各位专家，各位代表，大家上午好，非常感谢邀请，有这个机会跟大家讨论钠离子电池产业化面临的挑战。近几年来锂离子电池发展很热，电动汽车今年预计到1000多万辆的规模，2023年碳酸锂和氢氧化锂产量分别达到46.3万吨和28.5万吨，这样的发展给我们带来一个思考，锂资源的紧张有什么替代办法，钠离子电池、锂离子电池、阴离子电池等等都受到大家的关注，尤其是钠离子电池更加引起重视。2014到2023年对于钠电池的研究在全球一直是个热点，每年发表的文章都是两千多篇。

  钠离子电池为什么有这么大的优势，很多专家已经讲的很好了，因为它的原理跟锂电池类似，理论上讲它的成本应该比锂电池要低，而且它的安全性，锂电池是3.06V，钠电池是2.7左右，所以国际上很多大的公司都围绕钠离子电池在布局，用不同的材料体系在进行研究。这个时候我们就在考虑，钠离子电池为什么会得到这么大的关注，第一它的容量高，储量高，钠取代锂的话，资源的风险不用担忧了。第二，它的高温性能比较好，低温性能也比较好，所以钠电池的市场容量在逐步扩大。我们经常听到2023年是钠离子电池的元年，钠离子电池并没有出现，尽管它有很多的优势，但是也有一些关键问题还有待突破。例如能量密度，大家可以从这个图发现，能量密度在整个电池体系里面，和磷酸铁锂相比也没有太多的优势，这样的话钠离子电池体系我个人认为它只会作为锂离子电池的有力补充，不会取代锂离子电池。

  已经有专家做了一些分析，钠离子电池关键从正极材料来分析，层状氧化物和三元正极材料类似，成本我们算了一下，以镍铁锰为例，前驱体成本大概到了4.6万，如果是用正极材料成本到了5.7万，这个成本大家想一想磷酸铁锂的成本，锂价格降到10万的时候，磷酸铁锂降到了4万。氧化物成本比较高，那聚阴离子材料怎么样呢？这里我们也有个计算，它的成本是3万左右一吨，硫酸铁钠也到了1.6万，如果正极材料层面来讲，聚阴离子和硫酸铁钠确实可以跟磷酸铁锂抗衡。

  做了电芯我们来看看成本，做电芯的时候我们要考虑每个材料的容量不一样，同样考虑18650的电池来做，这个时候磷酸铁锂存在氧化物，焦磷酸铁钠以及硫酸铁钠电池来对比的话，从单位成本来讲，磷酸铁锂的成本大概是8毛，正极材料按十万一吨算出来的，现在正极材料只有4万多了。电解液按5万一吨算的，现在大概2万左右一吨，这样算出来磷酸铁锂的成本大概是八毛。层状氧化物成本大概到1块钱一度电，焦磷酸铁钠的克容量要低于层状氧化物，成本每瓦时到了1.2元，磷酸铁钠到了1.19元，锂电池的价格，磷酸铁锂价格大概每瓦时是0.375，尽管钠离子电池的价格有所降低，但是跟这个相比竞争优势依然不是很明显，使钠离子电池的发展受到一些局限。

  我们把铅酸电池、锂电池和钠电池做的对比，电池每度电的成本，铅酸大概500，磷酸铁锂740，焦磷酸铁钠大概1100，硫酸铁钠大概1100。它的残值大概每度电还有200块钱。因为锂的资源问题，所以残值量有50块钱，磷酸铁锂有94块，层状氧化物因为有镍也有90，其他材料的残值就更低一些了。在使用寿命比较以后，我们看每年的使用成本，在目前的价格下，铅酸电池大概每年150块钱左右，锰酸锂大概220左右，磷酸铁锂是129块，钠离子电池一般都在200以上，正因为这样，尽管这些年大家很重视钠离子电池了，但是它的技术发展远远没有锂电池成熟，一些原材料、关键技术还没有取得突破，导致成本居高不下，这样的话从使用成本来讲，肯定会受到影响。我们的目的是取代铅酸电池，成本比铅酸电池高那么多，也使它受到一些影响。所以我们分析来讲，什么时候钠电池发展会更有力一些。前面也介绍了，在2022年的时候，说2023年是钠电池的元年，但是2023年钠离子电池并没有发展的那么快。

  刚才分析了成本和性能的对比。另外我们跟锂的价格做对比，大家会发现左边是层状氧化物，有几类材料，克容量有110、120、130的，还有焦磷酸铁钠，克容量有85、95、105，硫酸铁钠有65、75、85的，这几种材料和磷酸铁锂的对比，就可以发现当碳酸锂的价格在10万左右，磷酸铁锂的成本大概每瓦时只有三毛七。碳酸锂的价格在20万的时候，除了层状氧化物130mAh/g的差不多，因为磷酸铁锂大概每瓦时是四毛四，层状氧化物是四毛五。硫酸铁钠85mAh/g的时候，碳酸锂的价格高于20万的时候，可能钠离子电池发展很快，所以为什么我说2022年大家非常重视钠离子电池，与成本直接相关。钠离子电池经过这些年的发展，没有我们预期那么好，但是给钠离子电池的可持续发展提供了一个机会。因为钠电池出现很多问题，一个是钠电池的技术水平在提升，第二个是正极材料的克容量与压实密度在提升。第三个是负极材料的比容量和首次效率在提升。第四个循环寿命延长，现在有1500次、200次，如果像磷酸铁锂一样做6000次甚至更高。第五个，大幅降低电池整体Wh成本，材料的价格必须降低，如果材料的价格不降下来，整个电池成本降不下来的。第六，电池制造水平的提升。一代装备一代产品，电池制造业也是一代装备一代电池，锂电池就很明显，90年代和2000年的时候，当时的锂电池领先的是日本、韩国，现在我们之所以领先日本和韩国，就在于我们的制造水平上去了。

  面临的几个主要挑战，我认为核心还在正极材料、负极材料，隔膜和电解液相对比较简单，因为跟锂电池有很多的互换。正极材料无外乎这么几种，一个是聚阴离子的正极材料、层状氧化物的正极材料、普鲁士系列的正极材料。负极材料也有很多，碳材料、氧化还原材料、合金化还原的材料，这些材料里面负极材料可能还是碳基材料。三类材料我们这里有个性能对比，从发展路线来看已经相对都比较成熟，都有很多新的技术在做。但是从指标上来看，层状氧化物在能量密度、循环寿命、倍率性能、成本方面表现比较好，率先实现产业化。聚阴离子化合物稳定性比较高，有最长的理论循环寿命，在低速车、储能领域前景比较好。普鲁士蓝化合物有很多关键问题需要突破，比如结晶水的问题，热失控后产生有毒气体的问题，循环寿命短的问题都亟待解决。

  针对于这一点，我给大家介绍一下层状氧化物方面怎么做。因为层状氧化物相对锂电池来讲，跟锂电池的三元制备技术很接近，而且很多性能指标已经接近产业化的水平，除了成本方面还要进一步考虑。我们知道有P2材料还有O3材料，P2型有宽的钠离子传输通道与较低的离子迁移能垒，但其钠含量低，初始容量低，且极易发生由P2到O2的相变，影响稳定性。KP3型有相对O3型较高的扩散能类和较低的烧结温度，但体晶体结构对称性较差，钠离子脱嵌时过渡金属层滑移矢量多，产生复杂相变导致严重的容量衰减。以及化学剂量比的控制，前聚锂的控制，包括烧结升温的控制，都直接影响了层状氧化物的性能。

  对于层状氧化物材料，一个是掺杂，第二个是表面修饰，第三个是结构优化，通过这三方面的工作提高容量，提高循环稳定性，使它的能量密度提高，使空间稳定性更好。鉴于此可以发展两类材料，第一种可以在层状氧化物里面引入镁的掺杂，以镁来稳定它的结构，提高寿命，同时以磷酸碳钠的包覆来提升性能。这样做了以后效果比较明显，倍率性能、循环性能都取得了比较好的效果，掺杂的制备通过调控以及掺杂策略能比较好的改进它的性能。我们也进行了相应的性能表征测试，发现效果还是比较好的。P2的材料有它的优势，O3的材料也有它的优势，钠含量比较，能不能发展一个低成本、高性能的路线，使这个材料兼有P2和O3的相。首先这个材料是不是达到预期的目的，A是结构表征，结构表征以后进行精修分析，掺进去以后我们再进行新的测试，发现在0.1C的时候，它的容量有212mAh/g，在0.2C80次循环以后容量保持率还有88.1%。我们在湖南先钠新材料也进行了产业化试验，进行了相关的性能测试，0.1C，135mAh/g，首效93%。我们对18650的电池进行了测试，1C放电容量发挥117mAh/g，500周以后保存率93.75%，这个电池在目前钠离子电池层状氧化物里面还是比较好的水平。

  钠离子电池产业化另一个关键问题是负极材料，负极材料尽管和锂电池负极材料一样有很多，有碳基材料、合金化材料、氧化还原材料，在这些材料里面我们认为最有希望的应该是碳基材料，石墨除了容量比较低，但是我们利用硬碳比较容易实现产业化，其他材料相对来讲还有一定难度。硬碳材料目前很多都做了研究，今年网上有大量的报道，某某公司投资了多少亿来规划钠电池的负极材料项目，但这些确实有它的缺陷。第一是低电压平台，确实存在风险。第二个是它的即时过电效率，像石墨一样可以达到92%可能有些提高。像生物质炭的资源问题，资源不一样，性能完全不一样，这些方面还有待突破。我们讲生物质炭材料，通常经过两个过程，第一步预碳化处理，然后再进行化学处理和物理处理，然后再次碳化，或者高温裂解的过程。问题是一个是储钠的机理，第二个是如何提升性能，提升容量，提高首次效率，第三个是如何降低成本。国内开发的生物质炭的硬碳材料比较好的也要5万以上，比较差的大概3万左右。大家看看锂电池的负极材料，很好的负极材料也才5万多，一般负极材料在3万，甚至有的负极材料不到2万，这样的话钠电池的负极材料也是制约钠离子电池成本的一个很重要的方面。

  硬碳负极材料在制备过程中它的工艺过程对性能的影响很大，预碳化中有化学处理、物理处理。不同的碳化温度对微孔壁的影响，和容量的影响，库仑效率的影响都非常大。第二个是化学处理，我们的材料经过化学处理以后，直接影响它的壁表面，影响它的性能。负极材料如何提升容量是大家值得考虑的。特别是负极材料放电类似这样的曲线，存在两个区域，一个斜坡区和一个平台区，斜坡区是1.1至1V，低电压范围平台区约0.1到0V，针对不同的储钠机理，如何去设计我们的负极材料，这个有待突破。第二个是如何提高首效，整个负极材料都是首效不高，特别是生物质硬炭材料如何提高首效。提高首效我们要降低比表面积，但是降低比表面积以后，它的容量会减少，如何保证容量这是值得考虑的，现在通过掺杂、修饰能够保证比较好的容量了。

  鉴于这些考虑，生物质硬炭负极材料要使钠离子电池产业化，生物质硬炭负极材料产业化，负极材料的结构特点给大家介绍了，负极材料的问题，稳定性差的问题怎么来解决呢？我们一般是通过两个途径，一个是表面改性来提升库仑效率，一个是通过电解液及界面优化改善倍率性能。举两个例子，一个是生物质炭，通过预处理以后来制备这种材料，发现它的性能比较好，首次容量有290mAh。循环200次以后容量保持率大于90%。作为钠离子电池，一般被层间距调到0.38至0.4比较合适，它的初始用量能够达到391mAh/g，首效达到89.4%。

  总的来讲，钠离子电池虽然发展的速度没有我们预期的那么快，但是毕竟钠的储量丰富，跟锂离子电池相比有巨大的优势，它在储能领域、低速电动车领域应该是锂电池的有益补充，而且有可能替代这类锂电池。但是无论正极材料也好、负极材料也好，都面临着很多关键问题。正极材料没有成熟的材料，负极材料仍然面临成本高、性能需要提升的问题，钠离子电池制造仍然存在技术工艺壁垒，例如产气严重、良品率低及批次一致性差等问题。相信在大家的共同努力下，钠离子电池一定有个光辉的明天。

  我的报告就到这里，谢谢大家！

  本文转自：湘潭大学王先友教授：钠离子电池产业化面临的主要挑战 (qq.com)