鈉電池行業(yè)調(diào)研報告分析

鈉電池行業(yè)調(diào)研報告

鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有一定優(yōu)勢。一是鈉元素儲備更豐富，鈉是地殼中儲量第六豐富的元素，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，價格穩(wěn)定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會和鈉合金化，因此鈉離子電池負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)特性及儲存機制，鈉離子電池有相對穩(wěn)定的電化學(xué)性能和安全性。全球范圍內(nèi)，我國鋰資源儲量有限全球可用鋰資源稀缺且分布不均，價格寡頭壟斷，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，具有極強的電化學(xué)活性，具有儲能功能，其在地殼中含量僅約0．0065%，豐度居第二十七位，從資源總量來看其實并不稀缺，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)濟可行的鋰鹽提取方法，其中大量的鋰資源量無法計入儲量。（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。鈉電池正極材料-普魯士藍類化合物理論容量高，成本低，間隙水問題需解決普魯士藍類正極材料（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，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，最多可以實現(xiàn)兩個Na+的有序脫出/嵌入，對應(yīng)理論比容量達到170mAh/g（以NaFe[Fe（CN）6]為例）。普魯士藍的苦惱：空位和間隙水導(dǎo)致電化學(xué)性能惡化。普魯士藍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)后不僅會降低材料的初始鈉含量，而且會導(dǎo)致容量在循環(huán)過程中快速下降，惡化電化學(xué)性能，阻礙實際應(yīng)用。鋰電池價格上漲，推動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極儲鈉能力欠缺，對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)硬碳負極具備優(yōu)異的可逆儲鈉能力，學(xué)界才繼續(xù)推進。到2010年，隨鋰離子電池研究和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)趨于成熟，以及對鋰資源的擔憂，鈉離子電池的研究和產(chǎn)業(yè)化進程，進入復(fù)興時期。直至2021年7月，寧德時代發(fā)布第一代鈉離子電池，宣布計劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈，疊加鋰價在2021年底-2022年年初快速上漲，引發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈對互補、替代方案鈉離子電池的高度重視，涌現(xiàn)數(shù)十家推動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)碳酸鋰價格飛漲的局面。數(shù)據(jù)顯示，我國磷酸鋰價格在2021年年末到2022年年初價格增長迅速，導(dǎo)致鋰離子電池原材料成本較高，價格上漲趨勢明顯，將使其在大規(guī)模儲能中的應(yīng)用受到限制。同時，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豐富，成本低廉。為了防止國外對鋰資源的壟斷，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)的儲能電池發(fā)展受限問題。因為能量密度的短板，鈉離子電池的應(yīng)用尚出現(xiàn)在中高端的電動汽車上，在微型電動車及兩輪電動車上將率先應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的收入水平的提高，兩輪電動車的產(chǎn)銷量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，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。由于兩輪電動車產(chǎn)品價格較低，適合中、小型城市和縣鄉(xiāng)市場的用戶，未來市場空間廣闊，有利于促進鈉離子電池需求量的增長。當前電動兩輪車、A00級電動車受鋰離子電池價格上漲的影響，選擇性價比較高的鈉離子電池進行替代，隨著電動兩輪車、A00級電動車的不斷發(fā)展，鈉離子電池的需求量向好發(fā)展，同時，鈉離子電池可利用廉價的鈉鹽取代鋰鹽作為電池關(guān)鍵原料，已經(jīng)成為新一代儲能電池研究的熱點，在快速發(fā)展的儲能領(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，其市場價格走勢不斷下降，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。從專利申請量來看，在2017-2021年間，中國鈉離子電池專利申請量整體上處于上升趨勢，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請量有小幅下降，較2019年減少33項，根據(jù)IP管家統(tǒng)計，2022年1-11月的申請量達到了1379項，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。國內(nèi)鋰資源開采成本較高，中長期價格有望較高我國鋰鹽對外依存度近八成，或?qū)?gòu)成潛在威脅。我國鋰資源供應(yīng)對能源和產(chǎn)業(yè)安全的威脅不容忽視。我國的鋰資源儲量總量并不稀缺，從2020年數(shù)據(jù)來看，我國的鋰資源儲量總量全球占比6．31%，緊隨智利、澳大利亞、阿根廷，位列第四，但現(xiàn)實是我國80%的鋰資源供應(yīng)依賴進口（澳洲鋰礦和南美鹽湖等地），是全球鋰資源第一進口國。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，因此電池級碳酸鋰的有效產(chǎn)能不足。加之新能源汽車和儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，我國鋰資源供給與需求量形成強烈對比。產(chǎn)量方面，2022年全國鋰離子電池產(chǎn)量達750GWh，同比增長超過130%，其中儲能型鋰電產(chǎn)量突破100GWh。鋰電一家獨大或?qū)?gòu)成我國潛在的威脅，發(fā)展替代方案對于保障我國能源供應(yīng)和產(chǎn)業(yè)安全具有重要意義。鈉電池市場空間：四輪車-2025年有望達到48．45GWh鈉電池有機會滲透的動力電池市場主要包括A00級、A0級以及A級三種電動車。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級別電動車車型，未來鈉電池能滿足的續(xù)航里程有望進一步提升至500公里，能夠覆蓋的車型則將進一步延伸至A型級別電動車。由于上游原材料尤其是鋰價的持續(xù)高位，電動車領(lǐng)域受到持續(xù)性沖擊。鈉離子電池憑借成本優(yōu)勢，在產(chǎn)品標準化程度提高后，有望切入A00級、A0級以及A級電動車領(lǐng)域。預(yù)計2023-2025年鈉電池在A00級、A0級以及A級電動車市場的滲透率將逐年升高，2025年分別達到30%、20%、15%，2025年對鈉離子電池需求總量有望達到48．45Gwh。中國鈉離子電池市場前瞻鈉離子電池主要分為四種，其中鈉硫電池和鈉-氯化鈉電池為高溫鈉離子電池，水系鈉離子電池和溶劑系鈉離子電池為常溫鈉離子電池。目前已開始小批量應(yīng)用的主要是常溫鈉離子電池，尤其是以溶劑系鈉離子電池。在產(chǎn)業(yè)鏈方面，上游的正極和負極以及電解液添加劑都需要培育新的供應(yīng)鏈，在隔膜、集流體、電解液溶質(zhì)以及生產(chǎn)線可以與鋰離子電池共用；而在下游，主要取代鉛酸電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池的市場，主要應(yīng)用領(lǐng)域為電動二輪車、低速車、儲能、電動船舶以及電動工具。造成鈉離子電池目前沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因有：鈉離子電池現(xiàn)階段相對于鋰離子電池并沒有明顯的價格優(yōu)勢。鈉離子電池相對于鋰離子電池（磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池）存在能量密度劣勢。由于鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟，鈉離子電池的配方?jīng)]有經(jīng)過足夠多的迭代，性能潛力挖掘不夠，潛在的性能缺陷較多。由于用戶的使用慣性和路徑依賴，用戶更愿意接受成熟度更高的鋰離子電池。各細分領(lǐng)域，鈉離子電池并沒有表現(xiàn)出不可替代的性能。鈉離子電池沒有大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致鈉離子電池上游供應(yīng)鏈并不成熟，鈉離子電池沒有獲得明顯的成本優(yōu)勢。從廢舊鋰電池回收退下來的梯次利用鋰電池價格低廉，并且供應(yīng)量不斷增加，進一步削減了鈉離子電池的市場可能性。目前國內(nèi)主流的最為成熟的技術(shù)路線為：正極為鈉過度金屬氧化物，過度金屬為銅鐵錳或鎳鐵錳，負極為硬碳或無煙煤軟碳，電解液溶質(zhì)為六氟磷酸鈉，電解液溶劑與目前鋰離子電池溶劑相同，正負極集流體均為鋁箔。鈉離子電池的主要競爭產(chǎn)品為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池以及梯次利用鋰電池。通過計算鈉離子正負極能量密度差異，可以得出，在相同技術(shù)條件下，鈉離子的能量密度約為錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池能量密度的0．7-0．8倍。在對比鈉離子電池與錳酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池的性能后，高工產(chǎn)研鋰電研究所認為鈉離子電池未來的應(yīng)用領(lǐng)域有望主要集中在電動二輪車市場、家庭儲能、低速車以及備電等領(lǐng)域。于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號）2021年四月下旬，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，主要目標是到2025年實現(xiàn)新型儲能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。新型儲能技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提高，核心技術(shù)裝備自主可控水平大幅提升，在高安全、低成本、高可靠、長壽命等方面取得長足進步，標準體系基本完善，產(chǎn)業(yè)體系日趨完備，市場環(huán)境和商業(yè)模式基本成熟，裝機規(guī)模達3000萬千瓦以上。新型儲能在推動能源領(lǐng)域碳達峰碳中和過程中發(fā)揮顯著作用。到2030年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展。新型儲能核心技術(shù)裝備自主可控，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)水平穩(wěn)居全球前列，標準體系、市場機制、商業(yè)模式成熟健全，與電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)深度融合發(fā)展，裝機規(guī)模基本滿足新型電力系統(tǒng)相應(yīng)需求。新型儲能成為能源領(lǐng)域碳達峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。鈉離子電池行業(yè)發(fā)展歷程與鋰離子電池工作原理相似，鈉離子電池是主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，以鈉離子嵌入化合物作為正極材料的一種可二次充電的電化學(xué)鈉離子電池。鈉離子和鋰離子電池研究均起始于20世紀70年代，由于儲能需求日益增長，低成本儲能電池技術(shù)的需求愈發(fā)緊迫，鈉離子電池研究在近十年內(nèi)突飛猛進。以NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉離子電池較磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰離子電池材料成本更低，可降低30-40%。從成本材料結(jié)構(gòu)來看，鋰離子電池正極材料成本占比最高，為43%，而鈉離子電池的正極材料成本僅為26%。鈉離子電池的制造和鋰離子電池的制造完全兼容，可以沿用鋰離子電池設(shè)備，目前鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈主要變化在正極材料。正極路線主要有：過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物、普魯士化合物和非晶態(tài)材料四種路線。過渡金屬氧化物是目前最受歡迎的正極材料如磷酸鐵鈉、錳酸鐵鈉、鈦錳酸鈉等，中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源和Faradion是該路線的主要公司;普魯士類料，具有較妤的電化學(xué)性能，具備成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但在制備過程中存在配位水含量難以控制等問題，寧徳時代、星空鈉電和NatronEnergy是該路線的主要公司;聚陰離子型材料，穩(wěn)定性和循環(huán)壽命好，化合物族類具有多樣性，但是較低的本征電子電導(dǎo)率，限制了這類材料的實際應(yīng)用。鈉電池負極材料：硬碳高性能與軟碳低成本，魚和熊掌不可兼得硬碳比容量占優(yōu)，軟碳經(jīng)濟性占優(yōu)，目前硬碳是主流。硬碳內(nèi)部碳微晶在晶體c軸方向上的碳片層堆積較少且整體呈現(xiàn)出隨機取向排列的特點，前驅(qū)體主要包括樹脂、瀝青及生物質(zhì)三類。硬碳材料