鈉離子電池行業(yè)發(fā)展分析報告

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展分析報告2021年9月1.什么是鈉離子電池——原理與結(jié)構(gòu)1.1.發(fā)展歷程鈉離子電池的研發(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。1979Armand到2080年代后期，鋰離子電池得到了快速地發(fā)展和應(yīng)用，其標(biāo)志為1991年SONY公司成功進行了商業(yè)化應(yīng)用。2010的發(fā)展。近年來，鋰離子電池在消費、動力和儲能三大類領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開始，鈉離子電池的研究一直進展緩慢和停滯。直到2000年，硬碳負(fù)極材料的發(fā)現(xiàn)才使得鈉離子電池迎來了轉(zhuǎn)折。到2010年前后，鈉離子電池的相關(guān)學(xué)術(shù)研究快速增加。到2020年，全球已有二十多家企業(yè)致力于鈉離子電池的研發(fā)，意味著鈉離子電池正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。圖：鈉離子電池與鋰離子電池的發(fā)展歷程圖：鈉離子電池的學(xué)術(shù)研究快速增加資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、市場研究部1.2.工作原理鈉離子電池在充電時，Na的貧鈉態(tài)，負(fù)極處于低電勢的富鈉態(tài)；放電過程則與之相反，Na穿過隔膜嵌入正極材料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。理想的充放電情況下，Na料間的嵌入和脫出不會破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)，充放電過程發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是高度可逆的。+從正極脫出，經(jīng)電解液橫穿隔膜嵌入負(fù)極，使正極處于高電勢從負(fù)極脫出，經(jīng)電解液在正負(fù)極材++4圖：鈉離子電池的“搖椅式”工作原理資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、市場研究部4.5V的電壓窗口為基準(zhǔn)，鈉離子的電壓窗口可達(dá)4.2V，相對較寬，可實現(xiàn)達(dá)到相對較高的能量密度，適合作為電荷載體。但鈉離子的質(zhì)荷比和離子半徑都比鋰離子大，因而鈉離子電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度理論上均不及鋰離子電池。且鈉離子半徑較大，這意味著在電池的運行過程中，鈉離子在材料中的嵌入和脫出，對材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動力學(xué)提出了更高的要求。圖：各金屬離子電荷載體的化學(xué)特性1.3.主要材料與鋰離子電池相同，鈉離子電池的構(gòu)成同樣主要包括正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體等，但在材料選擇上二者存在較大差異。?商業(yè)化價值的有普魯士白和層狀氧化物兩類材料，克容量可達(dá)160mAh/g，與現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料相當(dāng)。?5350mAh/g能，整體性能指標(biāo)與鋰電池的石墨相當(dāng)。?開展研究和開發(fā)。??隔膜：可以借鑒鋰離子電池相對成熟的體系。鋁箔，負(fù)極集流體則選擇銅箔；而鈉離子電池正負(fù)極均可以選擇成本較低的鋁箔。表：鈉離子電池和鋰離子電池主要材料比較鋰離子電池磷酸鐵鋰鎳鈷錳鋰石墨鈉離子電池層狀氧化物類普魯士白類正極材料負(fù)極材料電解質(zhì)隔膜無定形碳六氟磷酸鋰PP/PEPP/PE正極鋁箔負(fù)極銅箔集流體鋁箔資料來源：OFweek圖：寧德時代通過電荷重排設(shè)計的鈉離子電池正極材料圖：寧德時代鈉離子電池負(fù)極使用的改性后的硬碳材料資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、市場研究部資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、市場研究部1.4.生產(chǎn)工藝鈉離子電池的生產(chǎn)工藝可以參照鋰離子電池，生產(chǎn)線也與鋰離子電池類似。圖：鈉離子電池生產(chǎn)線原理示意圖6差異之處主要在于鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體，因此正、負(fù)極的極耳可以相同，極耳相關(guān)的生產(chǎn)工序可以更加簡化。從產(chǎn)品封裝形態(tài)上看，鈉離子電池也鋰離子電池類似，同樣可分為圓柱、軟包和方形硬殼三大類。2.為什么選擇鈉離子電池——特性與優(yōu)勢2.1.鈉元素的資源豐富且分布廣泛鈉資源的豐度遠(yuǎn)高于鋰元素，全球分布均勻，價格低廉且穩(wěn)定，無發(fā)展瓶頸。鋰元素地殼中的含量只有0.0065%70%圖：全球鋰資源分布圖資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、市場研究部隨著鋰離子電池在消費、動力和儲能三大領(lǐng)域快速應(yīng)用，鋰離子電池的生產(chǎn)制造達(dá)到了空前規(guī)模，并且各大鋰電池生產(chǎn)商都在不斷的擴大其產(chǎn)能，這導(dǎo)致2021年以來鋰資源需求緊張，價格大幅上漲。圖：年以來國內(nèi)電池級碳酸鋰單價（單位：元噸）資料來源：wind、市場研究部7而鈉資源非常豐富，其在地殼中的豐度位于第6源和地域的限制，所以鈉離子電池相比鋰離子電池有非常大的資源優(yōu)勢。此外，由于鈉易獲取且價格低廉，所以鈉離子電池也具有很大的潛在價格優(yōu)勢。表：鈉資源與鋰資源對比地殼豐度2.75%分布價格（元/kg）鈉鋰全球20.0065%75%在美洲150資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、市場研究部2.2.鈉離子電池的理論成本更低鈉離子電池的材料成本與鋰離子電池相比有30%-40%的下降空間。由于鈉資源價格遠(yuǎn)低于鋰資源，大大降低了鈉離子電池正極材料的價格。此外，鈉電池的負(fù)極集流體可以使用鋁箔而非鋰電池需要使用的銅箔，進一步降低了鈉離子電池的成本。據(jù)中科海鈉測算，鈉離子電池（NaCuFeMnO/軟碳體系）的材料成本與鋰離子電池（磷酸/石墨體系）相比有30%-40%圖：鈉離子電池和鋰離子電池對比資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、市場研究部2.3.鈉離子電池在低溫及安全性能等方面有優(yōu)勢隨著研究的不斷深入，鈉離子電池的潛在優(yōu)勢被不斷發(fā)掘。尤其是高、低溫下性能優(yōu)異以及較高的安全性，為鈉離子電池在儲能和動力領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。表：鈉離子電池的性能優(yōu)勢性能優(yōu)勢主要表現(xiàn)高、低溫性能優(yōu)異安全性高高低溫測試均顯示出較高的容量保持率過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試不起火、不爆炸鈉離子電池和鋰離子電池有相似的工作原理和電池結(jié)構(gòu)鋁集流體兩側(cè)分別涂布正、負(fù)極，可提高能量密度和單體電芯電壓比鋰離子更易脫溶劑化，界面反應(yīng)動力學(xué)更好低鹽濃度電解液具有較高的電導(dǎo)率兼容已有鋰電設(shè)備雙極性電池鈉離子溶劑化能低低鹽濃度電解液寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg；常溫下充電15分鐘電量達(dá)到80%-20C90%以上的放電保持率；系統(tǒng)集成效率可以達(dá)到80%以上；熱穩(wěn)定性優(yōu)異，超越了國家動力電池強標(biāo)的安全要求?？傮w而言，其第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池，但是，在某些性能表現(xiàn)上，特別是低溫性能和快充方面，具有明顯的優(yōu)勢，特別適用于高寒地區(qū)高功率應(yīng)8圖：寧德時代第一代鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池性能對比資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、市場研究部3.鈉離子電池怎么樣——現(xiàn)狀與前景3.1.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀從目前全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的進程來看，目前尚處于導(dǎo)入期；從產(chǎn)品參數(shù)上看，我國處于領(lǐng)先地位。目前，國內(nèi)外已有超過二十家企業(yè)正在進行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要FARADIONNAIADESNatronEnergy日本岸田化學(xué)、豐田、松下、三菱化學(xué)，以及我國的寧德時代、北京中科海鈉、浙江鈉創(chuàng)新能源、遼寧星空鈉電等。表：全球鈉離子電池公司及產(chǎn)品情況公司體系產(chǎn)品主要性能指標(biāo)10Ah軟包電池能量密度達(dá)到140Wh/kg英國FARADIONNi基層狀氧化物硬碳體系電池平均工作電壓3.2V在80%DOD下的循環(huán)壽命預(yù)測可超過1000次2C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了10000次但體積能量密度僅為50W·1Ah鈉離子18650電池美國NatronEnergy法國NAIADES普魯士藍(lán)對稱水系工作電壓達(dá)到3.7V氟磷酸釩鈉硬碳體系能量密度90Wh/kg1C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了次軟包電芯能量密度為100～120Wh/kg循環(huán)1000次后容量保持率超過92%。能量密度超過135Wh/kg鈉創(chuàng)新能源中科海鈉Ni基層狀氧化物硬碳體系Cu基層狀氧化物煤基碳材料體系電池平均工作電壓3.2V在3C/3C、100%DOD循環(huán)1000次后容量保持率91%電芯單體能量密度高達(dá)160Wh/kg常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上在-20C低溫環(huán)境中擁有90%以上的放電保持率寧德時代普魯士白硬碳體系資料來源：中國儲能網(wǎng)、寧德時代官網(wǎng)、市場研究部9圖：全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局資料來源：中國儲能網(wǎng)、市場研究部3.2.成本分析基于鈉離子電池和鋰離子電池相似的工作原理、結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造工藝等，二者的成本結(jié)構(gòu)也基本相同，主要包括原材料成本、制造成本（包括人工成本、廠房、設(shè)備、能源、質(zhì)量根據(jù)胡勇勝博士等測算，以NaCP10/64/165軟包電池為例，在2020年大致成本構(gòu)成中原材料占比約為60%，其余成本占比約40%。在原材料成本中，正極、負(fù)極材料（包括導(dǎo)電32%10%18%和15%25%NaCP10/64/165算正極分別為銅鐵錳層狀氧化物、普魯士白類和鎳鐵錳層狀氧化物時的BOM成本分別為0.26/Wh0.26元和0.31/Wh。圖：2020年鈉離子電芯成本分解圖：年鈉離子電芯原材料成本分解???預(yù)計成本為：銅鐵錳層狀氧化物為28.8元/kg，普魯士白類為26.4元/kg，鎳鐵錳層狀氧化物為42.4/kg。內(nèi)市場上無定形碳的成本為8-20材料成本預(yù)計低于1.5萬元/t。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ECDMCEMCDEC和PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體系。目前國產(chǎn)鋰離子電池電解液主流成本為3-5萬元/t，鈉離子電池電解液規(guī)?；?yīng)后與鋰離子電池相比成本會更低。?隔膜：目前常用的隔膜主要為PP、PEPP/PEPP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、涂膠10的使用需求。目前國內(nèi)7μm厚度的主流濕法隔膜成本為1.8-2.1元/m2，干法雙拉隔膜成本約為0.8-1.2/m2，使用陶瓷隔膜成本則會高50%??目前市場上電池級別銅箔成本（80-90/kg）約為電池級鋁箔成本（24-30元/kg）的3耳成本有所降低；且鋁極耳焊接工藝更簡單，也可以降低部分制造成本。表：基于銅鐵錳層狀氧化物正極材料的NaCP10/64/105軟包鈉離子電池成本序號材料名稱單位用量0.04690.02160.00150.00090.00150.00020.02690.00600.00660.66460.03602.00000.01030.0300單價單位28.80RMB/kg15.00RMB/kg115.00RMB/kg45.00RMB/kg60.00RMB/kg60.00RMB/kg15.00RMB/kg23.50RMB/kg23.50RMB/kg1.30RMB/m^22.50RMB/卷0.30RMB/pcs26.00RMB/kg20.00RMB/kgRMB理論成本成本比例1.350027.48%0.32406.60%0.17303.52%0.04090.83%0.09021.84%0.01360.28%0.20154.10%0.14142.88%0.15483.15%0.864017.59%0.09001.83%0.600012.21%0.26915.48%0.600012.21%4.9125100.00%123456789銅鐵錳層狀氧化物無定形碳正極黏結(jié)劑負(fù)極黏結(jié)劑正極導(dǎo)電炭負(fù)極導(dǎo)電炭NMP正極鋁箔負(fù)極鋁箔10隔膜m^211高溫絕緣膠帶12極耳卷pcs13鋁塑膜14電解液合計單位能量成本RMB/Wh0.26表：基于普魯士白類正極材料的NaCP10/64/105軟包鈉離子電池BOM成本序號材料名稱單位用量0.04290.02160.00240.00090.00240.00020.03970.00570.00630.63570.03602.00000.01030.0300單價單位26.50RMB/kg15.00RMB/kg115.00RMB/kg45.00RMB/kg60.00RMB/kg60.00RMB/kg15.00RMB/kg23.50RMB/kg23.50RMB/kg1.30RMB/m^22.50RMB/卷0.30RMB/pcs26.00RMB/kg20.00RMB/kgRMB理論成本成本比例1.135723.19%0.32406.62%0.27385.59%0.04090.84%0.14292.92%0.01360.28%0.29766.08%0.13472.75%0.14773.02%0.826416.88%0.09001.84%0.600012.25%0.26915.50%0.600012.25%4.8965100.00%123456789普魯士白類無定形碳正極黏結(jié)劑負(fù)極黏結(jié)劑正極導(dǎo)電炭負(fù)極導(dǎo)電炭NMP正極鋁箔負(fù)極鋁箔10隔膜m^211高溫絕緣膠帶12極耳卷pcs13鋁塑膜14電解液合計單位能量成本RMB/Wh0.2611表：基于鎳鐵錳層狀氧化物正極材料的NaCP10/64/105軟包鈉離子電池成本序號材料名稱單位用量0.04620.02160.00150.00090.00170.00020.03030.00570.00630.63570.03602.00000.01030.0300單價單位42.40RMB/kg15.00RMB/kg115.00RMB/kg45.00RMB/kg60.00RMB/kg60.00RMB/kg15.00RMB/kg23.50RMB/kg23.50RMB/kg1.30RMB/m^22.50RMB/卷0.30RMB/pcs26.00RMB/kg20.00RMB/kgRMB理論成本成本比例1.956935.55%0.32405.89%0.17033.09%0.04090.74%0.10371.88%0.01390.25%0.22694.12%0.13472.45%0.14772.68%0.826415.01%0.09001.64%0.600010.90%0.26914.89%0.600010.90%5.5045100%123456789鎳鐵錳層狀氧化物無定形碳正極黏結(jié)劑負(fù)極黏結(jié)劑正極導(dǎo)電炭負(fù)極導(dǎo)電炭NMP正極鋁箔負(fù)極鋁箔10隔膜m^211高溫絕緣膠帶12極耳卷pcs13鋁塑膜14電解