解读【英文】国际可再生能源署IRENA：钠离子电池：技术简述

为什么此时关注钠离子电池

这份技术简报把钠离子电池放在能源转型的大背景下讨论。报告指出，随着可再生能源占比不断提高，电力系统对灵活性和稳定性的要求上升，电池储能成为关键支撑。IRENA的分析显示，到2050年，建筑、交通和工业三大需求部门的电气化可能使全球电力需求翻三倍。与此同时，锂离子电池虽然性能优异，但2021—2022年的供应链扰动和地缘政治紧张，让市场对锂供应和价格的担忧加剧，从而推动了对钠离子电池等替代化学体系的关注。

报告提到，钠离子电池的构造与锂离子电池相似，制造商可以利用现有知识和经验。不同之处在于，钠离子电池依赖从纯碱等丰富原材料中提取的钠化合物，而非锂。钠资源在地壳中的丰度约为锂的1000倍，在海水中约为锂的60000倍。这种丰度优势意味着钠离子电池可能有助于缓解供应链压力，并让电池技术路线更加多元。

从原理到参数：电池储能的评价维度

报告用一节篇幅介绍了电池储能的基础知识。电池通过化学反应将化学能转化为电能，通常由负极、正极、电解液和隔膜组成。充电时离子从正极经电解液移动到负极，放电时离子流回正极，将储存的能量转化为电力。

评价电池性能的核心参数包括容量、充放电倍率、循环寿命、效率、重量能量密度和体积能量密度。报告对每个参数都给出了定义：容量以安时（Ah）为单位，乘以标称电压得到瓦时（Wh）；充放电倍率用C-rate表示，是一个无量纲比值；循环寿命指电池可以完成的充放电循环次数，受倍率和工作温度影响，高倍率和高温会缩短循环寿命；效率即往返效率，是能量输出与输入的比值；重量能量密度以Wh/kg衡量，体积能量密度以kWh/m³衡量。这些参数对于理解后续钠离子电池与锂离子电池的对比至关重要。

电池家族全景与锂电的隐忧

报告梳理了当前主流电池技术的性能参数，包括铅酸、镍镉、镍氢、钠硫、全钒液流、锂离子和钠离子电池。其中铅酸电池常用于传统燃油车电气系统和备用电源，镍镉和镍氢电池用于消费电子，钠硫和全钒液流电池多用于固定式储能，锂离子电池则广泛应用于电动汽车、固定式储能和消费电子。

报告特别指出，过去十年锂离子电池使用量经历了空前增长。锂离子电池部署量自2015年以来增长了近35倍，2023年超过2400GWh。这种增长主要得益于锂离子电池技术的快速进步和成本下降。但报告也提示了隐忧：对锂离子电池日益增长的需求引发了对可持续性、资源可用性、地缘政治和供应链瓶颈的担忧。2022年碳酸锂价格飙升，进一步刺激了市场对钠离子电池等替代技术的探索。

钠离子电池的构造与材料选择

钠离子电池并非新概念，早在20世纪70—80年代就与锂离子电池一同被探索，但由于当时性能较差和技术限制而被边缘化。2000年代的发现改变了这一局面：与石墨负极不同，硬碳负极具有优异的可逆储钠容量，重新点燃了科学界对钠离子电池的兴趣。

在构造上，钠离子电池的正极材料通常分为层状氧化物、聚阴离子化合物和框架材料（如普鲁士蓝类似物）三大类；负极材料分为碳质材料、过渡金属氧化物、金属间化合物和有机化合物等。报告以硬碳负极为例指出，其通过生物质或酚醛树脂的固相热解制备，原料丰富且成本通常较低。与锂离子电池不同，钠离子电池的正极和负极集流体都可以使用铝，而锂离子电池的负极集流体必须使用铜，因为锂在低电压下会与铝形成合金。电解液方面，钠离子电池最常用的是六氟磷酸钠（NaPF₆）。

供应链：钠的资源禀赋与产能格局

报告用较大篇幅对比了钠与锂的供应链格局。钠离子电池制造主要依赖纯碱（碳酸钠）作为钠前驱体。纯碱在多个行业广泛使用，且远比锂丰富。全球天然纯碱资源估计为470亿吨，储量估计为250亿吨。纯碱还可以从盐和石灰石中合成，这两种资源几乎取之不尽。

但报告也指出一个现实：尽管钠离子电池技术具有全球潜力，截至报告编写时，已宣布的钠离子电池产能中超过95%位于中国。报告还比较了价格：2020—2024年间，碳酸钠价格在100—500美元/吨之间波动，而碳酸锂价格在6000—83000美元/吨之间波动。这种巨大的价格差异，加上钠的全球分布更广，有助于降低供应链中断和价格波动的风险。

优势与短板：性能、安全、成本与可持续性

在性能方面，报告指出钠离子电池在某些指标上已经可以媲美甚至超越其他电池技术，具有优异的容量保持率，部分产品在4000—5000次循环后仍能保持较高容量。当前商用钠离子电芯的能量密度可达175Wh/kg，与部分低端锂离子电池相当，并显著超过铅酸和镍基电池。报告引用宁德时代的公告称，其Naxtra乘用车电池能量密度为175Wh/kg，计划2025年量产。

安全性方面，钠离子电池的一大优势是可以完全放电后安全运输，这对于使用聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物正极的钠离子电池尤其有利。成本方面，2022年钠离子电芯平均成本为80—105美元/kWh，电池包为90—125美元/kWh；同期锂离子电芯平均成本为52—81美元/kWh，电池包为75—104美元/kWh。报告指出，2021年钠离子电池相对锂离子电池的成本优势已因锂原材料价格快速下降而消失，但部分制造商预期规模化后钠离子电芯成本可降至40美元/kWh。可持续性方面，普鲁士白和聚阴离子等正极化学体系不含镍或钴，有助于减少对关键材料的需求。

应用场景与未来展望

报告梳理了钠离子电池的多个应用方向。固定式储能是其中最具潜力的领域之一，因为该场景对尺寸和重量不敏感，而钠离子电池在安全性、宽温域性能和循环寿命方面表现良好。报告提到，固定式电池储能自2015年以来增长了60倍以上。钠离子电池还可以与锂离子电池集成，根据当地需求灵活配置，系统集成效率可超过80%。

电动汽车是另一个重要方向。钠离子电池充电快、安全性好、工作温度范围宽，尤其适合短途车型。报告提到钠离子电池驱动的电动汽车续航约250公里，适合城市环境。两轮和三轮车市场也被视为钠离子电池的潜力市场，亚洲占全球两轮和三轮车销量的约80%。此外，钠离子电池还可用于替换传统道路车辆中的铅酸电池，以及电动工业车辆和机场地面设备等。

展望未来，报告认为钠离子电池市场尚处起步阶段，但可能在未来几年显著增长。2025年底全球产能预计达到70GWh/年，2030年预计超过400GWh/年。不过需求预测差异较大，不同来源对2030年需求的预测在50—600GWh/年之间。报告强调，钠离子电池不应被视为锂离子电池的完全替代品，而是一种补充技术，有助于缓解电池供应链的可持续性和可用性担忧。

这组数据来自报告第10页的表2，对比了铅酸、锂离子和钠离子电池的关键性能参数。钠离子电池的重量能量密度为90—160Wh/kg，高于铅酸电池的25—50Wh/kg，但低于锂离子电池的150—300Wh/kg。循环寿命方面，钠离子电池为500—8000次，锂离子电池为1000—12000次。 值得注意的是，钠离子电池的工作温度范围为-40—80°C，比锂离子电池的-20—60°C更宽。报告在正文中多次强调这一宽温域特性，认为这使钠离子电池适合需要在更宽温度范围内运行的国家和地区，也是固定式储能和电动汽车应用场景中的一个潜在优势。此外，报告注明表中锂离子电池数据包含宁德时代2023年发布的凝聚态电池，其能量密度高达500Wh/kg。

这组数据集中呈现了钠离子电池与锂离子电池的成本对比。2022年钠离子电芯平均成本为80—105美元/kWh，电池包为90—125美元/kWh；2024年4月锂离子电芯平均成本为52—81美元/kWh，电池包为75—104美元/kWh。 报告明确指出，2021年钠离子电池相对锂离子电池的成本优势，已经因锂原材料价格快速下降而消失。部分来源将电池级碳酸锂的价格阈值设定为20000美元/吨，认为只有低于这一水平，钠离子电池才能保持成本竞争优势。不过，报告也引用制造商预期称，一旦生产规模化，钠离子电芯成本可降至40美元/kWh。这意味着钠离子电池的长期成本竞争力，很大程度上取决于规模化速度和技术进步。

这组数据反映了报告对钠离子电池市场规模的核心判断。2025年全球产能预计达到70GWh/年，2030年预计超过400GWh/年。但需求侧预测差异较大，不同来源对2030年需求的预测在50—600GWh/年之间。作为参照，整个铅酸电池市场约为400—450GWh。 报告同时给出了一个更宏观的参照系：根据IRENA的1.5°C情景，2030年全球电动汽车电池需求将达到约4300GWh/年，而钠离子电池在当前假设下仅占其中不到10%。这意味着钠离子电池在短期内难以撼动锂离子电池的主导地位。报告强调，钠离子电池不应被视为锂离子电池的完全替代品，而是一种补充技术，其长期成功取决于成本、材料供应以及锂供应链的瓶颈程度。