钠离子电池研究报告之二：钠电池发展对产业链和上市公司的影响估算

钠电池循环寿命和能量密度存在劣势，但成本优势使其更有经济性：钠离子半径大于锂离子同时元素周期表顺序在锂之后，这意味着钠电池的能量密度和循环寿命性能不如锂电池。但钠离子电池的成本优势仍使其在下游如储能应用场景中具有更强的经济性。根据胡勇胜等《钠离子电池储能技术及经济性分析》数据，在计及电力损耗的情况下，钠电池的度电成本上限分别较铅蓄电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池低52.2%，32.4%，54.3%。 钠电池三类正极材料路线各有千秋，层状氧化物具有先发优势：钠电池材料成本分布更为分散，其中正极材料的成本占比从锂电池的43%下降为26%。层状氧化物和普鲁士蓝体系具有更高的能量密度而聚阴离子的优势在于更长的循环寿命。从各类正极材料的原料看，钠出现的频次最高，其次为锰元素，钠电池锰源包括硫酸锰、二氧化锰等多种形式。根据我们的测算，不同技术路线对应的每KWh钠电池消耗碳酸钠和二氧化锰为0.19-1.36Kg以及0.11-1.46Kg不等。 钠电池负极路线采用无定形碳，无烟煤具有最高性价比：传统锂电池的石墨体系无法沿用钠离子电池，目前最具商业化前景的负极材料为无定形碳（硬碳和软碳），硬碳材料克容量高，但成本高昂；软碳材料克容量低，但可以使用无烟煤作为前驱体，无烟煤约150-300Ah/元相较其他生物质、沥青、酚醛树脂等前驱体具有更高的性价比。目前国内硬碳商业化仍在积极推进中，以无烟煤为前驱体的无定形碳负极路线既是技术创新也能进一步减少硬碳的进口依赖。 钠电池电解液体系与锂电池有高度相似性：作为载流子，钠离子与锂离子具有较高的化学相似性，因此钠离子电池的电解液溶剂体系也与锂离子电池较为类似。 美国Natron Energy选用水系电解液，中科海钠、钠创新能源等企业采用有机电解液。国内目前已有多氟多、天赐材料、永太科技等头部企业布局六氟磷酸钠业务，六氟磷酸钠制备工艺与六氟磷酸锂较为相似。 钠电池集流体铝箔消耗量将显著提升：由于铝制集流体在低电位下易与锂发生合金化反应，因此锂电池负极只能使用铜箔；而钠电池则可以在正极负极都使用铝箔，单Kwh钠电池消耗铝箔量将较锂电池翻倍，同时铝箔价格更低，有望进一步降低钠电池材料成本。 测算1GWh钠电池对上市公司以及行业的拉动，优先看好电池、锰、铝箔板块：钠电池的正极材料、负极材料以及电解液体系与锂电区别较大，但上市公司重合度高。若按照1GWh钠电池带动的收入相较各板块上市公司市值弹性，排序为：电池＞锰＞电池铝箔＞电解液＞正极＞负极；若测算1GWh钠电池带动的需求量相较2021年该品种国内产量的比值，排序为：电池铝箔＞电池＞锰＞负极材料＞电解液＞正极材料＞碳酸钠＞无烟煤。 投资建议：按照钠电池对上市公司以及行业的拉动排序，优先看好电池、锰和铝箔板块。推荐华阳股份，建议关注红星发展、中钢天源、湘潭电化、万顺新材、鼎盛新材、振华新材。 风险提示：钠电池业务进展不及预期等。 1、钠电池循环寿命和能量密度存在劣势，但成本优势使其更有经济性 1.1、钠离子电池简介 钠离子电池，是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似，两者都被称为“摇椅式”电池。钠离子电池的主要构成为正极、负极、隔膜、电解液和集流体。正负极之间通过隔膜隔开防止短路，电解液浸润正负极作为离子流通的介质，集流体起到收集和传输电子的作用。充电时， Na+ 从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程则与之相反， Na+ 从负极脱出，经由电解液穿过隔膜重新嵌入到正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷平衡，充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与 Na+ 一起在正负极间迁移，使正负极发生氧化和还原反应。钠离子电池工作原理与锂离子基本类似，这也给钠电池的产业化打下良好基础。 图1：钠离子电池工作原理 图2：锂离子电池工作原理 1.2、钠离子电池优势及性能 钠与锂同属于碱金属元素，在物理及化学性能方面具有相似的部分，两者都可以作为电池金属离子的载体。近年来随着锂离子电池的大规模应用，锂资源进入供不应求的供需格局。截至2022年7月29日，电池级碳酸锂价格47.0万元/吨，较2021年初提升8.3倍。2022年6月中国新能源汽车产量59万辆，渗透率达23.6%。自2022年2月起，国内电动车产量渗透率始终维持在20%以上。根据光大证券《锂钴稀土景气度高位震荡，新型电化学体系孕育生机———能源金属2022年中期投资策略》的观点，锂行业2022-2023年仍处于供应偏紧状态，不排除2022年下半年锂价重回50万元/吨以上的可能性。而钠资源在地壳中元素丰度较高，成本更低，截至2022年7月29日，碳酸钠价格仅为2782元/吨。 图3：地壳元素丰度对比 从电池性能角度来看，钠离子电池也同样优秀。2022年5月10日电池行业龙头宁德时代在互动平台表示，公司于2021年发布钠离子电池，其电芯单体能量密度高达160Wh/kg，常温下充电15分钟，电量可达80%以上，在 -20%℃低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率，系统集成效率可达80%以上。公司正致力于推进钠离子电池在2023年实现产业化。 钠离子电池的技术可行性可以从以下几方面考虑。 （1）钠资源储量丰富，分布均匀，成本低廉，足以支撑电化学储能的持续发展。 （2）与锂离子电池工作原理相似，生产设备大多兼容，短期或长期设备和工艺投入少，利于成本控制。 （3）钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔，可进一步降低电池体系成本。 （4）钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即具有更好的界面离子扩散能力； 同时，钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率；更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能更好，功率输出和接受能力更强，已公开的钠离子电池具备3 C及以上充放电倍率，在规模储能调频时应用时，可以得到很好的应用。 （5）根据目前初步的高低温测试结果，钠离子电池高低温性能更优异，在-40 ℃低温下可以放出70%以上容量，高温80 ℃可以循环充放使用，这将在储能系统层面降低空调系统的功率配额，也可以降低温度控制系统的在线时间，进而降低储能系统的一次投入成本和运行成本。 根据2020年3月容晓晖发布的文献《从基础研究到工程化探索》，锂电池原料成本为0.43元/Wh，钠离子电池原料成本为0.29元/Wh，较锂电池成本低32.6%。2020年3月碳酸锂市场均价为5.03万元/吨；碳酸钠市场均价为1481元/吨。2022年7月29日，碳酸锂价格为47.0万元/吨，则对应锂离子电池原料成本上升为0.77元/Wh；碳酸钠市场均价为2782元/吨，单吨仅上涨近1301元，远小于碳酸锂的涨价幅度。 表1：钠离子电池、锂离子电池对比 虽然钠电池核心的能量密度及循环寿命指标均弱于锂电池，但其成本优势仍使其在储能等下游应用场景具有较高经济性。根据2022年6月胡勇胜等《钠离子电池储能技术及经济性分析》一文中的结论，以铅蓄电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池和钠离子电池储能为例，采用模型计算各类电池在调峰应用场景下的全生命周期度电成本，在计及电力损耗的情况下，钠电池的度电成本上限分别较铅蓄电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池低52.2%，32.4%，54.3%。 表2：钠离子电池、锂离子电池对比 2、钠离子电池正负极材料分析 2.1、钠离子电池成本总览 根据中科海钠官网数据，若按照15万元/吨的碳酸锂价格以及2000元/吨的碳酸钠价格，钠离子电池材料成本相较锂离子电池降低30%-40%。钠电池材料成本分布更为分散，其中正极材料的成本占比从锂电池的43%下降为26%。 钠电池的正极材料、负极材料、电解液体系与锂电池均有较大差异，而集流体环节钠电池对铝箔需求量有较大带动，原先锂电池负极使用铜箔仅正极使用铝箔，而钠电池正负极都可以使用铝箔。 图4：钠离子电池与锂离子成本构成对比 表3：钠离子电池与锂离子电池主要原料对比 2.2、正极材料 正极和负极材料影响着钠离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等关键性能指标，对电池性能至关重要。和锂离子电池正极技术路线基本确定不同，目前钠离子电池相关的正极材料超100种，技术路线尚处于演进中。根据成分，主流钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。 图5：部分钠离子电池主要正极材料类型及参数 表4：钠电池正极主要材料路线 层状金属氧化物通式为NaTMO(指过渡金属，以资源较为丰富的锰和铁最为普遍)，目前工艺成熟成本较低，和三元锂电池在工艺方面有一定的共通性，拥有良好的产业化基础。 x 图6：层状金属氧化物结构示意图 常见层状氧化物材料结构如上图，在该结构中过渡金属元素和周围6个氧原子成键形成O八面体，这些八面体通过共棱互相连接，钠离子处于过渡金属的层与层之间，形成NaO层，NaO层与TMO上下交替排布。根据 Na+ 与O的堆积方式，学者们将其分为O3，P3， O2 ，P2等不同类型，其中O代表占据八面体位置，P代表占据三棱柱位置。 下图是两种常见层状氧化物的充放电电压曲线图，层状氧化物拥有高可逆容量、容易制备的亮点，同时也面临由于层状氧化物结构稳定性差而可能导致的循环性降低的问题。 图7：Na0.67Mn0.67Ni0.13Fe0.13 O2 充放电曲线 图8：NaNi0.2Mn0.5Fe0.2Cu0.1 O2 充放电曲线 n- 聚阴离子化合物的组成可用通式NaM[(TO)]（M为过渡金属离子；T为P、S、V等元素），是由钠、过渡金属以及阴离子构成，其中过渡金属主要有铁、钒、钴等。以典型聚阴离子正极材料NaV(PO)为例，3个PO四面体和2个VO八面体通过共用氧原子进行连接，成为聚阴离子体V(PO)，其中存在两类不同氧环境的 Na+ 位于该晶体的空隙或通道之中。 x y m z 32 43 43 Na+ 在聚阴离子中有三种可能存在的迁移路径：第一种是 Na+ 在两个PO四面体之间的间隙沿x方向迁移；第二种机制中 Na+ 沿y方向穿过PO四面体和VO八面体间隙；第三种机制 Na+ 是通过八面体曲折进入相邻的PO四面体和VO八面体通道。 图9：聚阴离子材料结构以及迁移机制图 由于聚阴离子对材料的氧化还原电对具有可调的诱导效应，易于成为高电位正极材料。另外由于聚阴离子化合物中阴离子结构单元通过强共价键形成三维网格结构，稳定性好，循环性能和安全性能良好。但是这种结构中较大的分子质量拖累了材料比容量与导电性的进一步提升，且材料还有一定的钒，一定程度上提高了成本。 常见的聚阴离子材料充放电电压曲线如下图所示，可以看出聚阴离子材料的曲线平缓，电压平台优秀。 图10：Na3V2(PO4)2F2充放电曲线 图11：Na3V2(PO4)3充放电曲线 普鲁士蓝类化合物的晶体结构是由过渡金属M及Fe元素分别与CN-中的N和C相连而形成的独特三维开放框架结构 。其结构通式为NaM[Fe(CN)]△·z H2O ，其中M代表铁、钴、镍、锰等过渡金属元素，△代表Fe(CN)缺陷。 x 61-y y 图12：普鲁士蓝类化合物晶体结构 普鲁士蓝类化合物独特的开放框架和三维大孔道结构特别适合钠离子的迁移和储存，其也由于成本低廉、原料丰富、理论容量高等优势受到关注。下图是常见普鲁士蓝材料的充放电曲线图，图中显示材料工作电压在3v左右，曲线平缓，容量优异。 图13：高结晶性普鲁士蓝与GO的复合材料充放电电压曲线 普鲁士蓝的缺陷主要在于制备工艺的困难，由于结晶水的产生将会影响普鲁士蓝作为电池正极的性能，所以如何去除结晶水以及预防结晶水的产生是普鲁士蓝的主要困难。从目前的研究来看，仍然需要完全没有水分的制备环境，这为普鲁士蓝材料的产业化造成了较大的阻力。 国内的正极材料由于产业体系在商业化初期，竞争格局还需继续跟踪，相关龙头