鈉電池產(chǎn)業(yè)專題匯報(bào)分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)專題匯報(bào)

盡管鋰離子電池在電動(dòng)汽車和便攜式電子設(shè)備等傳統(tǒng)市場(chǎng)上表現(xiàn)出色，但由于其成本高且存在安全性低等問題，因此在大規(guī)模電網(wǎng)存儲(chǔ)中的部署仍然面臨阻力，而成本低、安全性更高的鈉離子電池將成為有益補(bǔ)充。因此，鈉離子電池未來發(fā)展方向主要是針對(duì)一些大型儲(chǔ)能裝置，例如智能電網(wǎng)、電動(dòng)車等，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)電池的取代。全球范圍內(nèi)，我國鋰資源儲(chǔ)量有限全球可用鋰資源稀缺且分布不均，價(jià)格寡頭壟斷，易受地緣性影響。（一）全球可用鋰資源不足鋰是自然界密度最小的金屬，具有極強(qiáng)的電化學(xué)活性，具有儲(chǔ)能功能，其在地殼中含量?jī)H約0．0065%，豐度居第二十七位，從資源總量來看其實(shí)并不稀缺，但受開采條件和提鋰技術(shù)的影響，許多估算的資源量無法轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)量，如全球已知最大的烏尤尼鹽湖（Uyuni）鋰礦床由于沒有經(jīng)濟(jì)可行的鋰鹽提取方法，其中大量的鋰資源量無法計(jì)入儲(chǔ)量。（二）全球鋰資源分布不均、寡頭壟斷全球鋰資源分布高度集中，形成寡頭壟斷局面，2020年，73%鋰資源分布在北美洲和南美洲，其他地區(qū)如大洋洲（8%）、亞洲（7%）、歐洲（7%）和非洲（5%）則分布較少。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有優(yōu)勢(shì)鈉離子電池與鋰離子電池?fù)u椅式工作原理類似，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。近幾年，鈉離子電池開始逐步進(jìn)入規(guī)?；囼?yàn)示范階段。2018年6月，首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車問世；2021年6月，中科海鈉發(fā)布世界首個(gè)1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能體系后，鈉離子電池開始在儲(chǔ)能領(lǐng)域嶄露頭角，有望推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和變革。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?jī)H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。另一方面，目前鈉離子電池在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中尚存在能量密度較低、循環(huán)壽命較短、配套供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈不完善等問題，仍處于商業(yè)化探索和持續(xù)改進(jìn)中。預(yù)計(jì)未來隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，高性價(jià)比的鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充，尤其是在固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己冒l(fā)展前景。鈉電池正極材料-聚陰離子化合物：成本低、循環(huán)好，有望應(yīng)用于中遠(yuǎn)期儲(chǔ)能市場(chǎng)聚陰離子化合物NaxMy（XaOb）zZw，（M為Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni等中的一種或幾種；X為S、P等；Z為F等），是由聚陰離子多面體和過渡金屬離子多面體通過強(qiáng)共價(jià)鍵連接形成的具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化合物，鈉離子占據(jù)其中的通道位置。目前一系列包括磷酸根和氟磷酸根在內(nèi)的聚陰離子化合物在鈉離子電池中得到了廣泛的研究，也取得了許多顯著和重要的進(jìn)展。然而聚陰離子化合物存在的一些瓶頸仍然限制了實(shí)際應(yīng)用，例如有限的容量和低的電導(dǎo)率。在研究工作中，特別關(guān)注該材料的設(shè)計(jì)，反應(yīng)機(jī)理的表征以及電化學(xué)性能的改善策略。聚陰離子的苦惱：含釩=成本高+有毒，降釩+降本是產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵掣肘。磷酸釩鈉（Na3V2（PO4）3），因具有理論容量大、化學(xué)穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)、天然豐度高等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。然而由于磷酸釩鈉中含釩元素，也存在成本較高和具有毒性等問題（釩的價(jià)格相較于鐵、錳等金屬波動(dòng)性較大，且相較于鐵、錳等金屬價(jià)格較高）。鈉電池正極材料：多路線推進(jìn)，層狀氧化物有望率先落地作為優(yōu)異的鈉離子電池正極材料需要具備以下因素：（1）較高的容量和氧化還原電勢(shì)；（2）對(duì)電解液適應(yīng)性強(qiáng)；（3）較好的離子和電子電導(dǎo)率；（4）在空氣中易于制備、保存、運(yùn)輸以及低的成本；（5）較好的循環(huán)性能和倍率性能。目前，受到研究者廣泛關(guān)注的鈉離子電池正極材料主要包括層狀金屬氧化物、普魯士藍(lán)類化合物及聚陰離子型化合物。每種類型的材料都存在著一些特征缺點(diǎn)，層狀金屬氧化物結(jié)構(gòu)多變從而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差;普魯士藍(lán)循環(huán)穩(wěn)定性較差且材料高溫易分解，存在潛在危險(xiǎn);聚陰離子型化合物容量較低，導(dǎo)電性也較差。鋰鈉同族，化學(xué)性質(zhì)接近鈉元素和鋰元素為同主族元素，具有某些相似的化學(xué)性質(zhì)。鈉離子電池的架構(gòu)、封裝工藝與鋰電池高度相似，生產(chǎn)鋰電池的工廠不必經(jīng)過大的改動(dòng)就能直接進(jìn)行鈉電池生產(chǎn)。鈉電池有望向上制衡鋰電、向下蠶食鉛酸。鈉電池一方面與鉛酸電池相比，在循環(huán)、成本、能量密度等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)，有望向下蠶食鉛酸市場(chǎng)；另一方面，因整體性能與鋰電池接近、成本優(yōu)勢(shì)顯著，有望向上制衡鋰電池應(yīng)用的壟斷性。液流電池應(yīng)用局限性較大，難以作為鋰電池的平替。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、鈉離子電池、液流電池和鈉硫電池等類別。自2022年6月29日國家能源局在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見稿）》中提出中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池之后，液流電池的關(guān)注度上升，但該類電池初始投資成本高、占地面積大，液流電池在動(dòng)力電池和便攜式儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用價(jià)值較低，并不能夠作為制衡鋰電池的PlanB。鈉電池負(fù)極材料-硬碳：生物質(zhì)基是目前研究重點(diǎn)，秸稈、毛竹等有望批量應(yīng)用生物質(zhì)基硬碳：生物質(zhì)由于來源廣泛、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保，而且其本身就具有豐富的雜原子和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，是另一種重要的硬碳前驅(qū)體。常見的生物質(zhì)包括木質(zhì)纖維素類（喬木類、秸稈類、干質(zhì)果殼類）和多糖淀粉類（種子類）等，椰子殼和秸稈則是其中較為典型的兩種生物質(zhì)材料。椰子殼路線：其作為負(fù)極的鈉離子電池性能理想，具有較高的可逆比容量及長(zhǎng)循環(huán)壽命，可逆比容量為305mAh/g，首次庫倫效率為79．3%，在0．1A/g的電流密度下循環(huán)130周后容量保持率為97．8%，且具有機(jī)械強(qiáng)度和振實(shí)密度高、孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、灰分含量低等特點(diǎn)，有望成為一種較為理想的鈉離子電池負(fù)極材料。秸稈路線：一方面其性能同樣優(yōu)秀，秸稈中含有大量的氧和微量的氮，富氧官能團(tuán)可以產(chǎn)生更多的電化學(xué)活性位點(diǎn)，一定量的氮?jiǎng)t可以增加碳材料的導(dǎo)電性，根據(jù)Qin等學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈在0．25C電流密度下循環(huán)100次后，擁有277mA?h/g的比容量，在1C下循環(huán)20次后也擁有202mA?h/g的比容量，即使是在5C的高電流密度下循環(huán)2000次，仍擁有105mA?h/g的比容量，表明該材料具有非常出色的循環(huán)穩(wěn)定性和優(yōu)異的電子傳輸能力，在較長(zhǎng)的充放電周期中仍能保持穩(wěn)定的比容量。另一方面秸稈產(chǎn)量可觀，可避免露天燃燒處理而造成的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。生物質(zhì)雖然是一種優(yōu)質(zhì)碳的來源，但各種生物質(zhì)的結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致衍生的硬碳的性能之間存在巨大差異；且存在大量無機(jī)雜質(zhì)，需要進(jìn)一步探索出綠色環(huán)保、工藝簡(jiǎn)單的雜質(zhì)去除過程；此外，生物質(zhì)容易受到季節(jié)和環(huán)境的制約，導(dǎo)致供應(yīng)鏈穩(wěn)定性較差。鈉電中長(zhǎng)期成本優(yōu)勢(shì)顯著成本優(yōu)勢(shì)顯著，鈉在地殼中具有更高的豐度，約占地殼儲(chǔ)量的2．64%，且廣泛分布在世界各地，原料端碳酸鈉提煉簡(jiǎn)單、價(jià)格遠(yuǎn)低于碳酸鋰，碳酸鈉常年處于3000元/噸以內(nèi)水平，以2022年8月數(shù)據(jù)為例，兩者價(jià)差約170倍。再加之鈉離子電池可以使用較為便宜的鋁箔作為集流體材料，進(jìn)一步節(jié)約成本。鈉電池在低溫、安全性方面具備優(yōu)勢(shì)鈉電整體性能與鋰電接近，能量密度稍遜，但低溫、安全和倍率性能突出。能量密度方面，在目前的技術(shù)條件下，鈉離子電池的電芯能量密度約為70-200Wh/kg，高于鉛酸電池的30-50Wh/kg，相較于三元鋰電的200-350Wh/k有所遜色，但與磷酸鐵鋰電池的150-210Wh/kg有重疊范圍，且尚有較大的技術(shù)進(jìn)步空間。低溫表現(xiàn)方面，相比于鋰離子電池-20℃到60℃的工作溫度區(qū)間，鈉離子電池可以在-40℃到50℃的溫度區(qū)間正常工作，-20℃環(huán)境下容量保持率近90%，高低溫性能更優(yōu)秀。安全性方面，