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文 | 奇偶派，作者 | 葉子，編輯 | 钊
動力電池作爲新能源汽車的動力來源，被稱爲新能源汽車的 " 心髒 "，也是整車中最重要的系統部件之一。
但是，自新能源車開始放量生産，锂電池材料便一直面臨着供需矛盾的問題，導緻锂礦價格長期居高不下，沉重的成本壓力如烏雲般籠罩着整個新能源車産業鏈，車廠、電池廠在抱怨着不賺錢的同時，卻又極力拼搶着爲數不多的锂資源。
而伴随着锂價持續高位、資源緊俏，新一輪鈉電的追逐，也悄悄地揭開了序幕。
實際上，早在 20 世紀 70 年代，鈉離子電池便與锂離子電池同時期萌芽，但由于鈉電負極嵌鈉能力較弱、鈉電池能量密度較低的原因，導緻其研發進度大大落後于了锂電池。
但在 2020 年後，電動車的快速滲透對上遊锂材料價格産生了顯著的拉動作用，也成爲了鈉離子曆史機遇的最大推手：從中長期來看，锂資源供需錯配和锂價高漲仍有維持的可能。更多的資本和企業開始重視或者布局對鈉離子電池産業鏈，以尋求锂之外的另一穩定高效的能源來源。
而在價格優勢之外，理論研究便早已重啓。自 2010 年以來，二次電池的需求快速擴大，鈉電池便重新回到了研究熱點關注範圍，曆經十數年的積累，關鍵技術逐漸完成了突破。
也正是需求拉動與技術推動的結合下，也讓 2023 年成爲了鈉離子電池的量産元年。
本文将分析從鈉電池與锂電池構成材料變化最大的正負極材料的發展狀況進行分析，最終落腳于具體公司，爲讀者呈現鈉電池行業的發展狀況。
鈉電叠代，推動正負極材料發展
鈉離子電池的結構和工作原理基本與锂離子電池相同，也是由正極、負極、隔膜、電解液和集流體組成，正負極之間由隔膜隔開以防止短路，電解液負責充放電的時候離子在正負極之間的傳導，集流體則起到收集和傳輸電子的作用，因此，鈉離子電池也與锂離子電池一樣，同爲 " 搖椅式電池 " 的一種。
而在組成電池最重要的正極、負極、電解液、隔膜、集流體五大部件中，鈉離子電池的隔膜與集流體均可延續使用锂電池的相關部件，電解液也隻是将锂鹽轉爲鈉鹽。主要發生更叠的部件則是占電池成本超四成的正負極材料。
各部件價格占比資料來源：中科海鈉，國泰君安證券研究
其中，鈉電的正極材料量産在即，三大技術路線齊頭并進。
鈉離子電池理想的正極材料應滿足還原電勢高、可逆容量大、循環性能穩定、電子和離子電導率高、結構穩定安全性高、價格低廉等特點。
而正極作爲材料變化最大的組件之一，不像負極硬碳産業化一樣有着較爲明朗的前景，而是有着三條路線的優劣之争。
目前來看，層狀氧化物、普魯士藍和聚陰離子三種應用于鈉離子電池的正極材料都已進入産業化視野，處于批量生産前夕。
其中，層狀氧化物因其優異的物化性能和與锂電正極工藝、設備兼容性高的優點，受到了衆多電池正極玩家的青睐，已經處于産業化前夕，大規模應用在即。
層狀氧化物正極材料結構與锂電三元正極結構類似，分子式爲 NaxMO2（M 代表鎳、钴、鐵、錳等過渡金屬），在鈉離子嵌脫過程中，利用其結構的良好可調節性，通過将不同過渡金屬元素互相摻雜或取代可以制備出不同的二元、三元甚至多元的層狀過渡金屬氧化物。
目前主流層狀氧化物類型爲 O3 和 P2 型，P2 型相較于 O3 倍率性能、循環穩定性更好，比容量相對較低但仍能保持在 100-140 mAh/g，産品整體綜合性能較好。
而在工藝與設備方面，鈉電層狀正極與锂電正極高度兼容。目前鈉離子電池層狀氧化物正極材料的制備工藝主要采用共沉澱 - 高溫固相燒結法，制備工藝與锂離子電池用用三元正極材料的制備工藝類似，能沿用目前锂電正極材料的生産設備，被認爲是當前最适合大規模生産鈉電層狀氧化物正極材料的方法。
資料來源：CNKI，華安證券研究所
在與某位鈉電正極材料專家的交流中，對方表示，從學術角度的觀點來看，鈉電最開始的目标是進軍儲能市場，但随着能量密度的提高，動力電池領域也将有望替代锂電池。
此時再看，與另外兩種技術路線相比，層狀材料的理論克容量更高，有很大的提升空間，也讓層狀材料有望成爲鈉離子電池的主流發展方向。而電池巨頭甯德時代在推出第二代鈉離子電池時，在很大可能上也是考慮到克容量的問題，才将普魯士體系切換至層狀氧化物路線。
在層狀氧化物路線外，聚陰離子類化合物憑借其工作電壓高，循環穩定性好的特點，吸引了衆多新進企業布局。
聚陰離子化合物種類多樣，一般由陽離子和陰離子基團組成，其中陰離子基團是一系列強共價鍵的 ( XO4 ) n-（X 代表硫，磷，矽等元素）單元構成。
在大多數聚陰離子化合物中， ( XO4 ) n- 不僅能保證堿金屬離子在框架結構中的快速傳導，還能保證在金屬氧化還原過程中材料結構的穩定，因此聚陰離子化合物材料往往呈現出比層狀氧化物更高的氧化還原電位和 Na+ 脫嵌過程中最小的結構重排，這使得該類材料具備循環壽命長、熱穩定性強和安全性高等優點。
資料來源：《鈉離子電池正極材料氟磷酸釩鈉研究進展》孫暢等，華安證券研究所
鑒于硫酸鹽聚陰離子材料綜合性能較好，成本可控，國内多家企業積極布局，如多氟多、傳藝科技、衆鈉能源、星空鈉電等均在相關領域有專利布局。
在與專家的交流中，對方也表示，聚陰離子化合物循環壽命長、熱穩定性強、理論工作電壓高，隻要解決了能量密度偏低與原材料成本高的問題，未來随着技術和制備工藝的突破，硫酸鹽聚陰離子材料有望加速實際應用的步伐。
普魯士藍類化合物作爲第三種正極材料，有着原材料成本低且供應充足的優點，但其在制備過程中也存在着部分問題。
普魯士藍類化合物具有開放的三維骨架結構及合适的鈉離子擴散通道，其中普魯士白可以通過 M3+/M2+ 和 Fe3+/Fe2+ 氧化還原電對實現 2 個鈉離子的可逆脫出 / 嵌入，理論比容量達到 170.8mA · h/g，工作電勢較高。
而從原材料成本看，根據甯德時代專利披露的普魯士藍正極材料的制備工藝，可推算出單噸普魯士藍材料需要消耗亞鐵氰化鈉、氯化錳和氯化鈉 0.86 噸、0.36 噸和 8.27 噸，理想情況下原材料成本隻有 1.5 萬元 / 噸，如此低廉的成本，也讓普魯士藍類正極材料擁有了極高的大規模推廣可行性。
但是，普魯士藍類材料在制備過程中反應速率極快，導緻了成型的普魯士藍類材料中一般含有大量的 Fe ( CN ) 64- 空位缺陷，材料的結晶性能和可控性大大降低。
普魯士藍類化合物制備過程中存在缺陷結構（右圖）資料來源：遊濟遠等，《鈉離子電池正極材料研究進展》
此外，普魯士藍類材料的間隙水占據了 Fe ( CN ) 64- 的空位缺陷處，如果通過提高溫度強行去處的方式，可能造成材料的損壞，但如果不去除，則會嚴重影響電解液的穩定性，降低電池使用壽命，甚至引發安全問題。
總的來說，在三種正極路線中，層狀氧化材料研究起步早，且生産線與锂電三元高度重合，布局企業較多，在小動力車及部分對循環性能要求不高的儲能場景中應用潛力較大。而聚陰離子型材料部分路線成本低，循環性能好，儲能場景應用前景較好。普魯士藍類材料尚存一定工藝障礙，有待企業進一步開發。
而鈉電在負極材料的選擇中，與正極材料一般，同樣有着多種路線的選擇，但硬碳負極遙遙領先于其他材料，有望率先完成産業化。
鈉離子電池負極材料包括金屬化合物、碳基材料、合金材料和非金屬單質，其中，金屬化合物、合金材料和非金屬單質均存在體積膨脹的問題，體積膨脹會使得其在充放電過程中出現電極碎裂的風險，進而影響電池壽命。
所以，碳基材料憑借來源廣泛、較強的儲鈉能力等優點而成爲鈉離子電池當前最佳的負極材料。而在碳基材料中，硬碳相比于于石墨負極，軟碳負極的儲鈉能力和倍率性能更具優勢，是當前最适合鈉離子電池的負極材料。
根據目前國内主流的鈉離子電池生産企業披露的信息來看，各公司在布局鈉離子電池負極材料的時候，大部分選擇了硬碳材料，而在其餘的負極材料體系，中科海納選擇了軟碳材料的技術路線，其餘路線由于不确定較高，目前基本沒有企業布局。
資料來源：各公司官網、公告，華安證券研究所
但硬碳材料并非十全十美，在目前技術下，硬碳材料性能仍存在一定的短闆。
當使用硬碳作爲電池負極進行充電時，由于硬碳電極表面的鈍化不夠充分，會使得硬碳表面形成的 SEI 膜發生溶解，進而造成活性鈉離子的嚴重衰減，最終導緻電池的容量與循環數量發生銳減。
同時，硬碳負極存在一緻性和成本匹配的問題。負極材料作爲鈉電池的關鍵材料之一，必須保證其具備較高一緻性。而硬碳材料的結構一緻性主要依賴于前驅體的狀态和碳化工藝，隻有保障前驅體具有高度一緻性，碳化過程中受熱均勻才能得到一緻性高的硬碳材料。但是，由于該工藝複雜程度較高，将極大增加制造成本，推廣難度較大。
因此，如何平衡成本和硬碳的結構一緻性問題，是硬碳材料企業發展必須攻克的難題，也是橫亘在鈉離子電池滲透率快速增加路上的阻礙。
甯德時代vs 中科海鈉，新舊勢力誰将勝出？
技術的推進勢必導緻競争的出現，而在鈉離子電池的落地之戰中，也出現了 " 新舊勢力 " 兩派之争。
由于鈉電池研發與制造端與锂電池有一定協同性，所以锂電公司擁有鈉電賽道的 " 提前入場券 "。同時，材料的革新也爲新勢力廠商帶來彎道超車機會。
所以，現階段以甯德時代爲首的锂電舊勢力與以中科海鈉、浙江鈉創爲首的鈉電新勢力紛紛加快産業布局，在鈉電行業發展初期搶占先機。
其中，甯德時代作爲當之無愧的世界電池第一企業，也是锂電舊勢力的代表，早早便切入了鈉離子賽道。
由于鈉離子電池與锂離子電池在制造工藝方面具有一定的相似性，鈉離子電池可以實現與锂離子電池生産設備、工藝的完美兼容，産線可進行快速切換，也讓甯德時代完成産能的快速布局。
目前，甯德時代已啓動相應的産業化布局，并在近日的機構調研中表示，在 2023 年中，鈉離子電池将形成基本産業鏈，有望出貨接近 1GWh，而在 2024 年中，還将繼續擴大産線，形成規模化量産。
目前，甯德時代主要針對正極材料以及無負極活性材料技術展開研發，其中，正極材料路線對目前主流的三類技術：層狀金屬氧化物、聚陰離子型化合物以及普魯士藍類化合物均有覆蓋。
在鈉離子電池發布會中，甯德時代研究院副院長黃起森博士表示，目前最具有潛在商業化價值的正極材料有普魯士白和層狀氧化物兩類，在甯德時代的推動下，克容量已經達到了 160mAh/g，與現有的锂離子電池正極材料相當。同時，甯德時代還解決了材料在循環過程中容量快速衰減這一世界性的難題，使創新的材料具備了産業化的條件。
資料來源：甯德時代鈉離子電池發布會
而在甯德時代之外，以中科海鈉爲代表的鈉電新勢力，也憑借過硬的技術儲備，加入了新一輪的鈉電争奪戰中。
綜合來看，鈉電新勢力對鈉電池研發布局早，由于研發初期并無配套材料廠商，故新勢力公司們多選擇自研、自産鈉電材料，所以相較锂電産業鏈舊勢力，其産品性能更好、産能釋放節奏更快。
其中，最有代表性的鈉電新勢力企業便是中科海鈉，其最大的特點是以技術起家，是國際最領先的技術開發團隊之一，擁有中國科學院物理研究所陳立泉院士、胡勇勝研究員爲技術帶頭人的研究開發團隊。
也得益于其企業基因，公司擁有多項鈉離子電池核心專利，是國際少有的擁有鈉離子電池核心專利與技術的電池企業之一。
目前，中科海鈉的電池産品主要基于 O3 相多元複合鈉層狀正極材料和軟碳負極材料體系進行開發，公司産品已經在低速電動車、電動船、家庭儲能、電網儲能等領域獲得應用。
中科海鈉鈉離子電池儲能系統
而就在 2 月下旬，中科海鈉也舉行了新産品的發布會，公開亮相多款新型電芯及裝備鈉電的新能源汽車，同時針對下遊不同的應用場景推出一款圓柱電芯和兩款方形電芯，在滿足低成本和安全性的前提下，具備寬溫性、長壽命性、倍率性等優勢，未來有望在乘用車、商用車及儲能等多領域得到廣泛使用。
而就在發布會後不久，江淮汽車便将中科海鈉納入電池供應商。周四，兩家公司在中國江蘇省舉行的一次行業會議上推出了一款由海鈉電池驅動的示範車，擁有約爲 250 公裏的續航裏程，正式走出了鈉電上車 " 第一步 "。
寫在最後
鈉離子電池，作爲一類剛剛闖入大衆視野中不到一年的 " 新興 " 電池，仿佛距離我們的身邊還很遠。
但 3 月 17 日，以 " 鈉領未來 " 爲主題的 "2023 雅迪 • 華宇鈉電發布會 " 在杭州舉行，雅迪科技率先發布了第一款面向大衆的鈉離子電池—— " 極鈉 S9"，如此看來，鈉離子電池離我們又很近。
實際上，我們的感覺确實沒錯，但鈉電池的發展較锂電池來說更加來勢洶洶。其原因便是锂電的電解液體系是非常成熟，而鈉锂同族，有衆多的物化性質幾乎相同，所以鈉電想要達到锂電一樣的程度，可能隻需要幾年而已。
而正是這極短的窗口期，也加劇了企業間的競争。是以甯德時代爲代表的锂電舊勢力能憑借锂電時代的實力先發制人？或是以中科海鈉爲代表的鈉電新勢力能憑借技術優勢彎道超車？王冠未落，鈉電時代誰将稱王尚不可知。
但唯一可以确定的是，伴随着鈉電的發展，電池産業鏈上各家企業必将迎來新一輪的大洗牌，而消費者也終将獲得更加輕便、環保、廉價的産品。
