钠离子电池：后起之秀，时机已至

钠离子电池发展回顾：钠离子电池与锂离子电池原理相同，都属于“摇椅式电池”由正极、负极、电解液和隔膜四部分构成，其中正负极材料决定了钠电池的性能。（1）正极材料：三种主要路线：层状过渡金属氧化物、普鲁士类化合物和聚阴离子化合物，前两者产业实践更为广泛，中科海钠采用了Cu-Fe-Mn三元层状氧化物正极材料 ， 电池能量密度达到135Wh/kg；宁德时代采用普鲁士白正极材料，电池样品能量密度达到160Wh/kg。（2）负极材料：优选碳基材料，其中中科海钠的高温裂解无烟煤负极能量密度高且成本低。（3）电解液和隔膜：技术近似锂电，但是所选材料与锂电有所区别，成本更低。（4）集流体：正负极采用铝箔，成本远低于锂电负极所用铜箔。钠离子发展历程历经三个阶段，2010年后迅速开启商业化进程。 钠离子电池应运而起：锂电资源有限且价格高企，需要替代品钠电资源丰富价廉环保，钠离子电池应运而起。相比于锂电池，钠离子电池的最突出优势在于（1）经济性：资源丰富，提炼简单；与锂电工艺相通，容易切换复用产线；集流体等辅材成本较低。（2）安全性：内阻大，瞬时发热量小，热安全事故风险小；可放电到0V，不存在过放问题，安全运输；工作适温范围大。 钠离子电池未来产业方向：基于钠离子的特性，未来主要发展方向为储能和低速交通。（1）储能：国家出台各项政策支持储能发展，转型新型电力系统发展储能具有必要性和重要性。电化学储能是目前应用最广泛灵活的储能形式之一，但是锂电成本高企且安全事故频发，钠电的经济性和安全性凸显，性能可满足长时储能场景，可作为优质替代。（2）低速交通：相比于铅酸电池和锂电池，钠电用于低速交通性能优越，成本较低，且更为环保。 行业格局：目前仍是钠电商业化发展初期阶段，产业格局未定，各家纷纷布局争先，其中典型代表有中科海钠、宁德时代和钠创新能源。中科海钠2021年6月与华阳股份共同开发并投运1MVh钠离子电池储能系统；2022年7月全球首条GWh钠离子电池生产线落成，后续将落实投产二期项目。 宁德时代2021年7月发布第一代钠离子电池能量密度达160Wh/kg，预期第二代超200Wh/kg，2023年形成基本产业链。钠创新能源创新铁酸钠基正极材料能量密度达130-160 Wh/kg，与绍兴滨海新区签约8万吨钠离子电池正极材料项目，预计2022年内完成3000吨正极材料和5000吨电解液的投产。 投资建议：强烈看好煤企转型的投资机会，强烈推荐煤炭转型先锋华阳股份。全国无烟煤龙头，主业尚具增量；钠电全产业链布局成型，步入收获期；新能源+储能”多头并进，转型加速推进。 风险提示：钠离子电池技术发展不及预期；锂电池成本下降超预期；储能政策支持不及预期。 重点标的 股票代码 1.钠离子电池发展初探：工作原理与发展历程 1.1钠离子电池：锂电同源，后起之秀 钠离子电池的工作原理与锂离子电池极为相似。Li和Na属于同一主族元素并具有相似的物理化学性质，钠离子电池和锂离子电池都属于摇椅式电池，主要通过钠离子在正负极之间的嵌入和脱出实现电荷转移。 图表1：钠离子电池工作原理 钠离子电池主要由正极、负极、电解液和隔膜四部分构成，其中正极和负极材料的结构和性能决定着整个电池的储钠性能。相较于锂离子电池，钠离子半径和体积较大，材料结构稳定性和动力学性能上面不占据优势，需要更多的技术突破，而技术选择的焦点集中于正极材料和负极材料，这决定了钠离子电池的性能和成本。 1.1.1正极材料：层状过渡金属氧化物vs普鲁士类化合物vs聚阴离子化合物 正极材料主要为电池提供离子源，决定了电池的能量密度。目前正极材料主要有三种路线，分别是层状过渡金属氧化物、普鲁士类化合物和聚阴离子化合物，前两者在商业应用上的实践更为广泛，典型代表分别是中科海钠和宁德时代。 图表2：钠离子电池正极材料分类 层状过渡金属氧化物NaxMO2（M为过渡金属元素，如Mn、Ni、Cr、Fe、Ti和V及其复合材料）比容量高且易于加工量产，可以分为单金属氧化物、二元金属氧化物、三元金属氧化物和多金属氧化物，在合成与电池制造方面与锂电池有相似之处。其中单层金属氧化物是参照锂电池 LiCoO2 研究，但是结构不稳定，而掺入多种元素的二元或三元金属氧化物可以具有较高的可逆容量及较好的循环寿命，但同时也提升了成本。在产业实践方面得到了较为广泛的应用，其中英国Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元层状氧化物正极材料，电池能量密度超过160Wh/kg，循环寿命在3000次以上，未来有进一步提升的空间。中科海钠采用了Cu-Fe-Mn三元层状氧化物正极材料，电池能量密度达到135Wh/kg，具有较好的循环稳定性。 普鲁士类化合物是过渡金属六氰基铁酸盐NaxMa[Mb(CN)6] (Ma为Fe、Mn或Ni等元素，Mb为Fe或Mn)，具有开放框架结构，有利于钠离子的快速迁移，氧化还原活性位点较多，具有较高的理论容量，且结构稳定性较强。但是另一方面晶体骨架中存在较多的空位和大量结晶水，会影响削弱材料的比容量和库伦效率，影响稳定性和循环性能。这些缺点需要通过技术研发来弥补，目前主要方式有采用纳米结构、表面包覆、金属元素参杂、改进合成工艺降低配位水和空位等。产业实践以宁德时代为代表，其开发的普鲁士白（NaxMn[Fe(CN)6]）材料可以较好地控制结合水形成，钠电样品的能量密度达到160Wh/kg，。 聚阴离子类化合物NaxMy[(XOm)n-]z (M为可变价态的金属离子如Fe、V等，X为P、S等元素)具有三维网络结构，结构稳定性很好，同时也具有工作电压高和循环性能好的优点，但是比容量较低且导电性偏低，目前主要采用碳材料包覆、氟化、参杂、不同阴离子集团混搭、尺寸纳米化及形成多孔结构等方式改善。产业实践相较前两者少一些，典型代表主要是法国Tiamat和中国的鹏辉能源。 图表3：钠离子三种正极材料比较 1.1.2负极材料：优选碳基材料 负极材料是钠离子电池充放电过程中离子和电子的载体，决定能量储存与释放，优选碳基材料。由于钠离子与锂离子的半径不同，钠离子无法在石墨中有效嵌入脱出，如果要应用石墨就必须要扩大石墨层间距，普通石墨材料很难实现。目前，可应用于钠离子电池的负极材料有无定形碳、金属化合物和合金类材料，由于合金类材料大多体积变化大，循环较差；金属化合物容量较低，因此无定形碳是目前最为主流的负极材料，比容量可达200-450mAh/g，分为硬碳和软碳，主要由随机分布的类石墨微晶构成，没有石墨长程有序和堆积有序的结构。软碳在高温下可以完全石墨化，导电性能优良；硬碳的优点在于储钠容量高 、 嵌钠电位低，高比容量易合成， 其在钠电的容量 （200-450m Ah/g）与石墨在锂电中的容量（ 375m Ah/g）相媲美，应用更为广泛。但目前硬碳也面临着如倍率性能弱、平台电位低而在高倍率下电池可能有风险的问题，同时成本较高（约10-20万/吨），仍需要进一步优化，降本增效。 产业内，日本公司Kuraray的硬碳产品非常成熟，其硬碳价格约在18万/吨；国内主要的负极材料厂商有杉杉股份、贝特瑞和璞泰来等。宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料。中科海钠创新性地使用无烟煤作为前驱体开发的高温裂解无烟煤负极可逆比容量约 220m Ah/g。 图表4：不同钠离子电池炭基负极的电化学性能比较 1.1.3电解液与隔膜：近似锂电 电解液是传输离子的载体，由电解质、溶剂和添加剂构成。钠离子电池的电解质与锂离子电池极为相似，以钠盐替代锂盐，如高氯酸钠等，其成本低于锂盐。溶剂分为水系和非水系，大部分沿用锂电采用的酯类有机溶剂。添加剂方面几乎同锂离子电池相比没有区别。 隔膜一方面用以隔开正、负极，一方面形成充放电回路使离子通过，钠离子电池与锂离子电池在隔膜方面技术相近，锂电池广泛应用的PP/PE隔膜可以复用，但钠离子电池更多采用玻纤隔膜，成本更低。 1.1.4集流体：使用铝箔，成本远低于锂电 钠电集流体采用铝箔，成本远低于锂电。集流体是用来连接粉末状活性物质，并将将活性物质产生的电流汇集输出、将电极电流输入给活性物质。在石墨基锂电池中，因为锂会与铝反应产生合金，因此负极必须采用铜箔作为集流体。而在钠离子电池中，钠和铝不会反应产生合金，因此正负极集流体都可以采用铝箔，成本远低于锂电池。 图表5：钠离子电池产业链 1.2钠离子电池发展回顾 1.2.1第一阶段：20世纪70年代，钠锂同期开始研究发展 20世纪70年代末，钠离子电池和锂离子电池几乎同期开展初期研究，主要集中于具有明显成本优势和能量密度优势的钠硫电池，主要应用场景为大规模储能系统。 1.2.2第二阶段：20世纪90年代，锂离子电池迅速商业化，钠离子电池搁臵实验室 1990s起，因石墨基负极材料的研发应用使得锂电池表现出出色的电化学性能，率先开始商业化，下游便携电子设备、电动工具和电动汽车需求激增，锂电池商用产业化飞速发展。但同时期钠离子因没有研发出适合的负极材料而被搁臵了开发进度，仅停留在实验室研究阶段。发展十分缓慢。 1.2.3第三阶段：2010年起，钠离子迅速走向商业化发展 2000年后，由于发现了硬碳这一适合作为钠离子电池负极的材料，钠离子电池研发开始迅速发展。2010年中科院开始研发钠离子电池，2011年全球首家钠离子电池公司英国Faradion成立，该公司已研制出10Ah软包电池样品，2017年中国首家钠离子电池公司中科海钠成立，此后发布了国内第一轮钠离子电动车示范，2021年宁德时代正式发布第一代钠离子电池，大多数公司沿用锂电池适用的非水系电解质。 2.钠离子电池应运而起：经济性+安全性 2.1锂电互补最佳选择，成本经济性优势显著 锂资源有限且高成本，需要低成本替代品。锂电池具有高能量密度和超长循环寿命等优秀的化学性能，被广泛应用于激增的便携电子设备、电动工具和电动汽车以及电网储能的场景中，近年来用于锂电池的锂用量显著增加，但是由于锂资源分布不均且大规模适宜开采的高品位锂矿资源有限，即期产能有限导致供需错配，供需缺口在近两年被迅速拉大，碳酸锂价格不断攀高，从2021年5月约8.8万元/吨抬升至2022年7月将近48万/吨，超过400%的增长率。而全球范围内80%的锂电池在中国制造，但是锂资源分布不均，根据2022年美国地质调查数据，全球锂资源储量超过89,000,000吨，我国占比仅约6%，我国有将近80%的碳酸锂依赖进口，锂电上游成本高企。 图表6：碳酸锂价格攀高，成本高企（单位：万元/吨） 图表7：2021年全球锂资源储量分布，中国依然依赖进口 相比于锂离子电池，钠离子电池具有经济性和成本优势。主要体现在： （1）钠离子资源丰富，提炼简单，成本低廉。 钠作为地壳元素丰都中排序第五的元素，地壳丰都为2.64%，高达锂资源储量的440倍多，分布更为均匀且便于提炼，同时价格相比于锂矿价格便宜将近几十倍。 图表8：地壳中钠元素的丰度 （2）与锂离子电池原理相同，工艺类似，设备相容。 钠离子电池是“踩在巨人的肩膀”发展，锂电已经经历了快速发展时期，培育出了成熟的产业链，钠离子电池与锂离子电池的设备工艺高度重合相通，复用可行性高，产线转换成本低。 （3）集流体、隔膜等关键辅材成本远低于锂离子电池。 钠离子正负极集流体均可以选择具有价格优势的铝箔，代替锂离子电池所用的高成本的铜箔。同时，锂离子电池PP隔膜不适用于钠离子电池，适用的玻纤隔膜成本更低。关键辅材的成本将远低于锂离子电池。 图表9：钠离子成本优势 2.2钠电池宽温区适用，安全性优异 锂电池安全事故频发，安全性堪忧。截至2021年底，中国电化学储能项目累计装机XXGW，在所有储能项目中仅次于抽水蓄能。但随着锂电池快速的应用推广，安全事故的风险也随之增加，尤其是电池热失控导致的安全事故频发。6月29日，国家能源局发布《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》，要求中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池和钠硫电池。