鈉電池產(chǎn)業(yè)工作情況及實(shí)施方案分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)工作情況及實(shí)施方案

十三五期間，科技部通過國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點(diǎn)專項(xiàng)，對(duì)電池儲(chǔ)能相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)部署。其中，鈉基儲(chǔ)能電池技術(shù)作為重點(diǎn)支持方向之一，在高安全長壽命和低成本鈉基儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究等項(xiàng)目系列成果推動(dòng)下進(jìn)步顯著。目前，我國鋰離子電池受原材料影響價(jià)格猛漲，相關(guān)企業(yè)成本增加導(dǎo)致盈利減少，為此，鋰電池相關(guān)企業(yè)選擇性價(jià)比較高的鈉離子電池來替代鋰離子電池發(fā)展。在資源方面，我國鈉資源儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，與鋰資源相比能很好的減少對(duì)國外資源的需求。在價(jià)格方面，由于鈉離子電池正極用銅鐵錳，負(fù)極用無煙煤做的碳，整體電芯成本低于鋰電池，并不會(huì)像鋰離子電池一樣受到原材料價(jià)格波動(dòng)影響，價(jià)格較為穩(wěn)定。在性能方面，鈉離子電池由于高安全性而受到行業(yè)重視。隨著鈉離子電池生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，鈉離子電池將擁有更廣闊的發(fā)展空間，其應(yīng)用范圍在儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域不斷拓展。在儲(chǔ)能方面，隨著未來鈉離子電池的規(guī)?；a(chǎn)，將逐漸替代鋰離子電池在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用，未來市場空間廣闊。在電動(dòng)汽車方面，新能源汽車作為政策驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)物，需求量不斷增加，由于能量密度不足，鈉離子電池能夠在微型汽車方面得到加速應(yīng)用。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。一是鈉元素儲(chǔ)備更豐富，鈉是地殼中儲(chǔ)量第六豐富的元素，地理分布均勻，成本低廉；而鋰資源在地殼中儲(chǔ)量僅為0．002%，不到鈉的千分之一，且全球分布具有地域性。二是鈉離子化合物可獲取性強(qiáng)，價(jià)格穩(wěn)定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會(huì)和鈉合金化，因此鈉離子電池負(fù)極可使用鋁集流體而不必像鋰電池使用銅集流體，從而降低電池的成本和重量。三是鈉元素和鋰元素有相似的物理化學(xué)特性及儲(chǔ)存機(jī)制，鈉離子電池有相對(duì)穩(wěn)定的電化學(xué)性能和安全性。關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見2017年10月11日，《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（簡稱《指導(dǎo)意見》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見》是我國大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個(gè)指導(dǎo)性政策，由國家能源局科技司牽頭，電力司、新能源司、市場監(jiān)管司參加的起草工作小組和20位專家組成的專家咨詢組，委托中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國電科院、清華大學(xué)等具體負(fù)責(zé)相關(guān)研究工作。隨著《指導(dǎo)意見》的頒發(fā)與落實(shí)，以及儲(chǔ)能技術(shù)的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進(jìn)，儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來的前景無疑將越來越廣闊。《指導(dǎo)意見》從促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施三個(gè)方面提出了指導(dǎo)性意見，為全面促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。《指導(dǎo)意見》還指出，近年來，我國儲(chǔ)能呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)：抽水蓄能發(fā)展迅速；壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容，鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用加速；儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷、儲(chǔ)氫技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。我國儲(chǔ)能技術(shù)總體上已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。加快儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)我國能源行業(yè)供給側(cè)改革、推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時(shí)還將帶動(dòng)從材料制備到系統(tǒng)集成全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，成為提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)能。國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范《十四五新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》正式印發(fā)，國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)試點(diǎn)示范。方案提出，推動(dòng)多元化技術(shù)開發(fā)。開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、壓縮空氣、氫（氨）儲(chǔ)能、熱（冷）儲(chǔ)能等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，集中攻關(guān)超導(dǎo)、超級(jí)電容等儲(chǔ)能技術(shù)，研發(fā)儲(chǔ)備液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池等新一代高能量密度儲(chǔ)能技術(shù)。突破全過程安全技術(shù)。突破電池本質(zhì)安全控制、電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全預(yù)警、系統(tǒng)多級(jí)防護(hù)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵材料、高效滅火及防復(fù)燃、儲(chǔ)能電站整體安全性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，支撐大規(guī)模儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行。國內(nèi)鋰資源開采成本較高，中長期價(jià)格有望較高我國鋰鹽對(duì)外依存度近八成，或?qū)?gòu)成潛在威脅。我國鋰資源供應(yīng)對(duì)能源和產(chǎn)業(yè)安全的威脅不容忽視。我國的鋰資源儲(chǔ)量總量并不稀缺，從2020年數(shù)據(jù)來看，我國的鋰資源儲(chǔ)量總量全球占比6．31%，緊隨智利、澳大利亞、阿根廷，位列第四，但現(xiàn)實(shí)是我國80%的鋰資源供應(yīng)依賴進(jìn)口（澳洲鋰礦和南美鹽湖等地），是全球鋰資源第一進(jìn)口國。原因在于大部分可開采資源位于青海和西藏鹽湖，但青海鹽湖鋰鎂分離困難、西藏地理環(huán)境惡劣，因此電池級(jí)碳酸鋰的有效產(chǎn)能不足。加之新能源汽車和儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，我國鋰資源供給與需求量形成強(qiáng)烈對(duì)比。產(chǎn)量方面，2022年全國鋰離子電池產(chǎn)量達(dá)750GWh，同比增長超過130%，其中儲(chǔ)能型鋰電產(chǎn)量突破100GWh。鋰電一家獨(dú)大或?qū)?gòu)成我國潛在的威脅，發(fā)展替代方案對(duì)于保障我國能源供應(yīng)和產(chǎn)業(yè)安全具有重要意義。鈉電池電解液-溶質(zhì)：性能存在缺陷，六氟磷酸鈉生產(chǎn)技術(shù)需進(jìn)一步開發(fā)溶質(zhì)作為電池電解液關(guān)鍵成分之一，直接決定電解液的性能。和鋰離子電池以鋰鹽作為溶質(zhì)提供Li+相似，鈉離子電池的溶質(zhì)為鈉鹽，是Na+的主要提供者，不但影響電池的功率和循環(huán)性能，還會(huì)影響容量和安全性。在選擇鈉鹽時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)原則:（1）本身的物化性能包括黏度、電導(dǎo)率、熱穩(wěn)定性等優(yōu)異；（2）與溶劑混合后對(duì)電極的兼容性；（3）保持對(duì)電池其他組分具有電化學(xué)惰性的特點(diǎn)，例如電極、隔膜和集流體等。三條路線各有優(yōu)缺，NaPF6綜合性能最佳。市場上鈉鹽大致分為含氟鈉鹽（NaPF6，NaTFSI，NaFSI等），含硼鈉鹽（NaBF4，NaBOB等）以及其他鈉鹽（NaCLO4等）三條路線。NaPF6除了本質(zhì)的安全問題外，綜合性能最佳，是目前較為常用的鈉鹽。由于其化學(xué)性質(zhì)，每種鈉鹽的應(yīng)用各有優(yōu)缺：（1）NaPF6熱穩(wěn)定性強(qiáng)，具有較高的電導(dǎo)率，在300℃時(shí)幾乎沒有安全損失，但NaPF6對(duì)水很敏感，容易產(chǎn)生高度腐蝕性的氫氟酸（HF）與SEI膜的堿性成分反應(yīng)，產(chǎn)生有害氣體來削弱剛性SEI膜；含氟磺?；鶊F(tuán)的鈉鹽（NaTFSI，NaFSI等）雖然具有較高的熱穩(wěn)定性和無毒的特點(diǎn)，但是其陰離子對(duì)鋁箔集流體具有腐蝕作用。（2）NaBF4是常見的含硼鈉鹽，但受制于電導(dǎo)率的限制，應(yīng)用較少。NaBOB是一種新型環(huán)保鈉鹽，具有較高熱穩(wěn)定性，但受制于溶解度無法大規(guī)模應(yīng)用。（3）NaCLO4應(yīng)用于碳質(zhì)電極會(huì)使其具有較高的容量和較高的庫侖效率，但NaCLO4難于干燥且易制爆。適配高性能鈉電，鈉鹽材料應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)。目前，常用的鈉鹽主要有六氟磷酸鈉（NaPF6）、高氯酸鈉（NaClO4）和雙三氟甲烷磺酰亞胺鈉（NaTFSI）等，但它們都存在一定的缺陷，難以滿足高性能鈉離子電池的需求。要提高鈉離子電池的性能，除了使用添加劑（如氟代碳酸乙烯酯）外，還需要尋找高性能的鈉鹽。目前，理論層面上發(fā)現(xiàn)部分含氰基無氟鈉鹽、有機(jī)硼酸類鈉鹽、氟類咪唑衍生物鈉鹽和有機(jī)酰胺類等鈉鹽具備一定的性能優(yōu)勢(shì)。篩選性能優(yōu)良的鈉鹽，進(jìn)而加入添加劑優(yōu)化電解質(zhì)體系，從而提高SEI的穩(wěn)定性、抑制鈉枝晶的生長及改善電極材料/電解液的界面相容性，是今后研究的重點(diǎn)。六氟磷酸鈉的生產(chǎn)技術(shù)儲(chǔ)備為行業(yè)壁壘。多氟多2022年9月表示，六氟磷酸鈉均價(jià)超過50萬/噸，其價(jià)格受限于鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化處于行業(yè)早期，上游產(chǎn)品未成規(guī)?；?，并且六氟磷酸鈉的生產(chǎn)技術(shù)儲(chǔ)備為行業(yè)壁壘，難度較大。鈉電池正極材料-普魯士藍(lán)類化合物理論容量高，成本低，間隙水問題需解決普魯士藍(lán)類正極材料（AxMa[Mb（CN）6]1?y?□y?nH2O（0≤x≤2，0≤y<1），其中A為堿金屬離子；Ma和Mb為不同配位環(huán)境的過渡金屬離子；□為[Mb（CN）6]空位）具有較高的工作電勢(shì)，較為穩(wěn)定的三維框架結(jié)構(gòu)，較長的循環(huán)壽命，較低的制造成本，其中利用M3+/M2+和Fe3+/Fe2+氧化還原電對(duì)，最多可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Na+的有序脫出/嵌入，對(duì)應(yīng)理論比容量達(dá)到170mAh/g（以NaFe[Fe（CN）6]為例）。普魯士藍(lán)的苦惱：空位和間隙水導(dǎo)致電化學(xué)性能惡化。普魯士藍(lán)類化合物在合成過程中易形成[Fe（CN）6]4-空位和間隙水，形成的空位被配位的H2O分子占據(jù)后不僅會(huì)降低材料的初始鈉含量，而且會(huì)導(dǎo)致容量在循環(huán)過程中快速下降，惡化電化學(xué)性能，阻礙實(shí)際應(yīng)用。鈉電池市場空間：四輪車-2025年有望達(dá)到48．45GWh鈉電池有機(jī)會(huì)滲透的動(dòng)力電池市場主要包括A00級(jí)、A0級(jí)以及A級(jí)三種電動(dòng)車。具體來看，鈉電池可以滿足續(xù)航里程在400公里以下的新能源汽車車型的基本需求，400公里以下的新能源汽車車型主要包括A00和A0級(jí)別電動(dòng)車車型，未來鈉電池能滿足的續(xù)航里程有望進(jìn)一步提升至500公里，能夠覆蓋的車型則將進(jìn)一步延伸至A型級(jí)別電動(dòng)車。由于上游原材料尤其是鋰價(jià)的持續(xù)高位，電動(dòng)車領(lǐng)域受到持續(xù)性沖擊。鈉離子電池憑借成本優(yōu)勢(shì)，在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化程度提高后，有望切入A00級(jí)、A0級(jí)以及A級(jí)電動(dòng)車領(lǐng)域。預(yù)計(jì)2023-2025年鈉電池在A00級(jí)、A0級(jí)以及A級(jí)電動(dòng)車市場的滲透率將逐年升高，2025年分別達(dá)到30%、20%、15%，2025年對(duì)鈉離子電池需求總量有望達(dá)到48．45Gwh。鈉電池市場空間：儲(chǔ)能-2025年有望達(dá)到50．68GWh發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的主要場景是大型儲(chǔ)能，即大儲(chǔ)。區(qū)別于戶用的小功率儲(chǔ)能，大儲(chǔ)設(shè)備對(duì)一致性、儲(chǔ)能功率和循環(huán)壽命的要求較高，主流技術(shù)路線是磷酸鐵鋰電池，主要應(yīng)用在新能源電站、電網(wǎng)等場景。預(yù)計(jì)2023-2025年大儲(chǔ)裝機(jī)量分別達(dá)到99．8、169．0、282．4GWh。預(yù)計(jì)鈉電池在大儲(chǔ)市場的滲透率將逐年升高，2023-2025年分別達(dá)到1%、3%、8%，2025年對(duì)應(yīng)的大儲(chǔ)鈉電池需求量將達(dá)到22．59GWh。用電側(cè)儲(chǔ)能，主要包括工商業(yè)配儲(chǔ)、戶用配儲(chǔ)、通信基站配儲(chǔ)三大場景，目前的主流技術(shù)路線是磷酸鐵鋰電池。用電側(cè)儲(chǔ)能前景廣闊，預(yù)計(jì)2023-2025年鈉電池在工商業(yè)配儲(chǔ)、戶用配儲(chǔ)、通信基站配儲(chǔ)的滲透率將逐年升高，2025年對(duì)應(yīng)的鈉電需求量有望分別達(dá)到5．44GWh、18．33GWh、4．32GWh。預(yù)計(jì)2025年儲(chǔ)能對(duì)鈉電池的需求有望超50GWh。鋰電池價(jià)格上漲，推動(dòng)鈉離子電池需求量的增加鈉離子電池的研發(fā)起步較早，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度不及鋰離子電池，但近年來學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的熱度持續(xù)上升。在1967年，高溫鈉硫電池出現(xiàn)是鈉離子電池發(fā)展的萌芽時(shí)期，到1979年法國的Armand提出了搖椅式電池的概念后，由于鋰離子電池體系中應(yīng)用較為廣泛的石墨負(fù)極儲(chǔ)鈉能力欠缺，對(duì)鈉離子電池的研究幾乎停滯。直至2000年加拿大Dahn等發(fā)現(xiàn)硬碳負(fù)極具備優(yōu)異的可逆儲(chǔ)鈉能力，學(xué)界才繼續(xù)推進(jìn)。到2010年，隨鋰離子電池研究和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)趨于成熟，以及對(duì)鋰資源的擔(dān)憂，鈉離子電池的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，進(jìn)入復(fù)興時(shí)期。直至2021年7月，寧德時(shí)代發(fā)布第一代鈉離子電池，宣布計(jì)劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈，疊加鋰價(jià)在2021年底-2022年年初快速上漲，引發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)互補(bǔ)、替代方案鈉離子電池的高度重視，涌現(xiàn)數(shù)十家推動(dòng)鈉離子電池及原材料量產(chǎn)的企業(yè)。磷酸鋰是一種鋰離子電池電極材料，主要用于鋰離子電池。近年來由于我國電動(dòng)汽車產(chǎn)量快速增長，導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)能的提升，從而出現(xiàn)碳酸鋰價(jià)格飛漲的局面。數(shù)據(jù)顯示，我國磷酸鋰價(jià)格在2021年年末到2022年年初價(jià)格增長迅速，導(dǎo)致鋰離子電池原材料成本較高，價(jià)格上漲趨勢(shì)明顯，將使其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用受到限制。同時(shí)，鋰元素的地殼豐度只有0．0065%，我國鋰資源十分短缺，大部分依賴于進(jìn)口，而鈉元素的地殼豐度為2．74%，地域分布廣泛，我國的鈉資源較鋰資源相對(duì)豐富，成本低廉。為了防止國外對(duì)鋰資源的壟斷，我國將大力發(fā)展鈉離子電池，以替代鋰離子電池，在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問題。因?yàn)槟芰棵芏鹊亩贪?，鈉離子電池的應(yīng)用尚出現(xiàn)在中高端的電動(dòng)汽車上，在微型電動(dòng)車及兩輪電動(dòng)車上將率先應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的收入水平的提高，兩輪電動(dòng)車的產(chǎn)銷量整體呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，其中產(chǎn)量從2017年的3113萬輛增加到2021年的5443萬輛，銷售量從2017年的2943萬輛增加到2021年的4100萬輛。由于兩輪電動(dòng)車產(chǎn)品價(jià)格較低，適合中、小型城市和縣鄉(xiāng)市場的用戶，未來市場空間廣闊，有利于促進(jìn)鈉離子電池需求量的增長。當(dāng)前電動(dòng)兩輪車、A00級(jí)電動(dòng)車受鋰離子電池價(jià)格上漲的影響，選擇性價(jià)比較高的鈉離子電池進(jìn)行替代，隨著電動(dòng)兩輪車、A00級(jí)電動(dòng)車的不斷發(fā)展，鈉離子電池的需求量向好發(fā)展，同時(shí)，鈉離子電池可利用廉價(jià)的鈉鹽取代鋰鹽作為電池關(guān)鍵原料，已經(jīng)成為新一代儲(chǔ)能電池研究的熱點(diǎn)，在快速發(fā)展的儲(chǔ)能領(lǐng)域，鈉離子電池有望成為重要的技術(shù)路線之一。在2017-2021年中，我國鈉離子電池供給量和需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，其市場價(jià)格走勢(shì)不斷下降，從2017年的7．14億元/GWh下降到2021年的6．66億元/GWh。目前，我國鈉離子電池處于發(fā)展前期，還未形成基本的產(chǎn)業(yè)鏈。從專利申請(qǐng)量來看，在2017-2021年間，中國鈉離子電池專利申請(qǐng)量整體上處于上升趨勢(shì)，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請(qǐng)量有小幅下降，較2019年減少33項(xiàng)，根據(jù)IP管家統(tǒng)計(jì)，2022年1-11月的申請(qǐng)量達(dá)到了1379項(xiàng)，可見，鈉離子電池逐步受到各方面的重視，未來市場占有率也將逐步提升。鈉電池合成端-產(chǎn)業(yè)化