規模化供應的渠道不完善，下游應用市場未完全打開，與下游適配的電池材料解決方案也尚未定型等問題，造成不同企業間的產品難以統一和標準化，不利于大規模的市場推廣和成本降低。短期內，由于鈉離子電池產業化程度不高，電池整體應用成本依然較高，材料成本優勢并未充分顯現。未來通過改性鈉離子電池的正負極材料，有望進一步提升其性能，同時達到規模化生產的水平，鈉離子電池的綜合成本還有較大的下降空間。

3 鈉離子電池產業化發展的路徑探析

3.1 路徑一：加強頂層設計和政策引導

（1）高度重視鈉離子電池在未來我國清潔能源轉型過程中可能發揮的重要作用，將鈉離子電池的研究重點與國家新能源、新能源汽車、新一代信息技術等戰略性新興領域發展需求結合，聚焦重點領域、重點產品，從國家層面進行前沿性和戰略性產品、技術方向、專利等的前瞻性布局，保持我國鈉離子電池領域在全球的領先水平[5]。（2）研究制定鈉離子電池技術成熟度路線圖，對重點企業的重點產品和重點技術進行成熟度評價，并從企業經營、銷售等多方面數據綜合評估，科學評判產業化階段和發展前景，并針對不同的發展階段，采取不同的投融資支持方式，盡快實現大規模產業化。（3）針對目前國內鈉離子電池專利申請人以高校和科研院所為主的現實，引導和鼓勵重點企業聯合高校、科研院所在產業關鍵技術和核心環節開展全球性、前瞻性專利布局。

3.2 路徑二：加快突破一批共性關鍵技術

（1）要充分發揮國家動力電池制造業創新中心作用，開展鈉離子電池關鍵技術的前瞻性布局，做好鈉離子電池技術轉移擴散和首次商業化，統籌資源推動產業技術進步，支持新型正極材料等關鍵技術攻關和產業化。（2）圍繞“應用牽引、平臺支撐、重點突破”的發展思路，支持在鈉離子電池領域具有研發優勢的企業、科研機構，緊跟國際技術發展新趨勢，加快突破電解質和電極-電解質界面穩定性、關鍵電極材料和反應調控機制等核心難題，重點突破正極材料電導電率低、非晶態材料機理[6]等問題，開發出成本低、能量密度高、循環性能穩定的正極材料，解決負極材料循環壽命不足、工作電壓不安全等問題。（3）進一步優化電池設計及生產制造工藝，降低非活性物質的用量，著力解決能量密度較低、循環壽命較短等短板。

3.3 路徑三：加大財稅金融協同支持力度

（1）充分利用清潔能源發展專項資金、國家制造業轉型升級基金、先進制造產業投資基金、重點新材料首批次應用保險等專項資金、產業基金、保險等，將鈉離子電池納入其中，加大對鈉離子電池關鍵材料、關鍵技術研發及產業化的推動力度，降低下游用戶使用風險，突破“不敢用、不好用”瓶頸，培育和創造新的電池應用市場。（2）積極落實國家關于激勵創新稅收相關政策，加大對符合標準的鈉離子電池企業實施稅收減免力度，鼓勵企業加大對鈉離子電池加大研發投入，支持企業進行產品研發和技術迭代。（3）充分發揮社會資金的作用，引導和鼓勵社會資本投向鈉離子電池創新型企業以及參與、開展鈉離子電池基礎研究、關鍵技術攻關、科技成果轉移轉化、產業化培育等項目。

3.4 路徑四：推動行業相關標準體系建設

（1）依托國家現有檢測機構，推動建設鈉離子電池質量檢驗檢測平臺，開展鈉離子電池循環壽命、密封性能、安全性能、儲存性能、外觀等檢驗檢測工作，推動鈉離子電池相關標準出臺。（2）研究制定鈉離子電池電性能、循環壽命、安全性、互換性、回收利用等標準體系，推動將先進技術創新成果轉化為標準，規范和引領鈉離子產業高質量發展。（3）盡快研究制定一批國家標準和行業標準，引導企業制定企業標準，完善建立國內鈉離子電池標準規范體系，并從產業布局、生產工藝、節能減排、質量管理、安全生產等方面強化行業規范管理，提升行業準入門檻。（4）鼓勵龍頭企業積極參與鈉離子電池國際標準制定，充分利用國內產業、技術和市場優勢，擴大在國際標準體系中的話語權。

3.5 路徑五：整合優勢資源培育領軍企業

（1）整合全國及世界范圍內鈉離子產業相關優勢資源，鼓勵優先聚焦業內龍頭企業，區域布局上優先聚焦資源、創新及經濟基礎條件較好的京津冀、長三角及粵港澳大灣區，通過完善園區配套、打造公共服務平臺等產業載體，引導產業集聚集群發展。（2）統籌鈉離子電池上下游及產業鏈進行產業合理布局，打造批量生產線示范線，著力解決生產效率和一致性問題，引導產業協調發展。（3）統一整合國內鈉離子電池關鍵材料領域的人才資源、儀器設施資源、研發文獻、科技成果等，充分利用信息化的手段，加強數據融合與知識深度挖掘，實現研發周期和成本雙縮減。（4）鼓勵國有大型企業、行業龍頭企業積極參與鈉離子電池的研發及應用，培育一批掌握核心技術、擁有自主知識產權、具備國際競爭力的領軍企業，培育鈉離子電池專精特新“小巨人”企業，針對產業鏈不同環節、企業成長的不同階段，開展分級分類、精準施策。

3.6 路徑六：深化部分領域應用試點示范

（1）根據我國現有的鈉離子技術成熟度情況及制造規模水平，支持部分性能優異、競爭性強的鈉離子電池產品進入國家或地方鼓勵類電池產業目錄，充分考慮鈉離子電池理論能量密度較低、但成本低、安全性高、寬溫度適應性特點，優先選擇在對能量密度要求不高、成本敏感性較強的儲能、低速交通工具、新能源電站、通信基站以及部分低續航乘用車領域開展示范應用，并不斷擴大其在不同應用場景下的示范推廣。（2）充分發揮國家新材料生產應用示范平臺作用，推動鈉離子電池與下游企業的協同聯動、合作對接，推動下游行業使用鈉離子電池。（3）以市場化手段為主，探索換電、電池租賃、送電上門、電池回收等合理高效的商業模式，盡快推動鈉離子電池的市場化應用。