一、鈉離子電池及其與鋰離子電池的比較
鈉離子電池誕生于上世紀80年代，隨著Sony公司在1991年成功將鋰離子電池推向市場，鈉離子電池的研發及商業化進程變得相對緩慢。近年來，隨著電動汽車、智能電網的迅速發展，以及間歇性可再生能源（如太陽能、風能等）在能源結構中的占比日益提高，大規模儲能需求愈加迫切。與鋰離子電池相比，鈉離子電池雖在能量密度、循環次數等方面處于劣勢，但在倍率性能、快充性能、高低溫性能、安全性等方面相對鋰離子電池具有明顯優勢，尤其是鈉元素相對鋰元素儲量非常豐富且全球分布均勻，規模量產后鈉離子電池成本有望較鋰離子電池大幅下降。因此，鈉離子電池被認為是下一代大規模儲能技術的一個理想選擇，并有望在電動自行車、低速電動車等領域實現對磷酸鐵鋰電池及鉛酸電池的替代。
表1：二次電池性能對比
資料來源：公開資料整理
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理類似，也是一種“搖椅式”電池。鈉離子電池作為充電電池的一種，主要由正負極、電解液、隔膜、集流體等組成。其工作原理是利用鈉離子在正負極之間的可逆脫嵌實現充放電，與鋰離子電池類似。
圖1：鈉離子電池工作原理
資料來源：中科海鈉官網
截止2020年，全球從事鈉離子電池工程化的公司超過20家，包括英國Faradion、法國Naiades、日本岸田化學、松下、豐田、美國NatronEnergy等。我國鈉離子電池生產企業以中科海鈉、寧德時代、鈉創新能源、星空鈉電等為代表。中科海鈉成立于2017年，是我國首家鈉離子電池公司，依托中國科學院物理研究所的技術，目前在技術開發和產品生產上都初具規模；寧德時代于2021年7月29日發布了第一代鈉離子電池，其能量密度略低于磷酸鐵鋰電池，電芯單體能量密度可達160Wh/kg，是目前全球最高水平，在常溫下充電15分鐘，電量可達80%，零下20℃低溫環境下仍然有90%以上的放電保持率。
圖2：寧德時代鈉離子電池性能概況
資料來源：寧德時代官網
二、鈉離子電池主要材料及成本構成
相比鋰離子電池，鈉離子電池材料使用有差異。鈉元素雖與鋰元素屬同族元素，但鈉離子相比鋰離子大且重，導致其遷移動力學緩慢，且儲鈉過程容易造成電極材料產生較大的體積變化，甚至誘導不可逆結構相變，影響電池的循環穩定性。再者，鈉的電位相比鋰更高，會降低電池的工作電壓和能量密度。以上因素導致鈉離子電池的電極材料、電解質、隔膜、集流體的選擇與鋰離子電池有所不同。
表2：鈉元素及鋰元素對比
資料來源：百度百科、中科海鈉官網
目前鈉離子電池的正極材料技術路線尚處于演進之中，相關正極材料超100種。根據成分不同，主流鈉離子電池正極材料可分為層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類化合物體系，其中過渡金屬氧化物根據微觀結構又可分為層狀金屬氧化物和隧道型過渡金屬氧化物，因隧道型氧化物初始鈉離子含量低，市場關注較少。目前鈉離子電池三類正極材料各有優劣，預計未來三大正極材料的競爭將持續。
鈉離子電池的電解液和隔膜基本沿用鋰離子電池體系，但其電解質選擇范圍更廣泛，常見的有NaPF6、NaFSI、NaClO4和NaSO3CF3等，溶劑主要有酯類和醚類兩種。集流體方面，由于鋰離子電池主要以石墨作為負極，鋁箔作為負極集流體在低電位下易與鋰形成合金，因此需使用銅集流體，而鈉離子電池正負極均可使用價格較低的鋁箔作為集流體。
表3：鈉離子電池與鋰離子電池材料體系對比
資料來源：CNKI
圖3：鈉離子電池的材料成本優勢明顯
資料來源：中科海鈉官網
三、鈉離子電池的負極材料對比
負極材料方面，由于鈉的半徑較大，不能在石墨層中可逆的脫嵌，因此不能選擇鋰離子電池的石墨材料作為負極材料。常見的鈉離子電池負極材料包括碳質材料、合金化反應材料和金屬氧化物/硫化物等。其中，雖然合金化反應材料和金屬氧化物/硫化物理論比容量較高，但充放電過程會伴隨較大的體積膨脹進而影響電池電化學性能，而以硬碳為代表的碳質材料具備嵌入鈉離子能力強、體積變形小、擴散通道好、化學穩定性好等特點，商業化前景最被看好。
表4：鈉離子電池的負極材料性能比較
資料來源：公開資料整理
碳質材料主要分為軟碳和硬碳。其中軟碳又稱為易石墨化碳材料，是指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定型碳，常見的軟碳有石油焦、針狀焦、碳纖維和碳微球等。硬碳又稱為難石墨化碳材料，其在2500℃以上的高溫條件下也難以石墨化，一般是在500℃-1200℃溫度范圍內熱處理得來，常見的硬碳有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑及生物質碳等。硬碳作為鈉離子負極材料在比容量、首次充放電效率、電位平穩性等方面均優于軟碳，其比容量可達到350mAh/g以上。因此，硬碳更適合作為鈉離子電池負極材料，軟碳則主要用作人造石墨原料，或者作為摻雜、包覆材料改性天然石墨、合金等負極材料。目前主流鈉離子電池生產商也主要是采用硬碳作為負極材料。
表5：主要鈉離子電池公司產業化路線情況
資料來源：賽迪顧問、CNKI、各公司官網
四、總結及投資建議
現階段，鈉離子電池或已處于大規模產業化的前夜。中科海鈉預計2022年將形成鈉離子電池及鈉離子電池儲能系統銷售；寧德時代目標2023年形成鈉離子電池基本產業鏈。因此，從投資時點看，未來兩到三年或將是鈉離子電池負極材料投資的黃金窗口期。
另一方面，雖然鈉離子電池大規模產業化尚未真正到來，但相關公司均已展開布局。中科海鈉和華陽股份（600348.SH）合資成立鈉離子電池2000噸正極、2000噸負極材料生產基地（約0.8GWh容量），于2021年年底投產，并計劃2023年擴產至10GWh產能；杉杉股份（600884.SH）、翔豐華（300890.SZ）、璞泰來（603659.SH）、貝特瑞（中國寶安（000009.SZ）子公司）等原有鋰離子電池負極材料生產商也公布了鈉離子電池負極材料的研發和生產計劃；鵬輝能源（300438.SZ）等上市公司也通過參股公司進入鈉離子電池負極材料行業。由于碳質負極材料相對于鋰離子電池石墨負極材料合成更為簡單、制造工藝要求更低且原料豐富，同時考慮到鋰離子電池產業鏈相關公司的既有技術積累及渠道優勢，預計鈉離子電池負極材料將很大程度延續現有鋰離子電池負極材料的競爭格局，同時華陽股份、成都佰思格等公司也有望在供應鏈變革中占據一席之地。
圖4：成都佰思格生產的鈉離子電池硬碳材料
資料來源：佰思格公司官網
圖5：中科海鈉生產的鈉離子電池負極材料
資料來源：中科海鈉官網
表6：主要鈉離子電池負極材料供應商的研發及生產規劃
資料來源：公司公告、公司官網、投資者互動平臺
