鈉離子電池專題報(bào)告：商業(yè)化進(jìn)程加速鋁箔和純堿有望受益

鈉離子電池專題報(bào)告：商業(yè)化進(jìn)程加速，鋁箔和純堿有望受益一、

鈉離子電池有望獲得快速發(fā)展1.1

鋰鈉同族，物化性質(zhì)有類似之處近期以寧德時(shí)代和中科海鈉為代表的企業(yè)開始布局鈉離子電池，有望推動(dòng)鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。

鋰、鈉、鉀同屬于元素周期表ⅠA族堿金屬元素，在物理和化學(xué)性質(zhì)方面有相似之處，理論上都可

以作為二次電池的金屬離子載體。鋰的離子半徑更小、標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)更高、比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉和鉀，因

此在二次電池方面得到了更早以及更廣泛的應(yīng)用。但鋰資源的全球儲(chǔ)量有限，隨著新能源汽車的發(fā)

展對(duì)電池的需求大幅上升，資源端的瓶頸逐漸顯現(xiàn)，由此帶來(lái)的鋰鹽供需的周期性波動(dòng)對(duì)電池企業(yè)

和主機(jī)廠的經(jīng)營(yíng)造成負(fù)面影響，因此行業(yè)內(nèi)部加快了對(duì)資源儲(chǔ)備更加豐富、成本更低的電池體系的

研究和量產(chǎn)進(jìn)程，鈉作為鋰的替代品的角色出現(xiàn)，在電池領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。1.2

鈉離子電池的性能和材料體系與鋰離子電池有較大的不同鈉離子電池與鋰離子電池工作原理類似，與其他二次電池相似，鈉離子電池也遵循脫嵌式的工作原

理，在充電過程中，鈉離子從正極脫出并嵌入負(fù)極，嵌入負(fù)極的鈉離子越多，充電容量越高；放電

時(shí)過程相反，回到正極的鈉離子越多，放電容量越高。能量密度弱于鋰電，強(qiáng)于鉛酸。在能量密度方面，鈉離子電池的電芯能量密度為

100-160Wh/kg，

這一水平遠(yuǎn)高于鉛酸電池的

30-50Wh/kg，與磷酸鐵鋰電池的

120-200Wh/kg相比也有重疊的范圍。

而當(dāng)前量產(chǎn)的三元電池的電芯能量密度普遍在

200Wh/kg以上，高鎳體系甚至超過

250Wh/kg，對(duì)于

鈉電池的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)比較顯著。在循環(huán)壽命方面，鈉電池在

3000次以上，這一水平也同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鉛

酸電池的

300

次左右。因此，僅從能量密度和循環(huán)壽命考慮，鈉電池有望首先替代鉛酸和磷酸鐵鋰

電池主打的啟停、低速電動(dòng)車、儲(chǔ)能等市場(chǎng)，但較難應(yīng)用于電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，在這兩大

領(lǐng)域鋰電仍將是主流選擇。安全性高，高低溫性能優(yōu)異。鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰電池高，在短路的情況下瞬時(shí)發(fā)熱量少，溫升

較低，熱失控溫度高于鋰電池，具備更高的安全性。因此針對(duì)過充過放、短路、針刺、擠壓等測(cè)試，

鈉電池能夠做到不起火、不爆炸。另一方面，鈉離子電池可以在-40℃到

80℃的溫度區(qū)間正常工作，

-20℃的環(huán)境下容量保持率接近

90%，高低溫性能優(yōu)于其他二次電池。倍率性能好，快充具備優(yōu)勢(shì)。依賴于開放式

3D結(jié)構(gòu)，鈉離子電池具有較好的倍率性能，能夠適應(yīng)

響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電，是鈉電在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的又一大優(yōu)勢(shì)。在快充能力方面，鈉離子電池的充

電時(shí)間只需要

10分鐘左右，相比較而言，目前量產(chǎn)的三元鋰電池即使是在直流快充的加持下，將電

量從

20%充至80%通常需要

30

分鐘的時(shí)間，磷酸鐵鋰需要

45

分鐘左右。繼相關(guān)企業(yè)布局鈉離子電池的研發(fā)和商業(yè)化之后，工信部近期也表示：有關(guān)部門將支持鈉離子電池

加速創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化，支持先進(jìn)產(chǎn)品量產(chǎn)能力建設(shè)。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程適時(shí)完善有關(guān)產(chǎn)品目錄，

促進(jìn)性能優(yōu)異、符合條件的鈉離子電池在新能源電站、交通工具、通信基站等領(lǐng)域加快應(yīng)用；通過

產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，推動(dòng)鈉離子電池全面商業(yè)化。這意味著鈉離子電池有望迎來(lái)國(guó)家政策支持，商業(yè)

化進(jìn)程有望獲得政策助力。根據(jù)當(dāng)前的研究進(jìn)展，鈉離子電池的商業(yè)化對(duì)于電池材料的各個(gè)組成部分都有不同程度的影響，尤

其是以正極材料和集流體的改變最為顯著，正極材料體系的變化又會(huì)對(duì)有色金屬和碳酸鈉等行業(yè)形

成影響，正負(fù)極均采用鋁箔預(yù)計(jì)會(huì)促進(jìn)鋁箔的需求量快速提升，而正極材料的變化預(yù)計(jì)會(huì)提升碳酸

鈉的需求；其次是負(fù)極材料，隔膜和電解液等材料影響較小，具體來(lái)看：正極材料：有目前的三元體系鋰鹽或者磷酸鐵鋰改為層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物或

普魯士藍(lán)類化合物。負(fù)極材料：不同于鋰離子電池的石墨系負(fù)極材料，鈉離子電池負(fù)極材料一般為硬碳、軟碳、復(fù)

合碳等無(wú)定形碳材料。電解液：鈉離子電池電解質(zhì)鹽一般為

NaPF6，電解液合成方法與

LiPF6基本相同，但電解液鹽

濃度會(huì)更低；溶劑一般為

EC、DMC、EMC、DEC和

PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體

系。由于原材料的原因，鈉離子電池電解液規(guī)?；?yīng)后與鋰離子電池相比成本會(huì)更低。隔膜：目前常用的隔膜主要為

PP、PE、PP/PE以及

PP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、涂膠隔膜等。

目前規(guī)?；a(chǎn)的隔膜孔徑均遠(yuǎn)大于鈉離子的溶化劑半徑，滿足鈉離子電池的使用需求。集流體：鋰離子電池負(fù)極只能使用銅箔，而鈉離子電池負(fù)極可以使用鋁箔作為集流體。極耳：鈉離子電池正負(fù)極均可以使用鋁極耳，相比較鋰離子電池的銅鍍鎳極耳或鎳極耳成本有

所降低；且鋁極耳焊接工藝更簡(jiǎn)單，也可以降低部分制造成本。二、

正極材料：三大材料脫穎而出，過渡金屬預(yù)計(jì)受益2.1

正極對(duì)鈉離子電池容量影響大，三類正極材料脫穎而出與鋰離子電池相似，目前鈉離子電池的性能和正負(fù)極關(guān)系較大，其中作為鈉離子電池負(fù)極硬碳比容

量可達(dá)到

350

mAh·g?1，為此，現(xiàn)階段影響鈉離子電池性能主要環(huán)節(jié)在于正極材料。

和鋰離子相比，鈉離子半徑和原子質(zhì)量較大，離子擴(kuò)散較難，理論容量和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)特征較為遜色。

具體表現(xiàn)為鈉離子電池在電極嵌脫難度較大，速度較為緩慢，且較容易導(dǎo)致正極材料的形態(tài)破壞，

從而對(duì)鈉離子電池比容量、壽命、安全性能均產(chǎn)生重要影響。

和鋰離子電池正極技術(shù)路線基本確定不同，目前鈉離子電池相關(guān)的正極材料超100

種，技術(shù)路線尚處于演進(jìn)中。根據(jù)成分，主流鈉離子電池正極材料可分為過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物體系，其中過渡金屬氧化物根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)又可分為層狀金屬氧化物和隧道型過渡金屬

氧化物，因隧道型氧化物初始鈉離子含量低，市場(chǎng)關(guān)注較少。目前鈉離子電池三類正極材料各有優(yōu)劣，預(yù)計(jì)未來(lái)鈉離子三大正極材料的競(jìng)爭(zhēng)將持續(xù)。2.2

三大正極材料各存短板，改性大幅提升性能目前主流的過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物材料還處于持續(xù)研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化

的過程中，三種材料在比容量、導(dǎo)電、循環(huán)等電化學(xué)性能上各有優(yōu)劣，通?？赏ㄟ^改性揚(yáng)長(zhǎng)避短。（1）

過渡金屬氧化物：比容量突出，但穩(wěn)定性較差（NaxMO2(

0＜x≤1，M為過渡金屬元素)）是由過渡金屬氧化物構(gòu)成，涉及的可變價(jià)過渡金屬主要

有釩(V)、鉻(Cr)、錳（Mn）、鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）和銅（Cu），其中又以資源較為豐富的

錳和鐵的使用最為普遍。根據(jù)鈉含量高低以及晶體結(jié)構(gòu)，過渡金屬氧化物正極分為層狀過渡金屬氧化物和隧道型過渡金屬氧

化物，后者穩(wěn)定性較好，但比容量低，市場(chǎng)關(guān)注度較低。層狀過渡金屬氧化物由

MO6八面體分層排

列而成，鈉離子位于八面體構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)的層間。根據(jù)鈉離子排列的相對(duì)位置，層狀過渡金屬氧化

物正極分為

P型和

O型，并于

O3

型和

P2為主。盡管層狀過渡金屬氧化物鈉離子電池比容量較高，但由于鈉鋰子在嵌脫過程中，層狀過渡金屬易發(fā)

生結(jié)構(gòu)變化或相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致電池循環(huán)衰減，為此，提高穩(wěn)定性正極材料穩(wěn)定性意義重大。目前對(duì)層狀過渡金屬氧化物正極的改性主要通過引入活性或惰性元素參雜或取代方式，這可達(dá)到減少電池運(yùn)

行中層狀過渡金屬正極材料結(jié)構(gòu)的改變程度，提高材料導(dǎo)電性的效果。常用的參雜元素多為+1到+4

價(jià)元素，如銅、氧化鋁、二氧化化鈦等。（2）聚陰離子化合物：穩(wěn)定性好，比容量較低聚陰離子化合物正極材料（表達(dá)式

NaxMy［(

XOm)

n-］z(

M為具有可變價(jià)態(tài)的金屬離子;

X為

P、S和

V等元素)）是由鈉、過渡金屬以及陰離子構(gòu)成。其中過渡金屬主要有鐵、釩、鈷等，而陰離子主

要包括磷酸根、焦磷酸根、氟磷酸根和硫酸根。聚陰離子化合物正極材料中陰離子結(jié)構(gòu)單元通過強(qiáng)共價(jià)鍵連成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，十

分有利于鈉離子的嵌脫，具有電壓平臺(tái)高，良好的熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但也存在比容量較低和

導(dǎo)電性偏低的缺點(diǎn)。針對(duì)比容量和導(dǎo)電性低的問題，聚陰離子化合物正極目前主要通過碳材料包覆、氟化、參雜、不同

陰離子集團(tuán)混搭、尺寸納米化及形成多孔結(jié)構(gòu)等方式改性。如

Nasicon陰離子化合物正極經(jīng)過改性

后，比容量和導(dǎo)電性有較大提升。（3）普魯士藍(lán)類化合物：比容量較高，穩(wěn)定性存短板普魯士藍(lán)類化合物（表達(dá)式

NaxMA［MB(

CN)6］·zH2O(

MA和

MB為過渡金屬離子)）是由鈉、過

渡金屬和氰根構(gòu)成的化合物。普魯士藍(lán)化合物正極材料擁有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，過渡金屬離子與氰

根離子形成六配位，鈉離子處于三維通道結(jié)構(gòu)和配位孔隙中，為可逆嵌脫提供了良好的遷移通道。普魯士藍(lán)類化合物正極材料具有較高的比能量，但晶體骨架中存在較多的空位和大量結(jié)晶水，可能

在電池循環(huán)過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌或晶體水與鈉離子競(jìng)爭(zhēng)，削弱正極材料穩(wěn)定性和循環(huán)性能。為了克

服普魯士藍(lán)類化合物的缺陷。目前普魯士藍(lán)類化合物正極材料改進(jìn)的方法有采用納米結(jié)構(gòu)、表面包

覆、金屬元素參雜、改進(jìn)合成工藝降低配位水和空位等。2.3

產(chǎn)業(yè)化推動(dòng)正極材料的成熟提高及成本下降，過渡金屬受益較確定目前鈉離子電池尚處于產(chǎn)業(yè)化的前期階段，全球主要的鈉離子電池研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)電池體系各具特

點(diǎn)，其中正極技術(shù)路線分化明顯，層狀過渡金屬氧化物、陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物均有采

用。短期內(nèi)由于鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化程度較低，鈉離子電池材料成本的優(yōu)勢(shì)并沒有提到充分體現(xiàn)。預(yù)

計(jì)未來(lái)通過正極材料的改性，鈉離子電池性能有望繼續(xù)提高，正極材料成熟度有望顯著提升，同時(shí)

通過生產(chǎn)規(guī)?；?，鈉離子正極材料成本將出現(xiàn)較大的下降。我們認(rèn)為由于三大正極材料體系都需包含可變價(jià)的過渡金屬，未來(lái)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展對(duì)過渡金屬

需求的推動(dòng)較為明確，其中資源較豐富的錳和鐵尤其值得關(guān)注。三、

鈉離子電池將促進(jìn)電池鋁箔需求增長(zhǎng)3.1

鋁箔獨(dú)占鈉電池集流體，性能要求預(yù)計(jì)與鋰電鋁箔接近電池集流體是將電池活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集起來(lái)，以產(chǎn)生更大的輸出電流的電池部件，此外它還

充當(dāng)電池活性材料的載體，對(duì)電池的性能有較大影響。目前鋰電池的正負(fù)極的集流體分別是鋁箔和

銅箔。由于鈉離子不會(huì)與鋁形成合金，因此鈉離子電池的正負(fù)極的集流體均可以使用成本更低的鋁

箔。根據(jù)中科海鈉，相比鋰離子電池，由于正負(fù)極集流體采用鋁箔，鈉離子電池中集流體成本占比

僅為

4%，遠(yuǎn)低于鋰離子電池的

13%。我們判斷，鈉離子電池集流體鋁箔與鋰電池基本相同，性能要求基本接近。相比普通的鋁箔，作為

電池集流體鋁箔要求較高，其中厚度要求控制在

10~50

微米，部分電池廠甚至使用

8

微米的鋁箔。

同時(shí)電池集流體還要求具有較低的粗糙度、更好的導(dǎo)電性、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，此外對(duì)產(chǎn)品的一致

性和穩(wěn)定性也有較高的要求。因此，電池鋁箔對(duì)設(shè)備和工藝的要求較高，具有一定的進(jìn)入壁壘。3.2

鈉離子電池推升電池鋁箔需求增長(zhǎng)，龍頭企業(yè)具先發(fā)優(yōu)勢(shì)中國(guó)是全球鋁箔產(chǎn)銷大國(guó)，鋁箔產(chǎn)品齊全，具備完整的產(chǎn)業(yè)鏈，為電池鋁箔的生產(chǎn)奠定了良好的基

礎(chǔ)。根據(jù)中國(guó)有色金屬加工協(xié)會(huì)，2020

年中國(guó)鋁箔產(chǎn)量

415

萬(wàn)噸，同時(shí)中國(guó)也是鋁箔的出口大國(guó)，

2020

年向全球各地出口鋁箔

123

萬(wàn)噸。在國(guó)內(nèi)需求方面，2020

年中國(guó)鋁箔的需求接近

300

萬(wàn)噸，

應(yīng)用領(lǐng)域分布在包裝、空調(diào)、電子、電池等領(lǐng)域。在電池鋁箔附加值較高的產(chǎn)品，中國(guó)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，2020年電池鋁箔（主要是鋰電鋁箔）的產(chǎn)

量達(dá)到

7

萬(wàn)噸，涌現(xiàn)了鼎勝新材、南山鋁業(yè)為代表的電池鋁箔龍頭企業(yè)。由于鈉離子電池鋁箔性能

要求和鋰離子電池接近，并且擁有較高的技術(shù)門檻。我們認(rèn)為電池鋁箔龍頭企業(yè)將受益未來(lái)鈉離子

電池發(fā)展，繼續(xù)擁有先發(fā)優(yōu)勢(shì)。未來(lái)鈉離子電池發(fā)展將極大推升電池鋁箔需求。根據(jù)平安電新組預(yù)測(cè)，在儲(chǔ)能、低速交通工具和部

分低續(xù)航電動(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)替代下，2025

年鈉離子電池的潛在的市場(chǎng)容量約為

250GWH。目前鋰

電池鋁箔的單位用量

300~700

噸/GWH，由于鈉電池和鋰電池鋁箔較為接近，且正負(fù)極集流體均采

用鋁箔，我們按

800

噸/GWH測(cè)算，則鈉離子電池鋁箔

2025

年的潛在市場(chǎng)需求可達(dá)

20

萬(wàn)噸。四、

鈉離子電池預(yù)計(jì)將促進(jìn)純堿的需求增長(zhǎng)鈉離子電池的商業(yè)化對(duì)正極材料上游的有色金屬和化工產(chǎn)品影響很大，但是由于目前采用哪種正極

材料體系還沒有定論，所以最終的影響帶有一定的不確定性，例如若商業(yè)化以后采用聚陰離子體系

和普魯士藍(lán)體系的正極材料，則有可能會(huì)對(duì)磷酸等磷化工產(chǎn)品或者氰化物起到一定的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)作用。唯一確定的是正極材料不論采用哪種體系，鈉元素一定有其來(lái)源，目前實(shí)驗(yàn)室中合成鈉離子電池用

正極材料，鈉的來(lái)源十分廣泛，包括碳酸鈉、碳酸氫鈉、醋酸鈉、草酸鈉、檸檬酸鈉、硝酸鈉、氫

氧化鈉甚至偶見關(guān)于金屬鈉的討論，但是大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)對(duì)于成本、工藝安全性、酸堿性都有一定

的要求，我們認(rèn)為最有可能成為工業(yè)生產(chǎn)原料的還是碳酸鈉（即純堿），其他材料因?yàn)槌杀?、安全?/p>

或物化指標(biāo)的原因，或多或少存在一定的缺陷（當(dāng)然也不排除通過技術(shù)手段可以解決上述問題）。4.1

鈉離子電池有望成為碳酸鈉（純堿）的新興應(yīng)用領(lǐng)域碳酸鈉價(jià)格遠(yuǎn)低于碳酸鋰是鈉離子電池成本競(jìng)爭(zhēng)力的主要原因之一，目前碳酸鋰價(jià)格大約在

8-9

萬(wàn)

元/噸，碳酸鈉價(jià)格僅為

2000元/噸，約為碳酸鋰價(jià)格的

1/40-1/50；此外正極材料的金屬元素、負(fù)極

材料和電解液等預(yù)計(jì)也具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。根據(jù)中科海鈉官網(wǎng)數(shù)據(jù)，使用

NaCuFeMnO/軟碳體系

的鈉電池的正極材料成本僅為磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰電池正極材料成本的

40%，而電池總的材料成

本較后者降低

30%-40%。通過不同正極材料的工作電壓和首次放電容量可以容易地得到正極材料的能量密度，以此來(lái)粗略估

算鈉離子電池商業(yè)化之后新增的純堿需求，如下表所示，根據(jù)不同的正極材料體系（未考慮電解質(zhì)

中的鈉離子），2025年

250GW/h的電池市場(chǎng)空間對(duì)應(yīng)大約

14-72萬(wàn)噸電池級(jí)碳酸鈉新增需求。需要

指出的是，正極材料的工作電壓受到不同負(fù)極材料和電解質(zhì)的影響，同時(shí)由于存在循環(huán)衰減，首次

放電容量往往也大于電芯全生命周期的平均放電容量，因此我們的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際的情況存在少量

的差距。4.2

充足的純堿資源為鈉離子電池的發(fā)展提供必要條件純堿是常用的大宗化工原料之一，技術(shù)路線成熟，純堿的生產(chǎn)工藝主要有