邱健蓄电池焦磷酸磷酸铁钠的性能与产业化进展

钠离子电池聚阴离子正极资料（含正磷酸盐、焦磷酸盐、硫酸盐、氟磷酸盐和混合磷酸盐等）^［1］因具有结构稳定可调、热稳定性好的特色，合适在大规模固定储能范畴使用。其间，焦磷酸磷酸铁钠［Na₄Fe₃（PO₄）₂P₂O₇，NFPP］，具有稳定的资料结构和优良的循环寿数（>15 000次循环），在大规模储能范畴具有较大潜力^［2］。查询文献发现经过Cu、Y、Ti、V、Li、H等阳离子^［3-8］以及F、Si等阴离子以及基团^［6，9］掺杂技能，一起选用碳包覆^［10-12］、晶型调控^［13］等改性手法，可以进步资料的电化学活性、离子电导率和电子电导率。

Jiang等^［3］发现，微量铜掺杂不只扩展了NFPP的晶格体积，而且按捺了非活性NaFePO₄杂质相的形成。此外，铜掺杂可以下降NFPP在钠化/脱钠过程中的结构改变（体积改变仅2.02%），一起减小带隙并下降离子搬迁能垒（从0.460 eV降至0.426 eV）。因此，铜掺杂的NFPP电极表现出较好的倍率功能和长时间循环功能。Ding等^［9］经过实验和理论计算表明，氟掺杂扩展了Na⁺的分散通道，减小了带隙和钠离子搬迁能垒，并进步了NFPP的本征电子电导率，掺杂物质的量比为0.075的F的样品，电化学功能明显优于未掺杂的样品。Huang等^［11］经过可扩展的喷雾干燥法组成中空微球NFPP@碳纳米管（CNT）。该NFPP@CNT复合资料具有以下优点：高导电性的CNT可明显进步资料的电子导电性，且柔性的CNT基微球结构有利于Na⁺分散，并确保资料具有较好的机械功能，以减轻循环过程中的结构退化，复合资料以5 C倍率在1.50~4.25 V循环1 000次后，仍坚持99.9%的容量坚持率。

在储能使用范畴，NFPP常常要同磷酸铁锂（LFP）竞赛，现在，LFP在比能量、本钱、安全性、工业链成熟度方面处于明显优势，已成为主流的电化学储能技能道路。针对NFPP与LFP的归纳比照，暂时短少相关文献。本文作者将从工程技能视点阐述NFPP的资料及使用发展，并重点评论NFPP与LFP在根本功能、热安全性、本钱等方面的差异，剖析并指出NFPP未来的发展方向，为NFPP在储能产品中的使用提供支撑和学习。

1 焦磷酸磷酸铁钠资料研讨发展

在电芯使用的工程技能范畴，当外形尺度固守时，电芯的容量和比能量的发挥取决于主材比容量、活性物质占比、涂布负载量面密度（单位g/m²）、极片压实密度（单位g/cm³）及均匀作业电压（单位V）等因素，一起也受到资料及电极加工性、设备兼容性及产线布局等影响，具体见表1。

表1  NFPP和LFP根本功能比照
Table 1  General comparison between NFPP and LFP

正极资料	NFPP	LFP
电压范围 / V	1.50~3.65	2.50~3.65
均匀作业电压 / V	3.1	3.2
理论容量 / mAh·g-1	129	170
理论密度 / g·cm-³	3.45	3.60
比能量 / W·h·kg-1	80~110	145~200
莫氏硬度	5.2	4.5
功率特性	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯
循环寿数	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯
温度适应性	-40~60 ℃	-20~60 ℃
稳定性[14]	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯
活化能 / eV	1.02[15]	0.26~0.56[16]
热失控T3 / ℃	303.5[15]	429.0[17]
代表企业	珈钠、璞钠、华钠新材、钠创、容百科技、万润、启钠新能源	湖南裕能、德方纳米、万润新能、龙蟠科技、友山科技、江西升华、国轩高科、融通高科等

注：  ✯表明功能能力指数，数量越多则表明能力越强。

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从表1可知，NFPP与LFP相比，在比能量方面存在缺乏。为进步NFPP比能量，可从进步资料比容量、进步极片涂布面密度及进步极片压实密度等方面进行改进。Jian等^［13］经过微观晶型调控手法将NFPP的比容量进步至130 mAh/g。但晶型调控属于微观资料层级的改进，难以继续经过加工技能从制作视点进一步进步比能量。谢伟超等^［18］结合钠离子电池的作业原理以及材料结构与功能的联系，对不同聚阴离子正极资料的研讨发展进行综述，指出各类资料的缺乏并给出可行的改进手法。

2 焦磷酸磷酸铁钠电池研讨及使用发展

2.1 根本功能比照

现在钠离子电池国家规范和锂离子电池国家规范均已相对完全。表1中的部分功能目标（如热稳定性、循环寿数及倍率功能）测验办法参阅相关国家规范执行。钠离子电池储能设备的热稳定性、循环寿数及倍率功能测验均参阅GB/T 44265—2024《电力储能电站 钠离子电池技能规范》^［19］，其间，热稳定性参阅6.7.4.2.1初始热失控实验，循环寿数参阅6.6.2.1电池单体循环功能实验，功率特性参阅6.4.3.1电池单体倍率充放电功能实验。锂离子电池国家规范参阅GB/T 36276—2023《电力储能用锂离子电池》^［20］，热稳定性参阅6.7.4.2.1初始热失控功能实验，循环寿数评估参阅6.6.2.1电池单体循环功能实验，倍率功能测验参阅6.4.3.1电池单体倍率充放电功能实验。

从表1比照来看，NFPP具有比LFP更宽的电压窗口和温度窗口，一起活化能更高，热失控最高温度更低，安全性更好；另一方面，NFPP比能量偏低，且工业链成熟度不及LFP，2024年磷酸铁锂总出货量250万t，其间湖南裕能以挨近70万t的出货量占全球LFP市场份额第一位，占整体市场份额高达28.8%，而2024年NFPP出货量位居职业第一的珈钠能源，整体出货量仅千吨，其NFPP市场份额全球NFPP市场份额超越50%。

2.2 热稳定性比照

NFPP与LFP的热稳定性比照见表2。

表2  NFPP与LFP的热稳定性比照
Table 2  Thermal stability comparison between NFPP and LFP

项目	晶体结构[19]	热失控开始温度区间[6]	放热量（DSC测验）[20]	氧气开释危险
NFPP	三维框架结构，包含[PO4]3-和[P2O7]4-多阴离子基团，Fe－O键和P－O键协同增强稳定性	250~350 ℃	50~80 J/g	无
LFP	橄榄石结构，强共价键P－O键（键能≈946 kJ/mol）提供高温稳定性	200~300 ℃	100~150 J/g	磷酸铁锂在高温下热稳定性较高，分化温度为500~700 ℃，分化时不开释氧气，首要产生H2、CO2、CO等可燃气体，释氧危险低

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NFPP因［P₂O₇］^4-基团和三维框架结构，理论热稳定性优于LFP，放热开始温度比LFP高50~100 ℃。安全性方面，二者均无氧气开释，但NFPP放热量更低，钠离子电池体系电解液副反应更少。使用成熟度方面，LFP已经经过20 a验证，成熟度更好。整体来说，NFPP在资料本征安全性上略胜LFP，但LFP凭仗成熟的工程解决方案，仍是当前主流挑选，未来，NFPP更合适对本钱灵敏且安全性要求极高的场景，如大规模储能。

2.3 LFP本钱比照

NFPP与LFP单体电芯本钱比照见表3。

表3  NFPP与LFP单体电芯本钱比照
Table 3  Cost comparison between NFPP and LFP single battery

项目	LFP/Gr		NFPP/HC
资料体系	LFP	Gr	NFPP	HC
比容量 / mAh·g-1	145	360	110	366
单体电压 / V	3.2		3.1
面密度 / g·m-2	360	164	240	80
压实密度 / g·cm-3	2.45	1.45	1.80	0.91
活性物质占比 / %	97.5	95.5	96.0	93.6
额外容量 / Ah	314		180
额外能量 / W·h	1 004.8		518.4
电芯质量 / kg	5.56		4.79
比能量 / W·h·kg-1	185		110
BOM本钱 / 元·(W·h)-1	0.247 9		0.517 4
制作良品率 / %	95		95
人制费本钱 / 元·(W·h)-1	0.087		0.017
单体总本钱 / 元·(W·h)-1	0.348		0.715[21]

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从表3可知，在几许外形尺度相同的情况下，LFP电池比能量为185 W·h/kg。LFP电芯物料清单（BOM）本钱约0.25元/（W·h），NFPP比能量为110 W·h/kg，电芯BOM本钱约0.52元/（W·h）；NFPP比能量到达LFP的60%，但BOM本钱却是LFP的208%，总本钱约为LFP的205%（NFPP资料含税单价参阅值为61万/t，负极硬碳为49万/t）。NFPP要与LFP竞赛，必须要在使用层面寻觅突破口，从超长循环寿数、极致安全等方面挖掘潜力，并在迭代过程中下降制作本钱。

2.4 封装方法与NFPP选型

对不同外形封装尺度下的比能量、内阻（跟功率特性和发热相关）、倍率特性（功率特性相关）、电芯封装难易程度、PACK出产难易程度、使用范畴等6个维度进行比照剖析，见表4。

表4  外形与封装尺度比照
Table 4  Comparison of form factor dimension and package size

项目	能量密度	内阻	倍率功能	电芯封装难易程度	PACK难易程度	使用范畴
方形	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯
圆柱	✯✯✯✯	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯✯✯
软包	✯✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯✯	✯✯✯	✯✯✯✯

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比能量：在同一化学体系和几许尺度下，软包电芯比能量最高；大方形电池和大圆柱电池可经过做大尺度进一步增大能量密度，潜力巨大；内阻：圆柱外壳可完成全极耳焊接，电子途径短，内阻相对较小，发热情况最轻；电芯封装难易程度：方形外壳和圆柱外壳均可运用激光封装和氦气检验工艺，软包热封工艺简单导致电池漏液，且无法选用氦检工艺，存在安全隐患。PACK难易程度：方形PACK利于模组堆垛和连接，同一能量等级下，圆柱电池整体数量更多，软包电池需求额外支撑骨架，会增加PACK难度，刀片电池侧边焊接难度较大；使用范畴：方形电芯使用范畴最广，在电网储能、动力电池及消费类电子等方面均有使用，圆柱电芯在A0级以下动力电池、消费类电子方面使用广泛，软包电芯在消费类电子、动力电池方面使用较多。

剖析可知，方形（包含刀片电池）和圆柱（全极耳设计）两种形状与钠离子电芯的特性更匹配，可以更好地将钠离子电池的大倍率充电、减少散热的特性发挥出来，方形电池不只能在储能端使用，一起可以在动力电池方面发挥其低产热特性，结合叠片技能还可完成低产热和大功率作用；全极耳圆柱电池因其言简意赅且拼装方法灵活，合适使用于小动力、两轮车、动力车载电源、启停电池动力方向，由于全极耳缩短了电子途径，还可在瞬时大倍率、启停、极限低温范畴使用。

3 焦磷酸磷酸铁钠工业化发展

NFPP首要研制企业见表5。

表5  NFPP首要研制企业
Table 5  Enterprises for research and design NFPP

企业	技能道路	核心产品	功能亮点
海辰储能	聚阴离子	∞Cell N162Ah	0 V存储，45 ℃以0.5 P倍率在2~4 V循环20 000次，容量坚持率92.5%
维科技能	聚阴离子	S180/S60	比能量110 W·h/kg，模块化设计
希倍动力	聚阴离子+高功率	SIB-P10-46Ah	10 C倍率，-40 ℃放电80%
比亚迪	聚阴离子	200 Ah电芯	0.5 P倍率在2~4 V循环10 000，安全性优于锂离子电池
中科海钠	NFPP	NFPP160Ah	-30 ℃放电96%能量，0.5 P倍率在1.5~3.5 V可循环15 000次

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2024—2025年为聚阴离子钠离子电池的爆发期，GW·h电池级别的量产推动本钱逼近0.4元/（W·h），在储能范畴替代LFP的进程加速。企业需在“寿数-功率-本钱”三角中寻觅差异化定位，如海辰主打寿数、希倍专注功率。2026年钠离子电池在储能细分场景的渗透率有望超30%，但需配套资料回收与国际规范（如IEC规范、固态钠电规范等）以支撑全球化。

产品方面，海辰储能推出了162 Ah的NFPP体系电池，凭仗高安全功能主攻电力储能场景。

希倍动力第二款高功率钠离子电芯-SIB-P10-46Ah批量下线，电芯容量为46 Ah，选用聚阴离子正极与硬碳负极技能道路，并融入了公司自研的高熵超离子导电正极资料和多孔三维快电子导电网络电极等核心技能，使得电池最大充放电倍率到达10 C以上。

比亚迪的低本钱长寿数聚阴离子钠离子电池完成了200 Ah的电芯容量、超10 000次的循环功能，其安全性、功率性、高低温功能等均优于锂离子电池。

维科技能在2024起点钠电职业年会上发布了两款全新聚阴离子钠电池产品：S180系列与S60系列。S180系列为方形电池，类型NFPP-72173207，容量180 Ah，S60系列相同为方形电池，类型NFPP-50160118，容量60 Ah。两款聚阴离子钠电池在多个要害目标上到达了职业领先水平。此外，S180电芯比能量达110 W·h/kg，S60电芯为105 W·h/kg，在确保安全的前提下大幅进步了能量输出与倍率功能，满足多元化储能场景的高效使用。

中科海钠达已完成了NFPP160Ah产品工业化批量出产，电池在室温下，以0.5 P稳定功率在1.50~3.45 V的放电能量为458 W·h（见图1），比能量≥110 W·h/kg，能量功率≥95.5%；在5 ℃下以0.5 P充放电的能量功率≥88.5%，45 ℃下的能量功率≥98.3%，在-30 ℃下，以0.5 P放电时，放电能量为室温初始放电能量的96%，存储功能较好，可完成零电存储6个月容量零衰减，循环功能良好，在15 000次长时间循环后能够坚持80%SOH，可经过GB44265-2024热失控及GB44240针刺等严苛测验。

图1  中科海钠NFPP电芯室温0.5 P充放电能量特征曲线

Fig.1  The room temperature 0.5 P charge-discharge energy characteristic curve of the NFPP cell from HiNa Battery Technology Co.， Ltd.

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上海璞钠能源科技有限公司最新推出的“璞实”系列电池，压实密度到达2.4 mg/cm³，使用了璞实1号（NFPP资料称号）的71173型钠离子电池，单体容量由170 Ah进步至190 Ah，大幅下降了电芯的瓦时本钱。

4 要害应战和改进途径

虽然在学术界已经为NFPP资料改进及电池功能进步夯实了理论基础，但针对NFPP的工业化之路仍任重道远且未来充满应战（如比容量较低、压实密度有待进一步进步、封装结构仍未一致等）。针对NFPP的工业化之路从未中止，从工业视点动身，对NFPP改进进步的建议如下：

（1）进步NFPP比容量和压实密度是进步其比能量的重要手法。但由于NFPP较LFP莫氏硬度更高，进步压实密度之后可能会影响资料的微观形貌及电化学功能，需求采取的办法包含但不限于：选用无定形软碳包覆，缓解高压密下的刚性脆裂；选用梯度辊压工艺改进压实密度；选用塑性黏结剂填充高压密资料孔隙；选用干法电极工艺进步正极压实密度等。

（2）NFPP与LFP相比具有更好的稳定性和热安全功能，但单价也更高，面对LFP的竞赛，NFPP需求经过资料改进、工艺进步以及扩展工业规模进行提质降本。

（3）外形封装方面，NFPP合适选用全极耳卷绕工艺进行圆柱电芯制作，在高功率、高倍率启停范畴发挥其独特优势；而面对规模化储能，NFPP宜选用叠片工艺制作成大方形或刀片结构的电池，以进一步进步比能量，下降本钱。

5 结论

NFPP因工业链没有成熟，价格较LFP现在不具备优势。长时间来看，NFPP工业链稳步成熟后，本钱将有所下降，且NFPP在低温放电、安全功能等方面优于LFP，在国家战略级储能、超级算力中心、应急电源（UPS）等使用场景下，NFPP优势更明显。而现在，在寻求低温功能和安全功能的场景中，对价格不灵敏的企业可以考虑使用NFPP替代LFP。