锂离子电池正极材料行业报告：层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝类、聚阴离子材料（17页）

行业报告下载 2022年10月31日 14:58 管理员

钠离子电池正极材料主要包括层状氧化物、普鲁士蓝和聚阴离子等。钠离子电池与锂离子电池皆采用“摇椅式”充放电工作原理，即在一定的电势条件下，客体碱金属离子在宿主材料中可逆脱出和嵌入，其中嵌入电势较高的作为正极，嵌入电势较低的作为负极，整个电池的充放电循环过程就是碱金属离子在正负极之间的往返定向迁移过程。钠离子电池的组成结构与锂离子电池完全相同，主要都包括正极、负极、电解质、隔膜和集流体等。与锂离子电池类似，正极材料是决定钠离子电池性能和成本的主要因素之一，理想的正极材料应满足还原电势高、可逆容量大、循环性能稳定、电子和离子电导率高、结构稳定安全性高、价格低廉等特点。目前来看，三种应用于钠离子电池的正极材料已进入产业化视野，即层状氧化物、普鲁士蓝和聚阴离子。钠电层状过渡金属氧化物正极材料结构与锂电三元正极结构类似，分子式为 NaxMO2，其中 M 代表镍、钴、铁、锰等过渡金属，在钠离子嵌脱过程中，利用其结构的良好可调节性，通过将不同过渡金属元素互相掺杂或取代可以制备出不同的二元、三元甚至多元的层状过渡金属氧化物。目前主流层状氧化物类型为 O3 和 P2 型，P2 型相较于 O3 倍率性能、循环稳定性更好，比容量相对较低但仍能保持在 100-140 mAh/g，产品整体综合性能较好。

普鲁士蓝类化合物之前并未在锂离子电池中使用过，作为过渡金属的氰化配位聚合物，通式为 AxM[Fe(CN)6]y∙nH2O，A 代表 Li、Na、K 等碱金属离子，M 代表过渡金属离子 Fe、Mn、Co、Ni、Cu 等。普鲁士蓝材料常温即可制作合成简单方便，理论比容量可以达到 170 mAh/g，同时其立方体的三维立方网络结构间隙位大（约 4.6 Å），钠离子在结构中拥有较大的传输通道可实现高倍率充放电。但由于其结构中的 Fe(CN)6 空位易和晶格水分子形成化合物，结晶水难以除去，使得普鲁士蓝在实际应用中容易存在比容量低、效率不高、倍率较差和循环不稳定等问题。因此，抑制普鲁士蓝类化合物结晶水产生和改善晶格缺陷是产业化应用的关键。钠离子三种技术路线各有优劣，我们认为，目前层状过渡金属氧化物有望凭借其技术成熟、较高的能量密度、低成本、设备兼容性等优点而率先量产。研发方面，钠电层状氧化物正极与锂电三元材料的研发策略相近，能量密度较高。钠电层状氧化物可一定程度上参考三元正极材料研发经验，通过元素掺杂、大单晶等锂电三元正极材料改性策略，同样可实现材料改性，提升钠电正极材料倍率性能和循环稳定性。另一方面，多金属掺杂改性可以有效解决钠离子半径较大而可能造成的多次脱嵌过程中发生相变引致结构坍塌问题。同时，目前层状氧化物正极材料平均电压为 2.8-3.3 V，比容量 100-140 mAh/g，产品整体综合性能较好，且后续通过不同过渡金属元素的协同效应，潜在比容量可达 190-200 mAh/g。

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