2023年鈉離子電池行業(yè)研究 鈉離子電池需求有望快速增長

2023年鈉離子電池行業(yè)研究鈉離子電池需求有望快速增長核心觀點(diǎn)：鈉離子電池和鋰離子電池的工作原理非常接近，但電池材料方面存在一定差異。鈉離子電池是利用鈉離子在充放電時(shí)，在正極、負(fù)極材料中反復(fù)地嵌入、脫出，從而發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，故其工作原理與鋰離子電池相似。電池材料上的差異主要體現(xiàn)在正極、負(fù)極和集流體方面。正極主要有三種路線，層狀氧化物有望最先規(guī)模化生產(chǎn)。層狀氧化物比容量較高、壓實(shí)密度高，但空氣穩(wěn)定性一般。鈉電層狀氧化物與鋰電三元正極的生產(chǎn)設(shè)備兼容，有望率先量產(chǎn)。普魯士藍(lán)/白化合物比容量高，價(jià)格低廉，但其結(jié)晶水的存在會(huì)影響電化學(xué)性能。聚陰離子化合物穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好，工作電壓高，但比容量較低、導(dǎo)電性差。負(fù)極以硬碳為主，軟碳為輔。硬碳作為鈉電負(fù)極，其比容量較高，但由于其原料多為生物質(zhì)，產(chǎn)率偏低，成本高。硬碳原料多樣，其中生物質(zhì)原料制備硬碳為主流選擇。軟碳相對于硬碳在結(jié)構(gòu)上更為有序，故儲(chǔ)鈉比容量較低，但采用煤、瀝青等原料，其成本低。鈉電池材料成本相較于鋰電池大幅下降。其材料成本降幅在30%-40%，其降本原因主要在于：1、金屬鈉地殼豐度高，價(jià)格遠(yuǎn)低于鋰。2、集流體不同。鋰電負(fù)極集流體必須為銅箔，而鈉電池正負(fù)極集流體可以均為更為便宜的鋁箔。鈉離子電池需求有望快速增長。鈉離子電池在原料成本、低溫下的容量保持率、耐過放電性能優(yōu)于磷酸鐵鋰電池，并且其各方面性能均超越鉛酸電池，有望應(yīng)用于電動(dòng)兩輪車（替代鉛酸電池）、A00級別電動(dòng)車以及儲(chǔ)能領(lǐng)域（替代磷酸鐵鋰電池）。據(jù)測算，全球鈉離子電池的需求量有望從2023年3.6GWh增長至2025年65.8GWh，成長空間巨大。01、鈉離子電池的構(gòu)成1.1、鈉電工作原理與電池材料鈉離子電池和鋰離子電池的工作原理非常接近，但電池材料方面存在一定差異。鈉離子電池是利用鈉離子在充放電時(shí)，在正極、負(fù)極材料中反復(fù)地嵌入、脫出，從而發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，故其工作原理與鋰離子電池相似。電池材料方面，鈉離子電池也是由正極、負(fù)極、電解液、隔膜、集流體等材料構(gòu)成，材料上的差異主要體現(xiàn)在正極、負(fù)極和集流體方面。1.2、鈉電正極路線鈉離子電池正極三種路線，性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。層狀氧化物比容量較高、壓實(shí)密度高，但空氣穩(wěn)定性一般。普魯士藍(lán)/白化合物比容量高，價(jià)格低廉，但其結(jié)晶水的存在會(huì)影響電化學(xué)性能。聚陰離子化合物穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好，工作電壓高，但比容量較低、導(dǎo)電性差。鈉電層狀氧化物正極與鋰電三元正極在制備方法上相似。制備方法主要有固相法和液相法。其中固相法采用金屬氧化物與鈉源進(jìn)行球磨，從而混合均勻，再進(jìn)行高溫煅燒。此方法流程簡單，但是需要較高的溫度，且產(chǎn)品的均一性較差。液相法先通過金屬鹽與堿溶液進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，生成前驅(qū)體，再混合鈉源，進(jìn)行煅燒，得到層狀氧化物。此方法雖然流程上相較固相法更多，但可以通過控制反應(yīng)條件，制備出均一性更好、振實(shí)密度更高的產(chǎn)物。鈉電層狀氧化物正極與鋰電三元正極的生產(chǎn)設(shè)備兼容，適合大規(guī)模生產(chǎn)。普魯士藍(lán)類正極通常采用共沉淀法制備。普魯士藍(lán)類正極可以通過熱分解法、水熱法、共沉淀法合成。其中熱分解法和水熱法生產(chǎn)效率和產(chǎn)率較低，且合成過程中容易造成亞鐵氰根分解，產(chǎn)生毒氣。共沉淀法可以視為安全環(huán)保且能夠大規(guī)模制備此類材料的方法，其工藝簡單、無需高溫?zé)Y(jié)，成本低廉。主要通過亞鐵氰化鈉、過渡金屬鹽、絡(luò)合劑等，進(jìn)行共沉淀反應(yīng)，制備而成。絡(luò)合劑的加入，可以降低過渡金屬鹽與亞鐵氰化鈉的反應(yīng)速度，從而減少空位和結(jié)晶水的形成。加入抗氧化劑和使用惰性保護(hù)氣氛的目的是使過渡金屬離子始終處于低價(jià)態(tài)，從而保證最終產(chǎn)物中較高的鈉含量?？梢酝ㄟ^采用表面包覆、金屬元素?fù)诫s、改進(jìn)工藝等方法降低結(jié)晶水和空位。星空鈉電公開了一種利用氧化鈣降低普魯士藍(lán)結(jié)晶水含量的方法（專利公開號CN115180634A），其將氧化鈣與普魯士藍(lán)研磨混合后，在惰性氣氛中加熱，在不破壞普魯士藍(lán)晶形結(jié)構(gòu)的同時(shí)，有效除水。主流的聚陰離子正極為磷酸鹽聚陰離子和硫酸鹽聚陰離子，如磷酸釩鈉和硫酸鐵鈉。釩價(jià)高昂，且隨價(jià)格波動(dòng)劇烈，釩源成本高達(dá)鈉電正極原料成本96%，從磷酸釩鈉向磷酸錳/鐵釩鈉體系的“降釩”有望降低成本。眾鈉能源主推硫酸鐵鈉體系，通過硫酸亞鐵和硫酸鈉簡單的工業(yè)級原料，搭配碳納米管，經(jīng)過混合后煅燒，即可制備。其優(yōu)勢在于：1）材料很純，原材料100%利用。2）能耗很低。3）環(huán)保、工藝簡單，不產(chǎn)生污染和副產(chǎn)物。4）材料燒結(jié)溫度相對較低，相比于鋰電和層狀氧化物七八百度以上的溫度。此外，可直接沿用目前現(xiàn)有磷酸鐵鋰的生產(chǎn)設(shè)備。1.3、鈉電負(fù)極路線鈉電負(fù)極主要采用硬碳和軟碳。石墨是商業(yè)化的鋰離子電池負(fù)極材料，但因?yàn)殁c離子半徑大于鋰離子，石墨的層間距對于鈉電而言過小，鈉離子在石墨層間嵌入和脫出較為困難，故鈉離子電池負(fù)極材料使用結(jié)構(gòu)含有大量的缺陷的無定形碳（包括硬碳和軟碳），其儲(chǔ)鈉容量相比石墨更大。軟碳是指在2500℃以上的溫度下可以石墨化的碳材料，否則即為硬碳。硬碳作為鈉電負(fù)極，其比容量較高，但由于其原料多為生物質(zhì)，產(chǎn)率偏低，成本高。軟碳相對于硬碳在結(jié)構(gòu)上更為有序，故儲(chǔ)鈉比容量較低，但采用煤、瀝青等原料，其成本低。目前主流廠商在鈉電負(fù)極上的布局，以硬碳為主，軟碳為輔。硬碳原料多樣，其中生物質(zhì)原料制備硬碳為主流選擇。生物質(zhì)原料可選范圍多樣（椰殼、秸稈、毛竹等），所制備的硬碳綜合性能適中，但需要解決原料穩(wěn)定供應(yīng)和產(chǎn)品一致性等問題；高分子類原料（酚醛樹脂等），其所制備的硬碳比容量高，產(chǎn)品均一，結(jié)構(gòu)易調(diào)控，但是成本高昂；瀝青、無煙煤等原料雖然成本較低，但是其所制備的硬碳比容量相對較低。1.4、鈉電電解液鈉離子電池電解液與鋰離子電池電解液配方相似，均由電解質(zhì)、溶劑和添加劑組成。碳酸酯類溶劑EC和PC，具有電化學(xué)窗口寬、介電常數(shù)大、化學(xué)穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，是鈉電池優(yōu)異的有機(jī)溶劑。醚類溶劑，因其在鈉電體系中具有更好的抗氧化還原能力，可以在負(fù)極表面生成薄且穩(wěn)定的SEI膜和高的首次庫侖效率，也可于鈉電池，但其很少在鋰電池中使用。溶質(zhì)從鋰電池的六氟磷酸鋰（LiPF6）換成鈉電池的六氟磷酸鈉（NaPF6）。兩者合成的原理和技術(shù)路線相似，六氟磷酸鈉容易量產(chǎn)。添加劑方面，鈉電與鋰電體系并無太大區(qū)別，主要有成膜添加劑、阻燃添加劑、過充保護(hù)添加劑等。1.5、其它集流體方面，鈉電池正負(fù)極集流體均使用廉價(jià)的鋁箔，但鋰電池負(fù)極集流體必須為銅箔。這是由于鋁和鈉在低電位不會(huì)發(fā)生合金化反應(yīng)，而鋁和鋰在低電位下易發(fā)生此反應(yīng)。故鋁箔在鈉電池中的用量，相對于鋰電池，翻倍增長。在隔膜方面，鈉電池與鋰電池均可使用PP、PE隔膜。02、鈉離子電池的成本和性能2.1、鈉電成本鈉電池材料成本相較于鋰電池大幅下降。其材料成本降幅在30%-40%，其降本原因主要在于：1、金屬鈉地殼豐度高，價(jià)格遠(yuǎn)低于鋰。此外，鈉電正極還選用資源量豐富的鐵、銅、錳等金屬，故正極材料價(jià)格大幅下降，正極占比從鋰電的43%下降至26%。2、集流體不同。鋰電負(fù)極集流體必須為銅箔，而鈉電池正負(fù)極集流體可以均為鋁箔。鋁價(jià)格遠(yuǎn)低于銅。2.2、鈉電性能鈉離子電池在成本、低溫性能等方面具備優(yōu)勢。雖然鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池在能量密度、循環(huán)壽命方面存在差距，但是其原料成本相較于磷酸鐵鋰電池低30%左右，并且其低溫下的容量保持率、耐過放電性能均優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。鈉電池可放電至0V，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸方面比鋰電池更穩(wěn)定。將鈉離子電池與鉛酸電池對比，可發(fā)現(xiàn)鈉離子電池各方面性能均超越鉛酸電池，有望在鉛酸電池的主流應(yīng)用場景中實(shí)現(xiàn)替代。03、鈉離子電池的市場空間鈉離子電池需求有望快速增長。根據(jù)鈉離子電池的上述性能，我們推斷其未來主要應(yīng)用于對能量密度要求較低，但對成本敏感的領(lǐng)域，如電動(dòng)兩輪車（替代鉛酸電池）、A00級別電動(dòng)車以及儲(chǔ)能領(lǐng)域（替代磷酸鐵鋰電池）。據(jù)測算，全球鈉離子電池的需求量有望從2023年3.6GWh增長至2025年65.8GWh，成長空間巨大。04、鈉離子電池重點(diǎn)企業(yè)分析4.1、中科海鈉公司研發(fā)實(shí)力領(lǐng)先。公司專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)，現(xiàn)擁有以中國科學(xué)院物理研究所陳立泉院士，胡勇勝研究員為技術(shù)帶頭人的研究開發(fā)團(tuán)隊(duì)。除鈉電池外，公司同時(shí)供應(yīng)鈉電池正負(fù)極材料與電解液。正負(fù)極材料分別選用成本低廉的鈉銅鐵錳氧化物和無煙煤基軟碳，從而具備了明顯的成本優(yōu)勢。目前已經(jīng)成功開發(fā)出了NaCP08/80/138等不同規(guī)格型號的鈉離子軟包電池，以及鈉離子圓柱NaCR26650、NaCR32138電池。能量密度已達(dá)到145Wh/kg，是鉛酸電池的3倍左右。2021年12月，公司與三峽能源、三峽資本及安徽省阜陽市人民政府達(dá)成合作，共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)模化量產(chǎn)線。該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5GWh，分兩期建設(shè)，一期產(chǎn)能1GWh。2022年11月，中科海鈉（阜陽）全球首條GWh級鈉離子電池生產(chǎn)線產(chǎn)品下線。阜陽海鈉1GWh鈉離子電池生產(chǎn)項(xiàng)目總投資5.88億元。后續(xù)將在各方共同努力推動(dòng)下，建設(shè)不少于30GWh鈉離子規(guī)模量產(chǎn)線。公司與華陽股份合作。2022年，華陽股份與中科海鈉通過華鈉銅能、華鈉碳能、華鈉芯能，布局2000噸鈉離子電池正負(fù)極材料以及1GWh鈉離子電池電芯（圓柱鋼殼和方形鋁殼）。電池正負(fù)極材料已經(jīng)于2022年3月試生產(chǎn)。4.2、華陽股份公司是國內(nèi)無煙煤龍頭，積極轉(zhuǎn)型發(fā)展新能源。公司與中科海鈉合作：公司間接持有中科海鈉7.75%股權(quán)。兩者深度合作，成立合資公司華鈉銅能和華鈉碳能，布局鈉電池正負(fù)極材料各2000噸/年。設(shè)立全資子公司華鈉芯能，建設(shè)鈉電電芯1GWh。公司與多氟多合作：公司與多氟多，通過梧桐樹資本的產(chǎn)業(yè)基金，布局鈉電電解質(zhì)和添加劑。4.3、寧德時(shí)代其第一代鈉離子電池，正極材料采用比容量較高的普魯士白，創(chuàng)新性地對材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決普魯士白循環(huán)過程中容量快速衰減的問題；負(fù)極材料采用具有特殊孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳。電芯能量密度達(dá)160Wh/kg；常溫下充電15分鐘，電量達(dá)到80%以上；零下20℃，仍有90%以上放電保持率；系統(tǒng)集成效率達(dá)到80%以上。在系統(tǒng)集成方面，公司開發(fā)了AB電池系統(tǒng)解決方案，即鈉電與鋰電兩種電池按一定比例進(jìn)行混搭，通過BMS精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制，從而彌補(bǔ)了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，也發(fā)揮出了它高功率、低溫性能好的優(yōu)勢。第一代鈉離子電池既可以用于電動(dòng)車，尤其在高寒地區(qū)優(yōu)勢明顯，又可以適配儲(chǔ)能全場景應(yīng)用。4.4、傳藝科技公司主要從事筆記本電腦輸入設(shè)備的研發(fā)、制造和銷售。是全球四大頂級鍵盤制造商（達(dá)方電子、群光電子、精元電腦、光寶電子）柔性線路板核心部件的主要供應(yīng)商，為聯(lián)想、惠普、戴爾、華碩四大品牌筆記本電腦提供鍵盤配套，全球市占率20.56%，國內(nèi)市占率40%。公司致力于鈉電池產(chǎn)業(yè)一體化模式，包括鈉離子電池正極、負(fù)極、電解液、電芯四個(gè)研發(fā)部門來進(jìn)行。同時(shí)，公司與3所大學(xué)合作研發(fā)。公司鈉電池產(chǎn)品性能優(yōu)異。鈉電池中試線已經(jīng)于2022年10月27日投產(chǎn)，18650型號電池在2022年12月中旬送到第三方測試機(jī)構(gòu)測試，能量密度157Wh/kg，低溫-20℃的容量保持率93%，兩周共測試100多圈，容量保持率99.6%。中試生產(chǎn)的產(chǎn)品，已經(jīng)達(dá)到超過5000次的循環(huán)壽命，可以滿足A00級車、小動(dòng)力車、兩輪車和儲(chǔ)能的客戶使用需求。公司鈉電池進(jìn)程較快,2023年上半年可投產(chǎn)。一期4.5GWh的廠房建設(shè)已完畢，設(shè)備已陸續(xù)進(jìn)場安裝，預(yù)計(jì)2023年上半年左右即可投產(chǎn)。包括兩條圓柱電池生產(chǎn)線和一條方形電池生產(chǎn)線，其中圓柱的生產(chǎn)線主要用于A00和兩輪車方面，方形電池主要用于儲(chǔ)能方面。兩條業(yè)務(wù)線各占50%，同時(shí)運(yùn)行，不分先后。二期產(chǎn)能規(guī)劃依據(jù)市場情況而定。預(yù)計(jì)2023年鈉電池出貨量2-3GWh。4.5、維科技術(shù)公司鋰電池業(yè)務(wù)以3C數(shù)碼電池為核心，積極拓展動(dòng)力和儲(chǔ)能電池市場。其為國內(nèi)排名前五的3C數(shù)碼電池供應(yīng)商，客戶包括國內(nèi)主流手機(jī)品牌、歐美主要通訊運(yùn)營商等。維科動(dòng)力電池以維科電池十余年的鋰電池生產(chǎn)技術(shù)為依托，可生產(chǎn)軟包動(dòng)力電池、鋁殼動(dòng)力電池等電芯產(chǎn)品，應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋乘用車電池、特種車輛電池、家電用電池、儲(chǔ)能電池等。公司與浙江鈉創(chuàng)深度合作，保證鈉電材料供應(yīng)。2022年9月，公司與浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司簽訂《戰(zhàn)略框架協(xié)議》及《增資協(xié)議》