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    行業新聞

    鈉電池的產業化加速,有望補充或替代鋰電池產業鏈。

    1。鈉離子電池和鋰離子電池是雙胞胎,有很好的產業化基礎。1.鈉離子電池和鋰離子電池的結構和原理相似。鈉離子電池是一種類似于鋰離子電池的搖椅式二次電池。鈉離子電池和鋰離子電池屬于搖椅電池,主要包括正極、負極、電解液、隔膜、集流體五個部分。技術難點集中在正極和負極材料上。其工作原理是鈉離聚物在正負極材料中的嵌入和脫嵌,從而實現能量的充放。電池充電時,鈉離子通過隔膜從正極向負極遷移,正極中的部分鈉離子脫嵌到電解液中,電解液中的部分鈉離子嵌入石墨或硬碳材料的晶格間隙中。反之,放電時,負的鈉離子脫嵌,正的鈉離子嵌入,鈉離子由負向正遷移。鈉元素和鋰元素的物理化學性質不同,電池性能也不同。第一,鈉離子的半徑比鋰離子的半徑大,增加了插入/取出層狀正負極材料的難度。在常見的層狀金屬氧化物材料中,鈉離子只能嵌在八面體間隙中,而鋰離子可以同時嵌在四面體和八面體間隙中,這使得鈉離子正極材料缺乏能量密度。同時,鈉離子很難嵌入負極的石墨片之間,這使得鈉離子電池必須采用其他負極材料。其次,鈉離子的第一電離能更低,使得鈉離子在低溫下更加穩定,不易析出枝晶,為鈉離子電池帶來更加優異的安全性、穩定性和低溫性能。第三,鈉離子較高的摩爾電導率使得鈉離子電池所需電解液的濃度較低,對添加劑的要求也較低,鈉離子電池的電化學性能略好于鋰離子電池。鈉離子電池的技術和鋰離子電池差不多,研發和生產投入小。一方面,鈉離子電池和鋰離子電池的技術在很多環節是相似的,生產線可以互相交換,需要的額外成本較少。鈉離子載體電池的層狀氧化物正極材料和三元鋰正極材料采用燒結工藝,設備可以通用。同時,隔膜和電池的制造工藝也非常相似。另一方面,鋰離子電池發展多年,行業技術積累深厚。多種材料為鈉離子電池材料提供了創新思路,可以使其R  & ampd成本低于同階段的鋰離子電池。1.2.碳酸鋰價格居高不下,鈉電原料易得,成本低,鈉資源供需關系穩定,價格波動小。地殼中鈉的含量很高,地殼的豐度是鋰的1000多倍。隨著新能源產業的蓬勃發展,電池級碳酸鋰的價格持續上漲。WIND統計數據顯示,自2022年以來,碳酸鋰的平均單價一直高于40萬/噸,而與之對應的鈉化電池原料輕質純堿卻一直維持在0.2-0.4萬元/噸,不到前者的1%。由于下游鋰電池產能激增,碳酸鋰供需關系持續緊張,低品位鋰礦開采成本上升,未來鋰價將繼續攀升。在碳酸鋰供應緊張的情況下,鋰電池正極材料和電解液的產量很容易受到上游原材料價格變動的沖擊。相反,純堿資源極其豐富,涉及行業眾多,開采成本在可預見的未來不會上漲。因此,鈉資源的供需關系更加穩定,不容易出現供應缺口。鈉離子電池下游廠商的原料供應有充分保障。的分布

    1.3.近年來,鈉離子電池技術突破頻繁。新材料有助于提高鈉離子電池的性價比由來已久,最近十年發展迅速。20世紀70年代,鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時被發現,隨后幾十年鈉離子電池進展緩慢。2010年后,學術界開始越來越重視鈉離子電池相關材料的研究,論文數量持續上升,在2020年左右達到高峰,期間各類正負極材料及其技術路線的研究開始推進。2020年后,鈉離子研究的熱度開始下降,呈現出技術成熟、初步商業化的特點。2011年,全球第一家專業生產鈉離子電池的公司Faradion在英國成立;2017年,國內首家鈉離子電池專業制造商中科海納成立,隨后不斷取得商業化成果,開啟了鈉離子電池產業化之路。各個環節的技術不斷突破,鈉離子電池的性價比優勢凸顯。近年來,鈉離子電池在基礎技術上頻頻取得突破。對當代安培科技有限公司普魯士藍陰極的工藝進行了優化,選擇了最佳的材料粒度和碳涂層,提高了放電功率。中科院物理所團隊發明銅基陰極材料,探索下一代高熵陰極材料,通過無煙煤裂解技術獲得軟碳陰極材料;工藝團隊在聚陰離子正極材料中使用鋁代替釩,提高了性能,降低了成本。2.鈉電池成本低,正負極和鋰電池有區別。2.1.鈉離子電池的成本低于鋰電子電池。由于嵌入效率低,鈉電池的能量密度受到影響,但成本優勢明顯。鈉離子電池的正極材料不需要昂貴的鋰鹽,銅基正極材料也可以避免昂貴的過渡金屬化合物。國藥數據顯示,鈉離子電池銅基負極比磷酸亞鐵鋰負極成本可降低近60%。同時,由于鈉和鋁的合金化反應不容易,集流體可以全部用鋁箔代替銅箔,成本可以降低近70%。另外,鈉離子電池的負極材料可以通過加工低價無煙煤獲得,隔膜與鋰離子電池類似,基本維持與鋰離子電池類似的成本。據SinoTech海納綜合測算,鈉離子電池比性能相近的磷酸鐵鋰電池成本可降低30%-40%左右;目前鈉離子電池的制造工藝還不完全成熟,制造規模較小。其制造成本約為1元/Wh,相當于三元鋰電池。據SinoTech海納預測,在規模效應的加持下,鈉離子電池的成本有望進一步降低至0.2~0.3元/Wh。2.2.鈉電池的三種正極材料線各有所長鈉離子電池正極材料主要包括層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍 類似物三大路線。已發現的層狀金屬氧化物正極材料包括 NaFeO2 等 O3 構型材 料, Na2/3MnO2 等 P2 構型材料,以及具有更復雜構型的混合材料;普魯士藍類 似物主要包括普魯士藍、鐵基/錳基普魯士白等;聚陰離子類正極材料分為 Na4MnV(PO4)3 等 NASICON 型材料,以及 Na3(VOPO4)2F 等氟磷酸鹽型材料。 已經商業化的正極材料覆蓋各個類型,其性能、成本各不相同。從性能角度來看, 普魯士藍類似物和層狀氧化物的理論能量密度更高;從成本看,層狀氧化物材料 價格最為低廉。其余幾類材料中,隧道型氧化物、非晶態化合物理論能量密度較 低,實用性差;有機正極如 Na2C6O6,其能量密度很高,但工作電壓很低,阻礙 了進一步的發展和應用。(報告來源:未來智庫)2.2.1、 層狀過渡金屬氧化物原材料易得、成本低層狀氧化物材料譜系廣泛,性能潛力空間大。過渡金屬氧化物是一類最為常見的 鋰離子電池正極材料,三元鋰電正極材料即屬此類。過渡金屬氧化物分為隧道型 和層狀型兩種,前者性能潛力遠不如后者,主要系層狀結構利于鈉/鋰離子更好 地嵌入金屬氧化物,從而提升其比容量和能量密度。基于與三元鋰離子電池正極 材料相同的原理,鈉離子電池可以采用類似結構的材料 NaxMO2,其中 M 一般 為鎳、鈷、錳等過渡金屬元素。根據材料的晶胞構造與鈉離子嵌入形式,該類材 料又可細分為 O3、P2、P3 三個亞型及混合型,其中 O3、P2 構型最為常見。 由于不同過渡元素的配比可誕生極多種材料構型,可挖掘潛力大,層狀金屬氧化 物一直以來都是科學研究的重點。層狀氧化物路線可變因素較多,潛力空間大。 據胡勇勝團隊研究顯示,P2 構型的 Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2 材料具有高可逆氧變價 特性,理論最高能量密度可達 700Wh/kg,最高可逆比容量 270mAh/g。層狀氧化物材料譜系豐富,原材料易得。英國鈉離子電池生產商 Faradion 是世 界最早開始鈉離子電池商業化的公司之一,始終采用層狀正極氧化物路線,擁有 AxMyMiziO2-d 過渡元素型層狀金屬氧化物專利,其中 A 為以鈉為主導的堿金屬合 金, M 為鎳、錳、鐵、鈷之一,Mi 可能為鎳、鐵、鈷、錳、鈦等幾十種元素的 組合,其中較為常用的如 NaNi0.5Ti0.5O2-d 等。Faradion 的專利內容也充分體現 了層狀氧化物材料譜系豐富的特點,其元素組成靈活多變,性能各異,一方面有 望為不同應用場景提供各種解決方案,另一方面通過所用金屬元素的改進可以不 斷降低成本。同時,層狀氧化物制備方法簡單,主要為燒結等熱處理工藝,該工 藝與三元正極制備方法十分類似。

    2.2.2.普魯士藍類似物能量密度高,普魯士藍類似物潛力突出,能量密度與磷酸亞鐵鋰相當。普魯士類似物開放的三維結構和豐富的鈉離子存儲位點使其具有優異的電化學性能和高能量密度。根據唐等人2020年的工作,普魯士藍正極材料在實驗室可測量的能量密度在111Wh/kg以上;S. He(2022)等研究表明,一種新型鐵基普魯士白(NaMHCF)的能量密度至少可以達到182Wh/kg。根據當代Amperex科技有限公司鈉離子電池發布會,商用鈉離子電池單體能量密度最高可達160Wh/kg,與主流磷酸亞鐵鋰正極材料性能基本相當。下一代鈉離子正極材料能量密度有望達到200Wh/kg,趕上了磷酸亞鐵鋰主流正極材料的發展規劃。2.2.3.聚陰離子化合物穩定性高,倍率性能有待提高。聚陰離子化合物具有很高的結構穩定性和安全性,其倍率性能限制了其實際應用。與其他正極材料相比,聚陰離子化合物(含有四面體或八面體陰離子結構單元(XOm)n-(X=P,Si,B等的一系列化合物。)由于陰離子骨架網絡的高穩定性,具有良好的結構穩定性和安全性能。但聚陰離子化合物最大的缺點是電子電導率和離子擴散系數很低,導致電化學反應極化大,降低了倍率性能,限制了實際應用。在實驗室中,鋁元素取代了釩,新材料的效率顯著提高。2021年,趙俊梅團隊在三元磷酸鹽正極材料Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3的研發上取得突破,進而用鋁代替釩,進一步降低成本。據團隊介紹,鋁錳釩磷酸鈉的成本比磷酸釩鈉低44%,比磷酸錳釩鈉低10%。同時,兩種鋁錳釩磷酸鈉材料的能量密度分別達到224 Wh/kg和232Wh/kg,遙遙領先于前人的研究成果,打開了磷酸鹽聚陰離子化合物的應用窗口。2.3.負極材料以碳基為主,鈉離子電池負極材料以碳基為主。鐵基材料和鈦酸鈉都有潛力。方等研究表明,鈉離子電池的負極材料主要是硬碳和軟碳材料,還包括鈦酸鈉等插層化合物、四氧化三鐵等轉化化合物、單質金屬和合金材料等。在所有已發現的負極材料中,除碳基和鐵基負極外的其他材料可能具有更高的可逆容量和能量密度,但單價過高,不適合商業化應用。其中鐵基材料,如硫化亞鐵、四氧化三鐵等價格低廉,偶有市售,但技術成熟度不如碳基材料。碳基材料中,鋰離子電池常用的石墨材料無法有效嵌入鈉離子,改良后的石墨材料仍處于實驗室研究階段,尚未應用。目前主流的碳基負極材料是各種硬碳材料,價格和性能與鋰離子電池石墨負極基本相同。2.3.1.硬碳路肩性能優于石墨硬碳路線,價格降低后更有應用潛力。2003年,Dahn等人通過碳化葡萄糖獲得了一種內部結構無序的硬碳材料。鈉離子可以嵌入材料中的納米空腔,形成所謂的“紙牌屋結構”,可逆比容量為300mAhg-1。隨著硬碳材料的不斷發展,其比容量不斷上升,已知最高容量可達478mAhg-1。但由于硬碳比石墨的加工要求更高,其價格偏高,一般在10-20萬/噸左右,常被用作鈉離子電池的高性能負極材料。在未來,努力的代價

    由于鈉離子體積較大,難以嵌入石墨層間的空隙中,所以石墨不能直接作為鈉離子電池的負極。1994年,Doeff提出了一種熱處理工藝,可以用石油焦或乙炔黑代替石墨用于鈉離子電池負極,填充鈉離子分別形成NaC30和NaC15。化合物中鈉離子的密度優于對照組的石墨材料(NaC70),雖然不如鋰電池的石墨材料,但將其應用于鈉離子電池負極初步可行。3.鈉離子電池市場空間廣闊,涵蓋兩輪儲能。3.1.電化學儲能市場空間巨大。電化學儲能發展迅速。2025年,鈉離子電池需求將催生200億元以上的大市場。據CNESA統計,2020年,全球電化學儲能項目新增裝機容量將達到4.7GWh,2021年7月,國家發改委和國家能源局聯合發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意 見》,提出到2025年實現累計裝機容量30GWh的目標。假設2021-2025年復合每年增長60%,我們預計2025年我國電化學儲能總規模將超過34GWh。假設(1)搖椅二次電池(鋰/鈉離子電池)在電化學儲能領域的占比與2020年持平,約為92%;(2)鈉離子電池普及率100%;(3)鈉離子電池成本和毛利率接近現有磷酸鐵鋰電池,其中成本0.6元/Wh,毛利率20%;可以預計,2025年鈉離子儲能電池市場規模將超過230億元。鈉離子電池電化學性能穩定,安全性較好。鈉是與鋰并列的第一主族元素,其特點是一價正離子穩定性好,溶液電導率高。相比之下,鈉的原子數更高,原子和離子的半徑更大,電負性和一次電離能更低,使得鈉離子的穩定性更好,離子電導率更高。鈉離子的穩定性和高導電性也為鈉離子電池帶來了更好的快速充電和低溫運行性能。鈉離子的摩爾離子電導率更高,使得充電效率更高;同時,鈉離子更高的穩定性使得鈉離子電池以更高的功率充電,不易造成電池損壞或安全事故。此外,鈉離子電池在運行時內電阻稍高,若遭遇短路,發熱量更小,溫升 更低,減少了事故發生率。鈉離子的穩定性還使得鈉更難以在低溫下析出,使其 具備優于鋰離子電池的低溫安全性;據寧德時代鈉離子電池發布會披露,在零下 二十度的高寒環境下,鈉離子電池的放電保持率可以接近 90%,而據鉅大鋰電 描述,鋰離子電池在零下二十度往往只能獲得 70%~75%的放電。在高寒地區或 冬季使用鈉離子電池可以保證電動車的最高速度、續航里程,也可以加強儲能電 站對氣溫干擾的抵抗能力,提高其運行的穩定性。3.2、 鈉電池在 A00 級及兩輪車領域亦有看點電動兩輪車領域性能成本不輸鉛酸電池。傳統電動兩輪車市場主流電池為鉛蓄 電池,近年來由于鋰電池成本的下降,其滲透率正逐年上升。據艾瑞咨詢統計, 兩輪車用鋰電滲透率已連續 5 年每年至少提高 2 個百分點,2021 年滲透率為23.4%。參考 EVTank 相關預測,在鋰電滲透率持續增長的情況下,用于電動兩 輪車的鋰電規模將穩步上升;基于上文相關假設,我們預測 2025 年兩輪車用鋰 電總需求量將超 27GWh,其市場規模將接近 200 億元。鈉離子電池的出現使得 鉛蓄電池的成本和鋰離子電池的性能得以兼顧,未來有望成為電動兩輪車市場主 流產品,催生百億規模的鈉離子電池市場。A00 級純電乘用車銷量飆升,鈉離子電池有望加速滲透這一重性價比領域。2018 年以來,新能源車基本占領了 A00 級乘用車市場,且 A00 級乘用車占新能源車 出貨量的比例越來越高。WIND 數據顯示,2021 年隨著新能源乘用車銷量強勢 上漲,A00 級純電乘用車銷量也同步上漲,且其占純電汽車銷量的比例由 2019 年的 27%,2020 年的 33%再次上升,達到 36%,充分說明了 A00 級乘用車產 品在新能源汽車市場中的重要地位。由于 A00 級乘用車對動力要求較低,鈉離 子電池完全可以滿足,未來 A00 級純電汽車中使用低成本鈉離子電池的比例將 不斷上升。2021 年 A00 級新能源車市場規模約 300-400 億元,其中 A00 純電 市場近 100 億元,鈉離子電池大有可為。(報告來源:未來智庫)4、 鈉離子電池產業化加速,先行者將受益鈉電產業化提速,鈉離子電池產品接連發布。目前我們統計到至少 9 家公司已經 研發出可用的鈉離子電池產品,其中以中科海鈉、寧德時代的技術為最領先。據 超凡網統計,截止 2021 年 11 月已生效的鈉離子電池專利中,中科院物理所擁 有 67 個,中科海鈉 18 個,寧德時代 32 個。按類型來看,最重要的正極材料部 分專利數量最多為 79 個,其中中科院物理所與中科海鈉偏重過渡金屬氧化物, 共申請相關專利 25 個;寧德時代目前傾向于普魯士藍類似物路線,相關專利共 16 個,另有其他正極相關專利 9 個。依托中科院物理所技術的中科海鈉公司于 2017 年推出首款鈉離子電池,該電池 以成本優勢見長。一方面,通過銅基正極的研發,盡可能避免了過渡元素化合物 的使用,進一步降低了正極成本;另一方面,使用無煙煤裂解生產軟碳負極,解 決了鈉離子電池負極成本比例偏高的問題;同時,將負極集流體替換為鋁箔,減 少了使用銅箔帶來的成本。寧德時代于 2021 年 7 月公布的第一代鈉離子電池則使用了已知理論能量密度 最高的錳基普魯士白材料,實現了最高的有效能量密度。寧德時代認為層狀氧化 物和普魯士白兩種正極材料最具商業前景,正同步推進兩條技術路徑。其中以普 魯士白為正極的第一代鈉離子電池除比肩磷酸鐵鋰電池的質量能量密度外,還包 括以下優勢性能。第一,電池具有優秀的低溫放電保持率,即在-20℃的低溫下 仍可保持 90%以上的放電率;第二,良好的快充性能,常溫下 15 分鐘可充電 80%;第三,較高的系統集成效率,系統集成率達 80%;第四,與鋰電池的兼容 性,其提出的 AB 電池方案可以綜合鈉鋰電池的優勢,在低溫等場景下提高鈉離 子電芯的使用強度,在其余場景下提高鋰離子電芯的使用強度,降低電池成本的 同時不影響電池整體性能。上市公司積極布局鈉離子電池,覆蓋正極負極等多個生產環節。目前已有多家上 市公司存在鈉離子電池產業鏈相關布局,包括電芯電池、正極材料、負極材料、 電解液、隔膜、補鈉技術、電池生產設備等各個環節。電芯方面,三峽能源與中 科海鈉合作已建成全球首條 1GWh 級規模化生產線;正極材料方面,振華新材 已具備層狀氧化物材料千噸級生產能力;容百科技也已具備噸級生產能力,正與 下游客戶繼續合作開發。負極材料方面,杉杉股份的硬碳石墨復合材料已進入中 試階段。(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)精選報告來源:【未來智庫】。(報告制作人/作者:國海證券,李航)

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