2022年鈉離子電池行業(yè)研究

1、2022年鈉離子電池行業(yè)研究1.鈉離子電池原理及市場空間測算鈉離子電池工作原理與鋰電池一致鈉離子電池由來已久，與鋰離子電池原理相同。鈉離子電池最早由ARMAND團隊于20世紀80年代提出，在90年代經(jīng)過產(chǎn)業(yè)化推廣得到技術應用。鈉離子電池本質 是在充放電過程中由鈉離子在正負極間嵌入脫出實現(xiàn)電荷轉移、而鋰離子電池是通過鋰離子在正負間移動來進行電荷轉移，工作原理實質上相同的。從材料體系來看，除了隔膜以外，其他各材料組分均有明顯變化，特別是正極和負極材料變化明顯。鈉電池生產(chǎn)工藝與鋰電池相似生產(chǎn)工藝方面：鈉離子電池生產(chǎn)工藝同鋰離子電池類似，主要包括極片制造（正負極攪拌制漿料-烘干-涂布等）和電池裝配（輥

2、壓-模切-卷繞/疊片-入殼-封 裝-化成-分容分選等），主要區(qū)別在于鈉離子電池可采用鋁箔作為負極集流體，因此正、負極片可采用相同的鋁極耳，極耳焊接等相關工序可以更加簡化。因 此，鋰離子電池現(xiàn)有的電池組裝生產(chǎn)線稍加修改即可用來生產(chǎn)鈉離子電池，發(fā)展鈉離子電池的重置成本很低。鈉離子電池優(yōu)勢資源豐富鈉資源豐富：鈉元素在地殼中豐度為2.3%，位居所有元素第六位，顯著高于鋰元素的0.0017%。陳立泉院士表示目前全球探明的可供開采的鋰資源儲量僅能滿足 14.8億輛電動汽車，隨著全球電動化加快，鋰資源短缺壓力進一步體現(xiàn)。鈉資源分布更均勻：據(jù)美國地質調查局2019年報告顯示，南美洲國家阿根廷、智利、玻利維亞三

3、國鋰資源儲量在全球中占比達到52.10%，中國鋰資源儲量占比僅 為7.26%，資源分布極度不均勻。中國所需60%以上鋰原料均需要進口，對外依存度高。鈉元素以鹽的形式廣泛存于陸地與海洋中，獲取便捷度高。成本低鈉離子電池成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：1）鈉鹽替換鋰鹽。金屬鈉價格為1.9萬元/噸、碳酸鈉價格為0.3萬元/噸，顯著低于金屬鋰的298萬元/噸、碳酸鋰的48.4萬 元/噸，原材料價格更為低廉。2）鋁箔替換銅箔。假設銅箔價格為11萬元/噸、鋁箔價格為4萬元/噸，假設1GWh鋰電池需要622噸銅箔、400噸鋁箔，1GWh鈉離 子電池需要800噸鋁箔，那么鋰電池單Wh集流體成本為0.084元、鈉電池單Wh

4、集流體成本為0.032元，成本下降0.052元/Wh。3）石墨負極有望更換為無煙煤降低 成本。根據(jù)中科海鈉數(shù)據(jù)，鈉離子電池材料成本約0.37元/Wh，顯著優(yōu)于磷酸鐵鋰和三元鋰電池體系。安全性高鈉離子電池具有更為優(yōu)異的安全性能： 鈉離子電池內阻高，在電池短路時電路中電流更低，瞬間發(fā)熱更少。 鋰的標準電極電位更負，在水溶液里表現(xiàn)更為比鈉更容易失電子，因而鈉離子電池具有更高的穩(wěn)定性。 鈉離子電池經(jīng)歷短路、針刺、擠壓等測試后，無起火、無爆炸。鋰離子電池存在過放電的問題，會造成銅箔等集流體溶解、電池容量不可逆衰減；而鈉離子電 池無過放電情況，正極可以放電至0V而不影響后續(xù)使用，進而使得電池在儲存運輸過程

5、中更具安全性。同時，鈉電池在熱失控時容易鈍化失活，因而安全測試 表現(xiàn)更優(yōu)。低溫性能佳&倍率性能好率性能優(yōu)異：鈉離子溶劑化能低于鋰離子，界面離子擴散能力強,且鈉離子斯托克斯半徑小，相同濃度電解液情況下較鋰鹽電解液離子電導率更高，快充性 能更好。根據(jù)寧德時代數(shù)據(jù)，鈉離子電池能夠在15min內充電至80%，中科海鈉則提出其電池能夠在12min內充電至90%，充電速度均明顯優(yōu)于正常狀態(tài)下鋰離子 電池30min充電80%的充電速度。低溫性能優(yōu)異：鈉離子離子電導率高，電解液的濃度要求更低，低溫時電解液粘度比鋰離子電池更低，電池整體性能更為優(yōu)異。鈉離子電池正常工作溫度范圍 在-40-80，部分產(chǎn)品在-20下

6、容量保持率能夠達到88%，顯著優(yōu)于磷酸鐵鋰60-70%左右的容量保持率。鈉離子電池不足：循環(huán)壽命、能量密度尚有改善空間循環(huán)壽命：鈉離子電池現(xiàn)在整體循環(huán)壽命在2000次左右，比磷酸鐵鋰電池表現(xiàn)略差，相較于部分用于儲能領域的循環(huán)壽命超5000次的磷酸鐵鋰電池而言仍有一 定差距。能量密度：鈉創(chuàng)新能源鈉離子電芯能量密度超130Wh/kg，立方新能源產(chǎn)品電芯能量密度為140Wh/kg，中科海鈉產(chǎn)品能量密度為145Wh/kg，仍有進一步優(yōu)化的空 間。全球鈉離子電池市場空間測算我們預計2025年全球儲能電池需求為342GWh，假設2025年全球儲能領域鈉電池滲透率5%，儲能領域鈉電池需求量為17GWh； 我

7、們預計全球電動二輪車領域鈉電池需求量5GWh，電踏車市場鈉電池需求量為0.91GWh； 合計全球鈉電池2025年需求為23GWh，假設單位價格0.6元/Wh，2025年鈉電池市場空間為138億元。2.鈉離子電池材料屬性鈉離子電池正極材料路線百花齊放鈉離子電池正極體系按照晶體結構，可區(qū)分為氧化物類（層狀結構和隧道結構）、普魯士藍類、氟化磷酸鹽類、磷酸鹽類、硫酸鹽類等，其中層狀氧化物、聚 陰離子類以及普魯士藍類是主流三種正極路線。目前主流三種方案各有優(yōu)劣，預計短期內技術路線仍呈多樣化發(fā)展態(tài)勢。 層狀氧化物（錳酸鐵鈉、鈦酸鐵納等）結構與鋰電池三元材料構型相似，具有優(yōu)異的能量密度優(yōu)勢，但循環(huán)壽命略差；

8、普魯士藍類化合物優(yōu)勢在于成本低，不 足在于導電性差、循環(huán)壽命差；聚陰離子型構型循環(huán)壽命突出、電壓高，但是比容量低、且部分構型里添加了釩元素成本高。正極材料層狀氧化物層狀氧化物成熟度相對較高，且綜合性能優(yōu)異。層狀氧化物與鋰離子電池三元材料均為一種嵌入或插層型化合物，二者生產(chǎn)工藝類型且產(chǎn)線可以共產(chǎn)，工藝成熟 度相對較高。同時，層狀氧化物具有比容量高、壓實密度高的優(yōu)勢，但由于鈉離子半徑大在嵌入或脫嵌過程中會造成結構不可逆變動進而降低材料循環(huán)壽命。此 外，由于二維結構鈉離子的靈活性，因而層狀氧化物極易與空氣中的水和二氧化碳等物質反應，在晶體結構表面形成副產(chǎn)物。層狀氧化物化學通式為NaxMO2（M為過渡

9、金屬元素鎳鈷錳鐵等）。根據(jù)鈉離子的配位環(huán)境和氧的堆積方式不同，可分為O3、P3、P2、O2 等，其中O3和P2是主流方 案。O3構型（如NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2等）具有更高的鈉含量，能量密度更高，但由于鈉離子遷移時要經(jīng)歷狹小的四面體位置，擴散能壘高，循環(huán)壽命差。P2 構型（如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2等）循環(huán)壽命較好、空氣穩(wěn)定性較高，但比容量略差。針對層狀氧化物脫嵌過程中的相變問題，常采用引入錳鐵銅 等元素摻雜來獲取穩(wěn)定的晶體結構層狀氧化物產(chǎn)業(yè)化進展：國內電池企業(yè)中，寧德時代使用層狀氧化物和普魯士白共同推進的方案，中科海鈉選用銅鐵錳氧

10、化物（P2-Na0.9Cu0.22Fe0.3Mn0.48O2）， 鈉創(chuàng)新能源選用鐵酸鈉基氧化物（O3-NaFe0.33Ni0.33Mn0.33O2）以及磷酸釩鈉作為正極方案；國內材料企業(yè)中，振華新材具有層狀氧化物生產(chǎn)能力，并且布局10萬 噸三元材料與鈉離子正極材料共產(chǎn)線。海外企業(yè)中Faradian采用鎳基層狀氧化物方案。 根據(jù)鈉創(chuàng)新能源、廣東邦普等公司專利數(shù)據(jù)，層狀氧化物中過渡金屬元素可使用過渡金屬硫酸鹽、過渡金屬草酸鹽、過渡金屬氧化物等作為原材料。聚陰離子材料聚陰離子材料結構穩(wěn)定、循環(huán)壽命長，但是成本高、能量密度表現(xiàn)較差。聚陰離子材料化學通式為NaxMy(XOm)n-z（M為可變價金屬離子，

11、X為磷硫硅等），金 屬離子的氧多面體具有穩(wěn)定的框架結構，進而使得該類材料具有良好的循環(huán)壽命和安全性。由于大質量的陰離子基團較多，材料的導電性和比容量表現(xiàn)較差。針 對其導電性差造成的倍率性能和能量密度表現(xiàn)不優(yōu)，可通過碳包覆或添加導電劑的方式來實現(xiàn)改性。常見的聚陰離子材料有硫酸鐵鈉、磷酸鐵鈉、磷酸釩鈉、氟磷酸釩鈉、焦磷酸鹽復合聚陰離子化合物等。硫酸根比磷酸根電負性強、電壓高，且硫酸鹽系材料具 有低成本的優(yōu)勢，但其易吸潮分解使得循環(huán)壽命比較差，理論容量相對較低。釩基聚陰離子材料具有較高的工作電壓（3.4-3.8V）和較高的理論比容量，但由于 釩成本較高且具有毒性，削弱了其作為鈉離子電池材料的性價比優(yōu)

12、勢。聚陰離子材料產(chǎn)業(yè)化進展：國內企業(yè)中，眾鈉能源采用低成本的硫酸鐵鈉作為解決方案，鈉創(chuàng)新能源在積極研發(fā)磷酸釩鈉、磷酸錳釩鈉等材料體系。海外企業(yè)中， 法國Naiades和Tiamat均采用了氟磷酸釩鈉作為正極材料。從產(chǎn)品性能看，聚陰離子鈉離子電池的循環(huán)壽命表現(xiàn)突出。釩基聚陰離子材料的釩源常為五氧化二釩、釩酸銨、偏釩酸鈉等，制備工藝可采用高溫固相法、水熱法、溶膠凝膠法等。中國是全球釩儲量最多的國家，占全球 總儲量的43%，2020年年產(chǎn)量占全球的62%。國內主要的釩生產(chǎn)企業(yè)包括攀鋼集團、河鋼集團承鋼公司、北京建龍重工等。普魯士藍類材料普魯士藍類材料主要優(yōu)勢在于成本低、能量密度表現(xiàn)良好，不足之處在于

13、導電性差、循環(huán)壽命差，且氰化物具有潛在毒性。普魯士藍類化合物具有類鈣鈦礦結構， 呈面心立方結構，化學通式為NaxMaMb(CN)6（Ma、Mb主要為過渡金屬元素）。普魯士藍材料具有開放型三維通道（框架結構），使得 鈉離子在隧道中可以快 速遷移，因此具有較好的結構穩(wěn)定性和突出的倍率性能。普魯士藍通常是在水溶液中合成的，所以會存在微量的晶格水，這些晶格水在循環(huán)過程中可能會脫出， 存在短路或與電解液反應腐蝕材料的風險。2015年Goodenough研發(fā)出了普魯士白鈉離子電池正極材料，相較于普魯士藍鈉含量更高，因而能量密度表現(xiàn)更為優(yōu)異。目前普魯士藍化合物主要的制備方法是共 沉淀法、水熱法等，而針對其結

14、晶水、導電性差等問題，常采用包覆、摻雜、高溫干燥處理等方式來改善其性能。普魯士藍類材料產(chǎn)業(yè)化進展：國內電池企業(yè)中寧德時代推出普魯士白材料用于鈉離子電池中，星空鈉電也提出鐵基普魯士藍材料用做電池正極；海外企業(yè)中美國 Natron Energy、瑞典的Altris均在進行積極布局。根據(jù)廣東邦普、鵬輝能源等公司專利數(shù)據(jù)，普魯士藍類材料多采用亞鐵氰化鈉作為重要原材料。氰化物具有危害人身健康的屬性，國家對其實行嚴格的管理制度。 目前國內主要生產(chǎn)氰化物的企業(yè)有安徽曙光化工、重慶紫光化工、河北誠信集團、晉城鴻生化工等。鈉離子電池負極材料：以硬碳材料為主鈉電池負極材料主要采用硬碳為主，與鋰電池石墨材料相區(qū)別，

15、這是因為鈉離子摩爾質量是鋰離子的3倍、直徑是鋰離子的1.3倍，進而導致鈉離子無法在有效的 電位窗口內在石墨層間進行可逆的嵌入、脫出，同時鈉離子-石墨嵌入的化合物在熱力學上也并不穩(wěn)定，容易形成NaC64。目前可選用的材料主要有四類：碳基材料（軟碳/硬碳等）、過度金屬化合物、合金類負極和有機化合物，其中金屬化合物主要通過轉化反應和合金化反應實現(xiàn) 儲鈉，但在循環(huán)過程中會伴隨著較大的體積膨脹，造成電極材料的粉碎和坍塌，存在一定安全隱患；過度金屬化合物比容量偏低，而有機材料也存在庫倫效率低 等問題。 相比于石墨等軟碳材料而言，硬碳材料無法石墨化且碳層排列規(guī)整度低于軟碳，層間形成了較多的微孔進而方便鈉離子

16、的嵌入和脫出，且具備儲鈉比容量高、 較低儲鈉電壓、循環(huán)穩(wěn)定等優(yōu)勢，是當前首選的負極材料。鈉離子電池電解液：與鋰電池類似鈉電池的組成成分與鋰電池相似，均為溶劑、溶質、添加劑，其中溶質方面成分有所差異，目前鈉離子電池常用鈉鹽有：NaPF6（六氟磷酸鈉）：電化學穩(wěn)定性優(yōu)于六氟磷酸鋰，在PC基（碳酸丙烯酯）電解液中導電率最高；但較高的價格和輕微的毒性影響其實際應用。NaClO4（高氯酸鈉）：擁有離子遷移速度快、兼容性好、成本低等優(yōu)勢，但其含水量高、易爆炸和高毒性等不足影響其實際應用。集流體：以鋁箔為主集流體在電池中主要發(fā)揮著承載活性物質、傳導電流的重要作用。在鋰離子電池中，負極電勢較低，鋁箔更容易與鋰

17、發(fā)生合金化反應，因而不能采用鋁箔作為負 極集流體，只能使用銅箔。鈉離子電池中鈉與鋁不易發(fā)生合金化反應，因而多選用鋁箔作為負極集流體。 與傳統(tǒng)鋁箔相比，電池級鋁箔對潔凈度、板形均勻一致性、機械性能、表面潤濕能力等方面均有較高要求。而鈉離子電池用鋁箔與鋰離子電池用鋁箔并無顯著差 異。3.鈉離子電池主要企業(yè)及進展鈉離子電池環(huán)節(jié)主要電池企業(yè)國內企業(yè)里，中科海鈉、立方新能源等企業(yè)均已實現(xiàn)量產(chǎn)，寧德時代等企業(yè)也在積極推進鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化，蜂巢能源、億緯鋰能、國軒高科、欣旺達、派能科 技等傳統(tǒng)鋰離子電池企業(yè)也已具備相關技術布局。國外企業(yè)中，英國Faradion起步早、積淀深，美國Natron Energy、

18、瑞典Altris等也在加速推進量產(chǎn)進程。鈉離子電池環(huán)節(jié)主要正極企業(yè)及進展鈉離子電池正極材料布局方面，容百科技已具備初步量產(chǎn)能力，振華新材已開始進行相關產(chǎn)能建設，當升科技、格林美、廣東邦普等均具有相關專利布局，并且 積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。負極材料主要企業(yè)及研發(fā)進展極材料布局方面，中科海鈉以無煙煤作為前驅體制備軟碳材料，寧德時代開發(fā)出了具有獨特孔隙結構的硬碳材料，貝特瑞目前能量產(chǎn)硬碳、軟碳材料；璞泰來、 翔豐華目前正在推進中試工作、 日本方面，吳羽已經(jīng)能夠量產(chǎn)硬碳材料，日本三菱及日本松下同樣從事鈉電池負極材料的研發(fā)和生產(chǎn)工作。電解液主要企業(yè)及研發(fā)進展電解液方面布局方面，鈉創(chuàng)新能源目前已有5000噸電

19、解液投產(chǎn)，預計未來3-5年內會建設配套8萬噸正極材料的電解液產(chǎn)線；多氟多目前已有千噸六氟磷酸鈉生產(chǎn) 能力，同時NaFSI已經(jīng)研發(fā)成功；天賜材料、新宙邦、石大勝華、永太科技目前正在推進中。鋁箔企業(yè)目前布局與進展鈉離子電池正負極集流體有望均采用價格相對低廉的鋁箔，因而在單GWh電池鋁箔用量上，鈉離子電池有望比鋰離子電池提升近一倍。在國內鋁箔市場中，2021 年電池應用場景僅占總需求的3.1%，總出貨量約在13萬噸左右。 2021年鼎勝新材、華北鋁業(yè)、永杰鋁業(yè)市占率位居國內前三，CR3達到近75%。鼎勝新材2015年開始電池鋁箔的生產(chǎn)研發(fā)，目前已與寧德時代、比亞迪、特斯拉、 國軒高科、LG新能源等客

20、戶達成密切合作。公司現(xiàn)有電池鋁箔產(chǎn)能超10萬噸，2022年底產(chǎn)能有望擴張至15萬噸，2023年有望突破20萬噸。4.重點公司案例寧德時代：鋰電龍頭切入鈉電，技術延伸深耕儲能賽道2021年7月29日，寧德發(fā)布第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度能夠達到160Wh/kg，常溫下充電15分鐘，電量達到80%，同時低溫性能俱佳，零下20情況下仍 能夠保持90%以上放電保持率，系統(tǒng)集成度達到80%以上。此外鋰電鈉電AB模式方案也備受關注，寧德時代預計第二代鈉電池能量密度將達到200Wh/kg，計劃2023 年產(chǎn)業(yè)化。目前已與整車及儲能企業(yè)展開合作。 寧德時代自2016年起申請鈉電池專利，其中專利設計正負極活性物質，正負極極片，電池模塊，電池包，裝置等方面。中科海鈉：背靠中科院，鈉電池先驅中科海鈉成立于2017年2月，是中科院物理所科技成果轉化項目，也是國內第一家專注于鈉電