鈉離子電池正極材料主要包括層狀氧化物，普魯士藍和聚陰離子等。鈉離子電池與鋰離子電池皆采用“搖椅式”充放電工作原理，即在一定的電勢調節下，客體堿金屬離子在宿主材料中可逆脫出和嵌入，其中嵌入電勢較高的作為正極，嵌入電勢較低的作為負極，整個電池的充放電循環過程就是堿金屬離子在正負極之間的往返定向遷移過程。鈉離子電池的組成結構與鋰離子電池完全相同，主要都包括正極，負極，電解質，隔膜和集流體等。與鋰離子電池類似，正極材料是決定鈉離子電池性能和成本的主要因素之一，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。目前來看，三種應用于鈉離子電池的正極材料已進入產業化視野，即層狀氧化物，普魯士藍和聚陰離子。

正極材料是鈉離子電池的主要成本之一

數據來源：中科海納，國泰君安證券研究

層狀過渡金屬氧化物：能量密度高，倍率性能優異

納電層狀過渡金屬氧化物正極材料結構與鋰電三元正極結構相似，分子為NaMO2，其中M代表鎳，鈷，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，通過將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為O3和P2型，P2型相較于03倍率性能，循環穩定性更好，比容量相對較低但仍能保持在100-140mAh/g，產品整體綜合性能較好。

層狀過渡金屬氧化物結構示意圖

數據來源：Research Development on Sodium-Ion Batteries

普魯士藍：材料潛力大，結晶水影響性能

普魯士藍類化合物之前并未在鋰離子電池中使用過，作為過渡金屬的氰化配位聚合物，通式為AxM【Fe（CN）6】y.nH2O，A代表Li，Na，k等堿金屬離子，M代表過渡金屬離子fe，Mn， Ni ，Cu等。普魯士藍材料常溫即可制作合成簡單方便，理論比容量可以達到170mAh/g，同時其立方體的三維立方網絡結構間隙為大（約4.6A）納離子在結構中擁有較大的傳輸通道可實現高倍率充放電，但由于其結構中的Fe（CN） 6空位易和晶格水分子形成化合物，結晶水難以除去，使得普魯士藍在實際應用中容易存在比容量低，效率不高，倍率較差和循環不穩定的問題，因此，抑制普魯士藍類化合物結晶水產生和改善晶格缺陷是產業化應用的關鍵。

普魯士藍結構示意圖

數據來源：PRussian blue：a new framework of electrode materials for sodium batter

納電聚陰離子材料：能量密度低，循環性能好

納電聚陰離子正極材料結構與鋰電磷酸鐵鋰正極結構類似，分子式為NaxMy[(XOm)n-],M為可變價的過渡金屬，主要是釩，還包括錳，鐵，鈷；X為P,S，Si，F等元素，形成的（PO4）3，（SO4）3.（SiO4），（P2O7,）F等聚陰離子化合物。聚陰離子材料晶體框架結構穩定，電化學穩定性高，但聚陰離子本身的分子量偏大，使得理論比容量為100-110mAh/g，同時還存在導電性差等問題。

綜合性價比優勢突出，層狀氧化物有望率先產業化

鈉離子三種技術路線各有優劣，我們認為目前層狀過渡金屬氧化物有望憑借其技術成熟，較高的能量密度，低成本，設備兼容性等優點而率先量產，研發方面，納電層狀氧化物正級與鋰電三元材料的研發策略相近，能量密度較高，納電層狀氧化物可一定程度上參考三元正極材料研發經驗，通過元素摻雜，大單晶等鋰電三元正極材料改性策略，同樣可實現材料改性，提升納電正極材料倍率性能和循環穩定性。另一方面，多金屬摻雜改性可以有效解決鈉離子半徑較大而可能造成的多次脫嵌過程中發生相變引致結構坍塌問題，同時目前層狀氧化物正極材料平均電壓為2.8~3.3V，比容量100~140mAh/g，產品整體綜合性能較好，且后續通過不同過渡金屬元素的協同效應，潛在比容量可達190~200mAh/g.

成本方面，納電層狀氧化物正極相較于磷酸鐵鋰正劑材料單瓦時成本更低，以鐵酸納基層狀氧化物正極材料為例，根據元素平衡測算，當前價格納電正極核心主材和單瓦時成本約為2.3萬元/噸和0.070元/wh,較磷酸鐵鋰材料核心主材和單瓦時成本的14.2萬元/噸和0.356元/wh價格優勢明顯；即便磷酸鐵鋰和碳酸鋰單噸價格下降到1.2和10萬元/噸，對應磷酸鐵鋰正極材料3.49萬元/噸和0.087元/wh的成本，納電層狀氧化物仍然有成本優勢。

層狀氧化物相較于磷酸鐵鋰主材價格和瓦時成本優勢明顯（FePO4＝2.33萬元/tVS1.20萬元/t）

工業化產線方面，納電層狀氧化物和鋰電三元正極部分產線可以兼容和快速切換。固相反應法為目前主流合成方法。鋰離子三元正極前驅體一般將鎳鹽，鈷鹽和錳鹽按一定比例混合：氫氧化鈉和氨水進行反應生產氨堿溶液；將氨堿溶液和金屬混合溶液進行充分反應，生成共沉淀產物；將共沉淀進行壓濾洗滌，加熱干燥既可以得到三元正極材料前驅體，再經過兩燒/三燒等固相法工藝即可制備得到三元正極材料，同樣的，鈉離子層狀過渡金屬氧化物也可按照類似的工藝制備而得，不同的是金屬鹽有更多的選擇，包括廉價的鐵鹽，錳鹽等。正極材料再經過混料，涂布，輥壓，干燥，切片等工藝即可得到鈉離子電池正極片。

產品性能的要求構筑層狀氧化物生產門檻

目前來看，鈉離子電池正極材料生產核心工藝難點在于抑制循環過程中表面晶體結構的重構和顆粒破裂，以及實現形貌尺寸及顆粒粒徑調控以及表面堿度，pH值和游離納的控制。

能量密度：材料的比容量和壓實密度與電池的能量密度息息相關，一方面通過多元素摻雜不僅可以改善晶格穩定性，也可以提升材料的比容量，另一方面通過對材料形貌尺寸和顆粒粒徑調控，改善產品的壓實密度和倍率性能，提升電池能量密度。循環穩定性：由于鈉離子半徑較大，在循環過程中鈉離子多次脫嵌后，正極材料結構一產生不可逆相變，尤其在較高的電壓條件下，晶格內的活性金屬和氧原子發生位移，導致材料結構坍塌，加快容量衰減，通過多元素摻雜和協同技術，可以實現晶體結構調控，錨定晶格，減少相變，提高材料的結構穩定性。環境穩定性;當層狀氧化物材料存放在空氣中，使空氣中水和碳酸根離子氫會嵌入到層狀材料中，反應生成氫氧化鈉和碳酸鈉，層狀材料的層間距和Na含量是決定空氣穩定性的兩個關鍵因素，層間距大，Na含量低的層狀材料容易發生水插層，形成水合相，由水分子與鈉離子交換引起的正極表面上絕緣NaOH和Na2CO3的積累將導致界面轉移阻抗增大和容量保持率降低，而且，嵌入物導致層間距增加和Na含量降低，加劇層狀材料結構坍塌和電化學性能衰減的惡性循環，通過對堿度，ph值和游離納控制，可以有效提高材料的空氣穩定性和電池漿料的穩定性，進而提升電池整體的穩定性及一致性。

新能源需求廣闊，2023年或開啟鈉離子電池應用元年

2023年或是鈉離子電池產業化元年。鈉離子電池已經從實驗室走向商業化應用階段，中科海納，寧德時代等多家公司宣布鈉離子電池產業鏈或將于2023年形成。目前來看，納電企業多選擇層狀氧化物作為正極主流路線。

預計2025年鈉離子電池正極需求量將達到17萬噸。目前產業界納電研發及新能源汽車和儲能行業快速推進的大背景下，鈉離子電池良好的性價比及更加穩定的電化學性能，快充及低溫性能，有望率先在儲能，中低續航里程電動車，工程車，小動力等細分市場得到推廣。我們預計，2022年底鈉離子電池需求將達到58.GWh，對應鈉離子電池正極材料需求17.4萬噸。未來隨著產業化進一步降本以及產品工藝迭代，鈉離子電池有望實現在更低瓦時成本能量密度和循環性能與磷酸鐵鋰電池相媲美。

納電初創企業和傳統鋰電企業跨界加速鈉離子電池正極材料落地。從布局正極材料的企業類型來看，目前主要有兩類：一類是全面布局包括正負極材料以及電芯等全產業鏈的鈉離子電池初創企業，如中科海納，納創新能源等；另一類則是具有規模化生產經驗的鋰電正極材料企業，如振華新材，容百科技，當生科技等。

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