钠电池产业行动计划分析

钠电池产业行动计划

2017年10月11日，《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》（简称《指导意见》）正式发布。《指导意见》是我国大规模储能技术及应用发展的首个指导性政策，由国家能源局科技司牵头，电力司、新能源司、市场监管司参加的起草工作小组和20位专家组成的专家咨询组，委托中关村储能产业技术联盟牵头，中科院工程热物理所、中科院物理所、中国电科院、清华大学等具体负责相关研究工作。随着《指导意见》的颁发与落实，以及储能技术的迅猛发展、成本不断下降、电力市场改革的推进，储能技术与产业应用未来的前景无疑将越来越广阔。十三五期间，科技部通过国家重点研发计划智能电网技术与装备重点专项，对电池储能相关技术进行了系统部署。其中，钠基储能电池技术作为重点支持方向之一，在高安全长寿命和低成本钠基储能电池的基础科学问题研究等项目系列成果推动下进步显著。国家正式提出研究开展钠离子电池等新一代高能量密度储能技术试点示范《十四五新型储能发展实施方案》正式印发，国家正式提出研究开展钠离子电池等新一代高能量密度储能技术试点示范。方案提出，推动多元化技术开发。开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢（氨）储能、热（冷）储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究，集中攻关超导、超级电容等储能技术，研发储备液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池等新一代高能量密度储能技术。突破全过程安全技术。突破电池本质安全控制、电化学储能系统安全预警、系统多级防护结构及关键材料、高效灭火及防复燃、储能电站整体安全性设计等关键技术，支撑大规模储能电站安全运行。钠电中长期成本优势显著成本优势显著，钠在地壳中具有更高的丰度，约占地壳储量的2．64%，且广泛分布在世界各地，原料端碳酸钠提炼简单、价格远低于碳酸锂，碳酸钠常年处于3000元/吨以内水平，以2022年8月数据为例，两者价差约170倍。再加之钠离子电池可以使用较为便宜的铝箔作为集流体材料，进一步节约成本。从电池循环寿命来看，钠离子电池远高于铅酸电池行业内一般以钠/锂电池满充满放的循环次数来计算循环寿命。在使用的过程中，离子电池内部会发生不可逆的电化学反应导致容量下降，比如电解液的分解，活性材料的失活，正负极结构的坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等等。通过科学实验表明，更高倍率的放电会导致容量更快的衰减，如果放电电流较低，电池电压会接近平衡电压，能释放出更多的能量。目前，钠离子电池的循环寿命远高于铅酸电池，距离锂电池还有些差距;低温挥发率较高，为85%;每月自放电率低于锂离子电池，为5%。钠电池正极材料：多路线推进，层状氧化物有望率先落地作为优异的钠离子电池正极材料需要具备以下因素：（1）较高的容量和氧化还原电势；（2）对电解液适应性强；（3）较好的离子和电子电导率；（4）在空气中易于制备、保存、运输以及低的成本；（5）较好的循环性能和倍率性能。目前，受到研究者广泛关注的钠离子电池正极材料主要包括层状金属氧化物、普鲁士蓝类化合物及聚阴离子型化合物。每种类型的材料都存在着一些特征缺点，层状金属氧化物结构多变从而结构稳定性差;普鲁士蓝循环稳定性较差且材料高温易分解，存在潜在危险;聚阴离子型化合物容量较低，导电性也较差。钠电池负极材料-硬碳：首次库伦效率和倍率性能是核心参数指标性能短板：低的首次库伦效率和差的倍率性是硬碳性能的短板，通过优化工艺流程得到初步解决。首次库伦效率：硬碳具有大的比表面积和大量缺陷，从而造成低的首次库伦效率。而首次库伦效率低反应了电池在首次充放电过程中发生了大量的不可逆反应，其中主要包括再循环过程中电解液分解形成电解质界面膜（SEI）对部分钠离子的消耗和由高比表面积、孔隙、缺陷和官能团引起的其他不可逆反应的结果。在全电池中，钠含量的消耗直接影响电池的容量，低的库伦效率必将造成电池整体容量的较大衰减。因此，减小硬碳负极材料的比表面积、减少缺陷及闭合部分孔隙，从而提高硬碳材料的库伦效率是产业化必须解决的问题。目前在工艺流程上，可通过软硬碳复合、小分子填补缺陷以及降低热解速率等措施得到提升。倍率性能：反应出负极材料内部动力学性能，其中包括电子的导电性和离子的扩散速率。普遍认为，相对于钠离子在硬碳材料层间的脱嵌，在材料表面缺陷的吸/脱附相对来说更容易。丰富的缺陷及较大的层间距都有利于硬碳倍率性能的提升。目前在工艺流程上，可通过软硬模板结合法、碱活化、掺杂等来改善。钠离子电池在资源丰富度、成本等方面具有优势钠离子电池与锂离子电池摇椅式工作原理类似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。近几年，钠离子电池开始逐步进入规模化试验示范阶段。2018年6月，首辆钠离子电池低速电动车问世；2021年6月，中科海钠发布世界首个1MWh钠离子电池储能系统。这意味着，继铅蓄电池、锂离子电池等电化学储能体系后，钠离子电池开始在储能领域崭露头角，有望推动新能源产业的进一步发展和变革。钠离子电池在资源丰富度、成本等方面具有一定优势。一是钠元素储备更丰富，钠是地壳中储量第六丰富的元素，地理分布均匀，成本低廉；而锂资源在地壳中储量仅为0．002%，不到钠的千分之一，且全球分布具有地域性。二是钠离子化合物可获取性强，价格稳定且低廉。此外，在低电压下铝不会和钠合金化，因此钠离子电池负极可使用铝集流体而不必像锂电池使用铜集流体，从而降低电池的成本和重量。三是钠元素和锂元素有相似的物理化学特性及储存机制，钠离子电池有相对稳定的电化学性能和安全性。另一方面，目前钠离子电池在产业化进程中尚存在能量密度较低、循环寿命较短、配套供应链与产业链不完善等问题，仍处于商业化探索和持续改进中。预计未来随着产业投入的加大，技术走向成熟、产业链逐步完善，高性价比的钠离子电池有望成为锂离子电池的重要补充，尤其是在固定式储能领域将具有良好发展前景。锂电池价格上涨，推动钠离子电池需求量的增加钠离子电池的研发起步较早，产业化应用的速度不及锂离子电池，但近年来学术研究和产业应用的热度持续上升。在1967年，高温钠硫电池出现是钠离子电池发展的萌芽时期，到1979年法国的Armand提出了摇椅式电池的概念后，由于锂离子电池体系中应用较为广泛的石墨负极储钠能力欠缺，对钠离子电池的研究几乎停滞。直至2000年加拿大Dahn等发现硬碳负极具备优异的可逆储钠能力，学界才继续推进。到2010年，随锂离子电池研究和产业链建设趋于成熟，以及对锂资源的担忧，钠离子电池的研究和产业化进程，进入复兴时期。直至2021年7月，宁德时代发布第一代钠离子电池，宣布计划2023年形成基本产业链，叠加锂价在2021年底-2022年年初快速上涨，引发全产业链对互补、替代方案钠离子电池的高度重视，涌现数十家推动钠离子电池及原材料量产的企业。磷酸锂是一种锂离子电池电极材料，主要用于锂离子电池。近年来由于我国电动汽车产量快速增长，导致锂离子电池产能的提升，从而出现碳酸锂价格飞涨的局面。数据显示，我国磷酸锂价格在2021年年末到2022年年初价格增长迅速，导致锂离子电池原材料成本较高，价格上涨趋势明显，将使其在大规模储能中的应用受到限制。同时，锂元素的地壳丰度只有0．0065%，我国锂资源十分短缺，大部分依赖于进口，而钠元素的地壳丰度为2．74%，地域分布广泛，我国的钠资源较锂资源相对丰富，成本低廉。为了防止国外对锂资源的垄断，我国将大力发展钠离子电池，以替代锂离子电池，在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题。因为能量密度的短板，钠离子电池的应用尚出现在中高端的电动汽车上，在微型电动车及两轮电动车上将率先应用。数据显示，近年来，随着经济的快速发展，人们的收入水平的提高，两轮电动车的产销量整体呈现上涨趋势，其中产量从2017年的3113万辆增加到2021年的5443万辆，销售量从2017年的2943万辆增加到2021年的4100万辆。由于两轮电动车产品价格较低，适合中、小型城市和县乡市场的用户，未来市场空间广阔，有利于促进钠离子电池需求量的增长。当前电动两轮车、A00级电动车受锂离子电池价格上涨的影响，选择性价比较高的钠离子电池进行替代，随着电动两轮车、A00级电动车的不断发展，钠离子电池的需求量向好发展，同时，钠离子电池可利用廉价的钠盐取代锂盐作为电池关键原料，已经成为新一代储能电池研究的热点，在快速发展的储能领域，钠离子电池有望成为重要的技术路线之一。在2017-2021年中，我国钠离子电池供给量和需求量呈现逐年上升的趋势，其市场价格走势不断下降，从2017年的7．14亿元/GWh下降到2021年的6．66亿元/GWh。目前，我国钠离子电池处于发展前期，还未形成基本的产业链。从专利申请量来看，在2017-2021年间，中国钠离子电池专利申请量整体上处于上升趋势，其中2020年受疫情影响，钠离子电池的申请量有小幅下降，较2019年减少33项，根据IP管家统计，2022年1-11月的申请量达到了1379项，可见，钠离子电池逐步受到各方面的重视，未来市场占有率也将逐步提升。中国钠离子电池市场前瞻钠离子电池主要分为四种，其中钠硫电池和钠-氯化钠电池为高温钠离子电池，水系钠离子电池和溶剂系钠离子电池为常温钠离子电池。目前已开始小批量应用的主要是常温钠离子电池，尤其是以溶剂系钠离子电池。在产业链方面，上游的正极和负极以及电解液添加剂都需要培育新的供应链，在隔膜、集流体、电解液溶质以及生产线可以与锂离子电池共用；而在下游，主要取代铅酸电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池的市场，主要应用领域为电动二轮车、低速车、储能、电动船舶以及电动工具。造成钠离子电池目前没有大规模应用的主要原因有：钠离子电池现阶段相对于锂离子电池并没有明显的价格优势。钠离子电池相对于锂离子电池（磷酸铁锂电池和锰酸锂电池）存在能量密度劣势。由于钠离子电池产业链不够成熟，钠离子电池的配方没有经过足够多的迭代，性能潜力挖掘不够，潜在的性能缺陷较多。由于用户的使用惯性和路径依赖，用户更愿意接受成熟度更高的锂离子电池。各细分领域，钠离子电池并没有表现出不可替代的性能。钠离子电池没有大规模应用，导致钠离子电池上游供应链并不成熟，钠离子电池没有获得明显的成本优势。从废旧锂电池回收退下来的梯次利用锂电池价格低廉，并且供应量不断增加，进一步削减了钠离子电池的市场可能性。目前国内主流的最为成熟的技术路线为：正极为钠过度金属氧化物，过度金属为铜铁锰或镍铁锰，负极为硬碳或无烟煤软碳，电