钠离子电池行业研究：厚积薄发产业链加速布局

钠离子电池行业研究：厚积薄发，产业链加速布局1、钠离子电池：从基础研究走向产业化应用1.1、前期研究停滞，如今终获重视钠离子电池起步较早，但前期研究进展缓慢。钠离子电池从上世纪70年代起便得到学术界的关注，甚至早于锂离子电池的研究。随着在90年代锂离子电池的成功商业化，锂电池相继在消费、动力和储能等领域被广泛应用，而钠离子电池的发展悄然中止。技术变革与锂资源约束推动钠离子电池复兴。21世纪以来由于锂资源的稀缺和分布不均，钠离子电池技术逐渐重新回到科研界的视野。背靠快速增长的新能源产业，钠离子电池的相关研究突飞猛进，技术进步下钠离子电池的优势不断被发掘，发展潜力逐步显现。1.2、工作原理相似，材质性能各异钠电池与锂电池结构类似，可借鉴锂电池产业化经验。钠离子电池与锂离子电池均属于可充电电池，都遵循脱嵌式工作原理，主要结构都包括正极、负极、集流体、电解液和隔膜。当钠离子电池充电时，钠离子从正极脱出，经过电解液和隔膜到达负极并嵌入，使正极电势高于负极，外电路电子从正极进入负极；放电过程则与之相反。正因为钠电池在架构方面与锂电池的高度相似，因此二者可以实现在电池生产设备、工艺方面的兼容和产线的快速切换。钠离子电池的特性体现在如下方面：

原材料资源丰富，具有重要战略意义和经济价值。统计数据显示，锂离子电池所需的锂、钴、镍在地壳中的丰度仅为17ppm（百万分之一），30ppm和90ppm；且我国现阶段80%的锂资源依赖进口，锂资源供应受地缘政治影响，价值波动性大。相比之下钠离子电池正极常用的钠、铁、锰在地壳中的丰度则分别为23000ppm、63000ppm和1100ppm，且分布更加均匀。一方面，钠离子电池的应用可以缓解全球锂资源供不应求的局面，缩小供需缺口；另一方面，丰富的钠盐储量和成熟的提取工艺共同决定了钠离子电池更低的材料成本以及成本波动幅度（后文将详细分析）。理论能量密度上限低于三元锂电池，但能量密度区间与磷酸铁锂电池有重叠。钠离子电池能量密度为70-200Wh/kg，与NCM三元锂电池240-350Wh/kg范围无重合，远高于铅酸电池的30-50Wh/kg；理论上高能量钠电池和LFP锂电池在同一水平，固态钠电池的理论能量密度甚至有望超过400Wh/kg，但是现阶段能够投入量产的钠电池能量密度尚未突破160Wh/kg水平。钠离子提升能量密度的高确定性长期技术路径是“液态→半固态→固态电解质”，液态电池阶段正极材料的技术突破也为能量密度提供进步空间。仅从能量密度的角度考虑，钠电池有望首先替代铅酸和磷酸铁锂电池主导的低速电动车、储能等市场，短期内难以撬动消费电子和动力电池领域的市场。安全性高，高低温性能优异。钠离子电池在高低温测试中均显示出较好的容量保持率。由于钠离子电池内阻略高导致瞬间发热量少，其在过充、过放、短路、针刺、挤压等测试中也未出现起火或爆炸，安全性和稳定性为钠电池开拓高寒和运输相关市场。快充优势显著，循环寿命长。快充能力方面，钠离子的斯托克斯直径比锂离子更小，相同浓度的电解液离子电导率高出20%，或者为达到同样离子电导率允许使用更低浓度电解液；钠离子的溶剂化能比锂离子更低，具有更好的界面离子扩散能力。循环寿命方面，钠电池的理论循环可达到10000次，现阶段在3000-6000次左右，基本相当于磷酸铁锂电池。2、产业需求差异化，技术路线多样2.1、正极材料：性能各有优劣主要的正极材料包括过渡金属层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物。三种材料均处在持续研发和产业化探索的过程中，在比容量、稳定性、电导性等方面各有优劣。此外，由于钠离子电池有较为完善的专利保护，因此各个生产商选择的技术路线分化明显，尚不存在某一明确的主导技术路线。过渡金属氧化物分为隧道型和层状氧化物，其中后者极具商业应用前景。层状氧化物具有O2、O3、P2和P3四种结构。P2和O3两种层状氧化物有良好的结构以供离子通过，电极材料比容量分别为100mAh/g、140mAh/g，与硬碳组成的全电池实际能量密度较高（超过120Wh/kg）。但是，层状氧化物材料中选用部分过渡金属仍然会存在结构稳定性和循环性能差的问题，需要通过引入活性或惰性元素进行掺杂或取代。尽管如此，层状金属氧化物因为可以借鉴锂离子电池常使用的固相法或共沉淀法实现低成本规模化生产，仍然是当前比较主流的正极材料，受到中科海钠、钠创新能源、英国Faradion等公司的青睐。目前，P2结构材料通过多种元素混合形成的改进材料首圈比容量最高可实现190mAh/g。聚阴离子化合物主要分为橄榄石结构、NASICON结构、三斜结构以及混合聚阴离子化合物材料，结构稳定但比容量较低、导电性偏低。橄榄石型材料体系与锂电池已有体系有相通之处，NaFePO4可采用与LiFePO4相似的制备方法，但是这种材料在规模化过程中工艺较为复杂，且长循环性能需要进一步考察。Na3V2(PO4)3和Na3V2(PO4)2F3作为NASICON结构型材料的代表，经过改性后可以克服比容量低的缺陷，但需要使用成本较高且有毒性的V元素。现阶段研究该技术路线的企业有我国中科院物化所和法国Tiamat公司。目前，通过溶胶凝胶法、固相法等工艺进行的优化可使材料比容量和导电性有较大提升，利用模板法所开发的43(4)227/材料首圈比容量最高可达128.5mAh/g。普鲁士蓝类似物电化学性能好，成本优势明确，但技术门槛较高。普鲁士蓝类似物材料具有开放式的隧道结构和很高的结构稳定性，可实现较高的能量密度。Na2FeFe(CN)6和Na2MnFe(CN)6两种材料都在进行产业化验证，稳定循环比容量可达到140mAh/g，与硬碳组成全电池的实际能量密度可达130-160Wh/kg，理论能量密度为500-600Wh/kg。现阶段宁德时代、美国NatronEnergy、瑞士Altris等公司在探索普鲁士化合物材料的规模化制备。2.2、负极材料：优选无定形碳针对钠离子电池的负极，目前科研界开发出了合金类材料、金属氧化物和硫化物材料、有机材料和碳基材料四大类。其中，碳基材料中的无定形碳材料最有希望实现商业化。碳基材料被视为十分有发展前景的钠电池负极材料。按照石墨化程度，碳材料可以分为石墨类碳和无定型碳两大类。其中，石墨化程度较高的碳材料由于比表面积较大，有序性较强使得库伦效率极低，难以满足商业应用；而归属于无定形碳中的硬碳表现出了高达530mAh/g的储钠比容量，即便经过高温处理也难以出现石墨化的现象，表现出更强的储钠能力以及更低的工作电位，例如宁德时代开发了比容量160mAh/g、具有独特孔隙结构的硬碳材料，但材料成本高昂是硬碳的瓶颈。中科海钠则考虑软碳路线，采用成本更加低廉的无烟煤作为前驱体，通过简单的粉碎和一步碳化得到无烟煤基钠离子电池负极材料，储钠容量220mAh/g，在所有的碳基负极材料中具有最高的性价比。其他负极材料暂时难以满足商业化需要，研究仍处起步阶段。合金材料尽管从理论来看具有较强的储钠性能，但由于此类材料在形成合金的过程中体积会大幅度膨胀，导致电池的容量值减小，造成电极粉化或开裂的风险。金属氧化物、硫化物等金属化合物负极材料本身循环性能和倍率性能较弱，其性能的改善依赖于引入纳米结构、包覆结构材料或杂原子掺杂等方式。2.3、电解液：钠盐取代锂盐钠离子电池使用钠盐电解质，并不会颠覆现有锂电体系电解质格局。钠离子电池仍以液体非水系电解液为主，根据正极材料搭配六氟磷酸盐或高氯酸盐电解质。钠离子电池电解液与锂离子电池电解液配方相似，均由电解质、溶剂和添加剂组成，最大的区别是电解质由锂离子变为钠离子。六氟磷酸钠的生产反应工艺、设备和过程成本和六氟磷酸锂基本一致，区别仅是其原料用钠盐替代了碳酸锂。天赐材料、新宙邦、多氟多等公司已拥有钠离子电解液的技术储备，钠离子电池电解液的生产体系可全部沿用现有锂离子电池体系，可共享产能。2.4、集流体：铜箔变为铝箔钠离子电池正负极集流体均使用铝箔，将推升电池用铝箔需求。目前锂离子电池正极用铝箔、负极用铜箔，每1GWh电池集流体要使用铝600-800吨和铜箔700-900吨。由于钠离子不会和负极的铝离子发生化学反应，因此钠离子电池的负极集流器可以用铝箔替代铜箔，达到降低成本、降低电池重量、提高运输环节安全性的效果。钠离子电池集流体铝箔与锂电池基本相同、性能要求接近，加上电池用铝箔行业进入门槛较高、扩产周期长，我们认为华峰铝业、鼎盛新材、万顺新材等目前锂电池用正极集流体铝箔供应商通过加强铝箔在负极的适配研究，将会迅速占领钠电池用铝箔市场并受益于供需紧张造成的价格上升。3、降本路径清晰，产业链待完善3.1、成本节点已至，能量密度驱动降本钠离子电池的材料成本相比于锂离子电池有30-40%的下降空间。根据中科海钠提供的数据，磷酸铁锂电池的材料成本约为0.43元/Wh，铜基钠离子电池的材料成本约为0.29元/Wh，如果不考虑回收则为0.40元/Wh，略低于磷酸铁锂电池。钠离子电池与锂离子电池的材料成本差异主要体现在：1）正极铜铁锰氧化物的成本为磷酸铁锂的1/2左右；2）煤基碳负极材料成本不到锂电池石墨的1/10；3）钠电池可使用低浓度电解液降低电解液成本；4）同等容量的钠电池中铝箔集流体成本是锂电池铝箔+铜箔集流体的1/3。提高能量密度是进一步降低钠离子电池成本的必然途径，锂电池成本提升为钠离子电池推广打开空间。从整体角度考虑电池总成本，可以发现不仅电池设计和材料选用影响成本，加工成本、管理费用、折旧等同样是重要的成本因素。国内学者以现有钠电池正负极材料的比容量、辅件价格和实现效率为基础，估算出钠离子电池的辅材和制造成本占到总成本的75%，并认为是较低的能量密度导致了更高的辅材成本占比，发展高能量密度的钠离子电池体系，是进一步降低成本的必然途径。钠离子电池的推广初期，受限于生产规模，供应量整合等因素，成本有逐渐优化的过程，而在锂离子电池原材料价格尤其是碳酸锂价格持续上涨的情况下，锂电池成本随之上升，为钠离子电池的推广打开了更大的空间。3.2、产业链待成熟，市场规模助力降本产业链不成熟和市场规模有限导致目前钠离子电池的制造成本较高。现阶段钠离子电池体系由于制备工艺不成熟、生产设备有待改善，导致生产效率较低、产品一致性差、生产良率不高，生产成本一定程度上抵消了材料成本优势。以储能设备为例，目前钠离子电池的制造成本高于1元/Wh，显著超过磷酸铁锂电池；钠离子电池的理论度电成本（仅基于电池生产成本和循环寿命计算，不考虑运维等）在0.2-0.3元，尚未与磷酸铁锂电池的度电成本拉开明显差距。我们预计当产能达到GWh级别时，钠离子电池的设备度电成本将会随着生产过程中的设备折旧费用降低而继续下降。4、应用场景多元，市场空间可观4.1、从储能到动力，应用场景广泛储能赛道新，动力需求高，未来皆可期。结合上文所述，相比于锂离子电池，钠离子电池的优势在于成本更低、安全性能好、低温表现好、快充性能好；不足在于能量密度低、输出功率低；这些特征为钠离子电池在低端储能和动力领域的应用提供良好基础。钠离子电池正处于产业化初期，中短期内承担补充锂电池的角色，长期随着能量密度提升有望在锂电池主流应用领域对磷酸铁锂电池形成部分替代。目前正值全球大规模储能产业快速发展的时期，钠离子电池将凭借其独特的优势率先切入储能市场，未来可应用于低速电动交通工具、家庭储能、电网储能等场景，以实现更高性价比为目标。储能领域：电化学储能市场爆发，钠离子电池成本优势明确。根据CNESA统计，2020年底我国储能项目累计装机规模35.6GW，其中电化学储能规模位列第二，与抽水蓄能规模相比差距悬殊。在中国新能源发电规模大幅增长、电池成本持续下降、分布式能源大规模推广的背景下，电化学储能行业将面临更广阔的市场机遇。2019年起，我国先后在上海、江苏和山西分别启用了钠离子电池储能微电网、100kWh钠离子电池储能电站、1MWh钠离子电池储能电站，规模为世界之最，标志着钠离子电池在电化学储能领域的高效应用。4.2、细分领域需求匹配，应用有望多点开花细分领域的应用有望实现多点突破，预计率先在储能、电动两轮车和A00级别电动车领域推广。储能产品对空间和重量等性能需求不敏感，对能量密度要求不高，根据测算，国内储能装机需求2020/2025年分别为13GWh、46.4GWh，海外储能装机需求2020/2025年分别为13GWh、90.2GWh，国内A00级别电动汽车装机需求2020/2025年分别为8.35GWh、72.13GWh，国内电动两轮车装机需求2020/2025年分别为10.7GWh、42.9GWh。以上应用场景在2022-2025年合计装机潜在需求分别为66.7/92.1/122.1/161.4GWh。5、产研齐头并进，商业布局加速钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段，国内外已有超过二十家企业正在进行钠离子电池产业化的相关布局。取得重要技术进展的公司主要包括英国FARADION、法国NAIADES、瑞士ALTRIS、美国NatronEnergy、日本岸田化学、丰田等，以及我国的宁德时代、中科海钠、钠创新能源等，不同企业所采用电化学体系各有不同。生产研发齐头并进，正极材料是重点。基于专利数量的技术发展趋势通常遵循“新兴-成长-成熟-饱和”四个连续的阶段。开发前阶段的特点是年度专利数量呈指数增长，而成长阶段的特点是公司已经在对技术进行整合和商业化，因此专利新增数量下降。钠离子电池每年的专利申请数量直到2019年一直保持急剧增长，之后便呈下降趋势，标志着钠离子电池技术进入成长阶段，国内机构缩减研究并聚焦于商业化应用。从专利细分技术来看，国内的宁德时代和中科院物理所（中科海钠）研究重点均放在正极上，中科院物理所（中科海钠）又在钠离子电池正极、负极、电解质、隔膜、电芯、模组等技术领域均布局多项专利。企业参与+政策支持，加快钠离子电池量产进程。钠离子电池产业链相关公司同样在积极布局，包括上游资源、中游材料及电芯企业。得益于钠电池和锂电池的生产可以迅速切换，国内数十家锂电企业正在为实现钠电池的产业化做相关