先看一份資料：

中國腳踏車協會與乘聯會的資料表明，預計到2025年，電動兩輪、低速電動車與儲能三類場景的國內需求將達到123GWh

［1］

。

《鈉離子電池：潛在空間廣闊，寧德時代入局加速產業化——動力電池成本系列報告之四》

目前除了兩輪車還有部分的鉛酸電池份額之外，這三大領域內磷酸鐵鋰電池基本上呈現出制霸之勢，可謂朝秦而暮楚，不減帝王之樂。

但答主認為完全體的鈉離子電池體系才是這些場景的真命天子

，一方面它的

單體能量密度（70~200Wh/kg）與磷酸鐵鋰電池（150~210Wh/kg）的有交疊：

《鈉離子電池：潛在空間廣闊，寧德時代入局加速產業化——動力電池成本系列報告之四》

另一方面，理論上的成本優勢滿屏溢位

：以中科海鈉的計算資料為例，按照同等容量軟包電池的瓦時成本換算，鈉離子電池BOM的理論成本要比鋰離子電池

低30%

左右。

https：//www。hinabattery。com/

再者，安全與效能層面也完全不怵鐵鋰。

得益於1）相對較低的能量密度和放熱焓值、2）不易釋氧無易燃的風險、3）內短時相對較小的瞬時電流與溫升，目前鈉離子電池過充、過放、短路、針刺、擠壓均無起火和爆炸的現象

［2］

。在低溫條件下，得益於1）鈉離子較低的溶劑化能所具備的更好的介面離子擴散能力、2）普魯士藍類等特殊正極材料的開框式三維構架帶來的大孔徑傳輸通道、3）目前微納結構與碳包覆極大地改善的電子電導率，放電功率較為優異

［3］

。

但寧德時代的野望顯然更加遼闊，不止要提升能量密度、佈局供應鏈，通吃電動兩輪、電動汽車與儲能三大場景，還要鋰鈉結合取長補短地空降低溫高功率場景。

來看一看技術創新

1、

化學創新

與中科海納的Li摻雜過渡金屬的O3型Nax［Li-Cu-Fe-Mn］O2氧化物不同，寧德時代走的是

鈉基普魯士藍（Prussian Blue Analogue，後續簡稱PBA）衍生物路線

。二者都具有高克容量發揮與電壓平臺的優點，說白了就是

高能量密度

，所不同的是PBA特殊的晶體結構所帶來的高動力學優勢

［4］

。PBA的普適化學式應該寫作

AMa[Mb(CN)6]1-yy·nH2O

，這其中A為鹼金屬元素，Ma和Mb分別為於C和N配位的過渡金屬元素，為缺陷空位，非常具有觀賞性的是，這Ma和Mb與—C≡N—按照

Ma—C≡N—Mb

構型排列成三位立方體結構，Ma與Mb分別位於面心立方體的頂點，由位於稜邊上的

—C≡N—

連線，Na+則佔據立方體空隙的位置，結晶水通常存在於晶體的表面和內部

［5］

。

圖片來自文章：Prussian Blue Cathode Materials for Sodium-Ion Batteries and Other Ion Batteries

這樣一種面心立方體的

開框構架

與

三維的巨大通道

非常有利於

鈉離子的快速遷移

，且在一定脫嵌量之後能可逆地維持結構穩定性。當然，現在由於製備工藝的不同，也導致鈉元素含量和結晶水含量有所不同，所以最終晶體會發生一定的扭曲形成單晶或者菱方晶系

［6］

。

圖片來自文章：普魯士藍類鈉離子電池正極材料研究進展 ，儲能科學與技術。 2016， 5（03）

在2015年，美國的幾大尖端實驗室與J。B。 Goodenough密切合作研發出了一種名叫

普魯士白（Prussian white）的鈉離子電池正極材料

：Na1。92Fe［Fe（CN）6］，這其實是鈉基普魯士藍的一種特定組分化合物，因為鈉含量高達1。92，因此粉料呈現白色狀態故稱普魯士白。2018年，一家名為Novasis Energies的公司採用Mn元素替換Ma位置的Fe元素推出了基於NaxMnFe（CN）6正極的軟包鈉離子電池，能量密度可達130Wh/kg，與錳酸鋰-石墨體系的相當，當下對於Ma與Mb的選擇，較為合理的方案是採用Mn與Fe元素，其中Mn與N相配處於高自旋狀態，Fe與C相配處於低自旋狀態，在充放電過程中呈現出多對的可逆氧化還原反應

［7］

。

但這種材料的也有相當致命的缺陷，這也是其長期未能實現商業應用的原因：1）晶體中的結晶水過多則會佔據鈉離子位點並堵塞相鄰鈉離子的遷移通道，還會遊離到電解液中，並與之發生副反應，引起電解液消耗、負極SEI膜不穩定、阻抗增大；2）晶體中空位過多會阻礙電子的遷移之外還會造成晶格的扭曲並破壞Ma—C≡N—Mb橋鍵，進而導致PBA三維骨架結構的塌陷，引發電池效能的退化。

在此背景下，寧德時代從材料和極片工藝層級分別創新性進行了設計與改善：

（1）材料層級

在CN108946765B這篇發明專利中，寧德時代研究團隊在合成普魯士白材料的流程中利用交換反應加入了一種或者多種中性配體L，部分或完全取代結晶水，從而在粉體層面就降低甚至去除結晶水的含量，經驗證其吸水性最大可降低60%。

截圖來自專利CN108946765B

為了最大化發揮普魯士白類材料的克容量，並增加與電解液接觸面降低傳荷內阻，一般會將粉體顆粒的比表面積做大，但過大的比表面積則會顯著提高材料的吸附能力，從而吸水破壞構型並富集充放電過程中的副反應產物使材料喪失活性，導致電效能衰退。

在CN109728296B這篇發明專利中，寧德時代研究團隊在製備普魯士白材料中引入羧甲基纖維素鈉調整母液的粘度與沉澱速率，並形成粒徑與比表面積都非常適合的顆粒，獲得了相對最佳化的倍率與迴圈效能。同時，為了保證材料不會因為孔隙率過大而暴露在電解液的副反應侵蝕風險中也不會因為孔隙率過小而產生的浸潤性差以及極片冷壓過程中出現的斷帶透光等加工問題，寧德時代研究團隊在CN109841832B這篇發明專利中針對粒徑與孔隙率做了最為合適的設計，並保障了迴圈穩定性。

在鈉電充放電過程中，鹼金屬陽離子在脫出與嵌入PBA三維架構時會不可避免地引起晶格常數的變化，這種變化在兩個過渡金屬Ma與Mb同時變價的情況下會更加劇烈，就容易造成PBA整體骨架的迴圈穩定性下降，壽命衰減。為了改善普魯士白類材料在非水電解液體系的迴圈效能，寧德時代研究團隊在CN109088068B這篇發明專利中針對性地引入了一類特殊的電解液新增劑：陽離子的電荷/半徑比小於鈉離子的電荷/半徑比，並優化了其新增含量，在鈉離子電池充放電過程中該陽離子會優先嵌入、脫出PBA材料中由於該陽離子具有較小的電荷/半徑比，所以其在嵌入、脫出過程中對普魯士藍類材料的結構破壞較小，從而可以穩定普魯士藍類材料的三維骨架結構，使鈉離子電池具有良好的迴圈效能。

（2）極片層級

普魯士藍類材料本身的電子傳導性差，電導率較低，常規的導電劑無法降低膜片電阻從而導致電效能全面潰退，在CN109841806B這篇發明專利中，CATL研究團隊引入了適合比例的直徑為5nm～100nm、具有良好柔韌性的一維碳奈米材料，在普魯士藍類材料顆粒的表面和二次顆粒的內部均形成了良好的導電網路，減少了區域性區域“死區”的問題，大幅降低膜片電阻，從而使正極片具有良好的導電性。

在CN109920979A這篇發明專利中，CATL研究團隊更是優選了導電聚合物配搭導電劑的比例，膜片電阻降低了70%並獲得了非常優異的2C倍率效能。此外， CATL研究團隊還研精畢智地改善了普魯士白正極漿料的攪拌與塗布工藝，改善了正極活性層的迂曲度與背向集流體方向的粗糙度，優化了活性物質厚度d1與集流體厚度d2的比值，獲得了優異的迴圈效能。

圖片來自專利CN109920979A

為了針對性地改善小顆粒粉體固有的壓實密度低的難題，CATL研究團隊採用了一級粒徑在1~5μm顆粒與二級粒徑在0。02~0。8μm顆粒的獨特Bimodal混合配搭方式，將普魯士白正極片的壓實密度提高至2。0g/cc，儘可能大地提高了體積與質量能量密度。

（3）化學體系層級

在化學體系配搭上，CATL研究團隊針對性地優化了正負極中值粒徑A/B、孔隙率P1/P2、面密度C/D地比值這三個關鍵設計指標，從而控制了電池首次充放電中的容量損失，並實現電池在高倍率下具有較高的充電和放電效能，從而使得鈉離子電池具有較高的首次庫倫效率及倍率效能。

CATL研究團隊開發了能讓大量鈉離子儲存和快速通行的、具有獨特孔隙結構的硬碳材料，克容量可達

350mAh/g

，同時具備了優異的迴圈性，整體的效能指標與石墨相當。

在集成了高度創新的技術能力之上，寧德時代開發出了具有獨特優勢的鈉離子電池

電芯單體能量密度：160Wh/kg，全球目前的頭部水平

常溫下充電15分鐘，電量可達80%以上，優異的快充特性

在-20℃低溫環境中，保持90%以上的放電保持率，出色的低溫功率

系統整合效率可達80%以上

優異的熱穩定性，並超越了國家動力電池強標的安全要求

綜上，

寧德時代的第一代鈉離子電池產品的能量密度略低於商用磷酸鐵鋰電池，但是明顯看到其在低溫效能與快充方面的明顯優勢，非常切合高寒地區的高功率應用場景。

2、

結構創新

採用AB電池結構，這是寧德時代獨創的倚天屠龍，取長補短而相得益彰，1+1>2的buff加成。

兩種電池混搭串並的整合能夠快速解決第一代鈉離子電池能量密度低的問題，當然了，這也非常考驗BMS系統。

儘管可以在全電池電壓區間（2。5~4。2V）上匹配，目前的普魯士白+硬碳的電化學曲線（至少兩個平臺電位），明顯有別於任何一種現有的鋰離子電池化學體系（三元斜線、鐵鋰單平臺），再加上鈉基正極固有的電壓遲滯現象，這勢必給SOC管理帶來相當程度的複雜。

不過，基於目前寧德時代高通量模擬模擬平臺的強大算力與其電芯開發團隊再鋰電領域內不同體系間配搭的經驗迭代，山人應該自有妙計。

https：//meeting。shuwen。com/catl/pc/h_89bbf073cc714130917090fe0ca7ef87

AB雙劍合璧的做法可以很好地彌補Gen1鈉電的能量密度短板，其電池包能量密度提升25%，又發揮出其高功率與低溫效能的優勢，可以適配到更多的場景。

從寧德時代公佈的路線規劃來看，Gen2鈉電產品將會突進至200Wh/kg，要知道其實鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池無二，加工性質可以完全參考鋰離子電池化學材料的理化指標做到蕭規曹隨，二者的量產線可以完全相容，這就很考驗企業產能爬坡與品控的硬性實力了。

從國內新能源電池的標準化與質保上來講，已是鳳毛麟角的寧德時代當仁不讓。

碳中和催生了TWh級的電池需求，多元化的應用場景不斷產生，鈉電的落地，將與鋰電協同互補，保障行業的長期穩定發展。

— END —

2022EV TECH EXPO上海國際新能源汽車技術博覽會

01展會簡介

EV TECH EXPO上海國際新能源汽車技術博覽會是囊括智慧網聯汽車、智慧駕駛技術、電池電機電控技術、充換電技術、線束聯結器技術、熱管理技術、燃料電池與加氫站技術、測試技術、輕量化技術及裝備與材料的全球生態大展。創立於2008年（EVTECHEXPO前身是上海國際節能與新能源汽車產業博覽會），升級於2021年。迄今為止，成功舉辦了14屆線下展覽會，開拓中國新能源汽車市場“國內國際雙迴圈”模式，致力打造全球新能源汽車技術前瞻商貿平臺，EV TECH EXPO 成為全球新能源汽車技術展覽的翹楚品牌。

02展區規劃

EV TECH EXPO立足於全球新能源汽車產業鏈，以”共享新能源汽車技術生態圈“為己任，是由“EV ELECTRON 智慧駕駛技術展區”、“BMC車電池電機電控技術展區”、“FCVE氫燃料與加氫站技術展區”、“EVCE充換電技術展區”、“EVWIRE束聯結器技術展區”、“EVTMS熱管理技術展區”、“EVAMTE製造技術裝備展區”、“EV TESTING新能源汽車測試技術展區”八大巨無霸展群構成，展品涵蓋“主機廠、Tier1/2、製造裝備、材料和汽車文化”等5大業態、共計20大品類，是唯一同時擁有新能源汽車全產業鏈“國內與海外、線上與線下、貿易與文化” 四位一體的新能源汽車綜合大展。

03

展覽時間

展覽時間：2022年5月31日-6月2日

展出地點：上海新國際博覽中心

諮詢電話：021-3420 0985