水系钠离子电池行业发展现状及前景分析2022

历经数年发展，钠离子电池产业化日趋临近，2023年或将成为产业化元年。业内认为，钠离子电池“量产元年”的到来或将在一定程度上改善储能电池供不应求的局面。宁德时代方面表示，正在推进钠离子电池明年实现产业化;鹏辉能源也表示，希望明年推动钠离子电池批量生产。

水系钠离子电池行业发展现状及前景分析2022

政策层面，今年 8 月科技部等九部门印发《科技支撑碳达峰碳中和实施方案(2022 — 2030 年)》，明确提出研发液态钠离子电池储能、液流电池储能等高效储能技术。工信部同月发文，提出要加强新型储能电池产业化技术攻关，加快研钠离子电池等新型电池。

此前发改委等九部门印发《“十四五”可再生能源发展规划》，提出目标到2025年，可再生能源年发电量达3.3万亿千瓦时左右，加强可再生能源前沿技术和核心技术装备攻关。涉及的技术中，除去超大型海上风电机组、高海拔大功率风电机组、新一代高效低成本光伏电池、绿氢制备等技术之外，多项高能量密度储能技术也被囊括其中，包括钠离子电池、液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池。

近年来，水系离子(锂、钠等)电池的研发越来越受到关注。但是，地球上的锂资源实际上是难以支撑大型储能系统的应用需求的。于是，与锂的化学性能类似的钠被认为能够替代锂适用于水系离子电池体系。钠是地球上储量最丰富的资源之一，可以说是用之不竭。价格也显著降低，通常为锂盐的1/10。因此，水系电解质的钠离子电池被认为是最有潜力的适合大规模储能系统的电池之一，成为最近业界研究工作的焦点。实际上，钠离子电池的研究与锂离子电池几乎同时起步，早在20世纪80年代，人们就开展了有机系钠离子电池正负极材料的研究。但是与有机系锂离子电池相比，钠离子电池的发展缓慢。这主要是由于成功应用于有机系锂离子电池中的正负极材料体系不能简单地移植到钠离子电池中。虽然二者都是以正、负极间离子嵌入-脱出反应的“摇椅式”机理作为充放电反应机理，可是因为钠的离子半径(0.102nm)比锂离子和质子大许多，使得其嵌入反应困难。而且，负极材料在接受大体积的钠离子的嵌入反应过程中，其晶格容易发生形变甚至坍塌，影响到电池的循环性能。

目前，国内布局钠离子电池业务的企业大致可以分为两大类，分别是以宁德时代、欣旺达和亿纬锂能等为代表的锂电巨头企业，和以中科海钠、众钠能源等为代表专注于钠离子电池领域的初创企业。

除了资源端外，钠离子电池成本优势还体现在产业建设端。与锂离子电池工作原理相同，钠离子电池同样依靠离子在正负电极之间往返嵌入和脱出的摇椅式二次电池。从生产流程和工艺路线上看，钠电池结构也与锂电高度相似，其决定了两者的生产流程和产线接近，这意味着锂电池材料厂商未来可与钠电池共用产线中的绝大多数环节，从而降低产线建设成本。

资源储量上，锂元素的地壳丰度仅0.0065%，绝大多数分布在美洲。钠资源地壳丰度高达2.75%，且全球到处都有分布。钠资源价格与锂资源价格就已经差距悬殊。综合各项材料成本测算，相比锂离子电池，钠离子电池材料成本要降低30-40%。

虽然水系钠离子电池技术面临着诸多挑战，但它仍然为大规模储能提供了一种安全、廉价、清洁和耐久的新体系。现在，越来越多的新材料，新构思和新技术被应用到水系钠离子电池体系的开发中，其综合性能也在不断提升。相信随着研究与开发的不断深入，在不久的将来一定能够实现其在储能上的大规模应用，从而推动以智能电网和可再生能源并网为代表的清洁能源的应用。

据中研普华研究报告《2022-2027年中国水系钠离子电池行业深度分析与投资预测报告》分析

第一节 水系钠离子电池行业发展现状分析

一、水系钠离子电池行业发展概况分析

钠离子电池的研究与锂离子电池几乎同时起步，早在20世纪80年代，人们就开展了有机系钠离子电池正负极材料的研究。但是与有机系锂离子电池相比，钠离子电池的发展缓慢。这主要是由于成功应用于有机系锂离子电池中的正负极材料体系不能简单地移植到钠离子电池中。虽然二者都是以正、负极间离子嵌入一脱出反应的“摇椅式”机理作为充放电反应机理，可是因为钠的离子半径(0.102nm)比锂离子和质子大许多，使得其嵌入反应困难。而且，负极材料在接受大体积的钠离子的嵌入反应过程中，其晶格容易发生形变甚至坍塌，影响到电池的循环性能。直到近年，在容量利用率和循环寿命方面基本满足要求的有机系钠离子电池用负极材料才被开发出来。

早在150多年前，刚发明的铅酸电池就是使用水系电解液对的。后来，Dahn小组1994年首次报道了以LiMn2O4作正极、VO2作负极、Li2SO4水溶液为电解质的水系锂离子电池，提出利用两电极间离子嵌入反应构建“摇椅式”水溶液二次电池的构想，此后在此反应原理基础上开始水系钠离子电池的设计及材料研制。

2005年，夏永姚课题组报道了以LiMn2O4作正极、活性炭为负极的非对称电容电池，随后他们又再次研发了以LiMn2O4作正极在钠、锂混合离子电解质中的水系离子电池，进一步推动了对水系电池的研究。电池的制造成本及运行安全可靠性通常是大规模储能技术应用的首要考虑因素。尽管钠离子电池在有机电解液体系下具有较高的能量密度和输出电压，但是有机电解液的高成本、易挥发、易燃及生产复杂等缺点是其在大规模储能应用时面临的瓶颈。所以当我们使用比有机电解质更快的离子迁移速率的水溶液电解质时，既能降低电池的制备成本也能够在安全性、功率密度和环境兼容性等方面有所改善。可惜最大的缺点是水溶液电解质的工作电压窗口比较窄。

目前，国内外的一些研究者越来越多的开展对水系钠离子电池的探索了。例如2007年Sauvage等发现了Na0.44MnO2在水溶液电解质中的嵌脱钠机制。然后，2010年Whitacre等报道了以Na0.44MnO2为正极、活性炭为负极及Na2SO4水溶液作电解质的水系钠离子电池。另外，水系钠离子电池的研究是新电池体系的一个优化和前进过程，在实际应用中还面临着诸多挑战，需要我们继续在制备工艺、电极材料的选择改进以及全电池的匹配上作出更多的努力，早日实现水系钠离子电池的工业化大规模生产。

在水系电解质体系中，存在水电解引起的负极析氢和正极析氧的副反应。由于水的热力学电化学窗口为1.23V，为了避免水电解反应的发生，即使考虑到动力学因素，水系钠离子电池的电压通常在1.5V左右，最高也不能高于1.8V。而且，在电极材料的选择上也必须考虑要抑制水分解副反应的影响。正极材料嵌钠反应的电位要低于水的析氧过电位，而负极材料的嵌钠反应的电位应高于水的析氢过电位，这就限制了许多在有机系电解质中表现良好的储钠正负极材料的应用。另外，许多钠盐化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，进一步限制了储钠材料的选择。自从1994年，DAHN等制作了以V205为负极、LiMn204为正极、Li2S04/H20为电解质的锂离子电池，首次提出利用两极间离子嵌入反应构建“摇椅式”水溶液二次电池的构想之后，水系钠离子电池的设计和材料研制就在此反应原理基础上展开。

二、水系钠离子电池行业市场规模分析

2019年我国水系钠离子电池行业市场规模仅为0.8亿元，随着水系钠离子电池产业化的发展，该行业市场规模发展迅速，2021年中国水系钠离子电池行业市场规模将达到6.5亿元。

图表：2019-2021年中国水系钠离子电池行业市场规模(单位：亿元)

数据来源：中研普华产业研究院整理

三、水系钠离子电池行业发展特点分析

水系钠离子电池研发和产业化时间都很短，技术层面还存在很多难题有待攻克。其主要问题有以下几点。

(1)水是最常见的液体，同时也是常见液体中极性最强的。在水溶液中循环使用的电池，必须克服电极材料在水溶液中的溶解以及盐溶液对电极的长期(10-20年)持续不断的缓慢腐蚀。解决这一问题的途径不一，可以是开发新型的耐腐材料;亦可以是从电池设计的角度考虑，加强电极的成型后的强度以抗抵水溶液的侵蚀;

(2)由于水的理论电解电压只有1.23V，因此极大地限制了水系钠离子电池的质量比能量。目前已见报道的这类产品质量比能量均不超过25W·h/kg，比铅酸蓄电池还低。在电解液的分解电压不变的前提下，只能通过寻找或创造出更高比容量的正负极材料，才能提升整个电池的质量比能量;

(3)水系钠离子电池是一种全新的电池体系，其电极的成型、集流体的选择、电解液功能添加剂的开发等等一系列的工艺技术难题还需要不断地被攻克，电池性能仍有很大的提升空间。

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