钠离子电池行业深度报告：蓄势待发，即将快速成长

钠离子电池量产成本比锂离子电池低35%左右，与锂电池形成补充。钠离子电池上游资源储量丰富廉价，中游材料成本低廉，制造环节与锂离子电池相通，钠离子电池规模量产化低成本（0.3元/Wh以下）成为锂电池的有效补充。同时，钠离子电池稳定性高，低温性能好，而且能量密度、循环次数远超铅酸，因此钠离子电池在两轮车、储能等领域有较大的市场空间。 钠离子电池属新的技术形式，正极、负极、电解液、集流体四个环节不同于锂电。正极材料：钠离子电池主要有层状金属氧化物、普鲁士蓝和聚阴离子类化合物，层状金属氧化物发展较为成熟，有望率先量产；负极材料环节：由于迁移的离子不同，硬碳与正极配对更为合适，有望成为主要材料；集流体：钠离子电池的负极可以使用铝箔；电解液：采用六氟磷酸钠作为电解质，添加剂各异，影响钠电池的性能。 预计2025年钠离子电池市场规模为398亿元，行业处于量产化前夜。钠电行业公司积极布局钠离子电池行业，宁德时代于2021年发布钠离子电池，有望于2023年形成钠离子电池产业链，传艺科技2023年I期预计达到2GWh产能，中科海纳2023年有望形成1-2GWh钠离子电池的产能，我们预计随着钠离子电池的规模量产，其成本经济性优势加速其市场渗透率，未来有望在两轮车和储能市场占据较大的空间。 投资建议：我们认为钠离子电池是能源的一种重要形式，看好钠离子电池产业的发展，看好具有核心技术的钠电池及相关材料公司，建议关注电池端：传艺科技、宁德时代、华阳股份；材料端：容百科技、振华新材、多氟多等。 风险提示：钠电池产业化进度不及预期；下游市场不及预期；产品成本超预期。 1.钠离子电池量产化在即 钠电池随着产业化加速，量产在即。1979年法国的Armand提出了“摇椅式电池”的概念，开始钠离子电池的研究。随后Delmas和Goodenough发现了层状氧化物材料可作为钠电池正极材料，Stevens和Dahn发现硬碳材料作为负极有良好的钠离子嵌脱性能。2010年以来，钠电池的研发进程加速。2011年中科院物理所研究员团队开始了钠离子电池核心技术的研发，自此以后开发出低成本的电极材料。2017年国内第一家专注于钠离子电池研发和生产的公司中科海钠成立。2021年宁德时代成功举行了第一代钠离子电池线上发布会。2022年，中科海纳和传艺科技均预计2023年量产其钠离子电池。 图1.2010年起钠电池发展提速 钠电池和锂电池均是摇椅式二次电池，是一种依靠离子在正负电极之间往返嵌入和脱出的二次电池，其中正极和负极材料均允许钠离子可逆地插入和脱出。在充电过程中，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，使正负极发生氧化还原反应，保证正负极电荷平衡；放电时则相反。 图2.钠电池是摇椅式二次电池 2.钠离子电池的构造决定其电化学性能 材料选择上，钠离子和锂离子存在较大差异，并间接导致成本差异较大。 正极方面，由于钠离子比锂离子半径大，导致其很难从层状正负极材料嵌入/脱出，因此钠离子正极材料在能量密度上有所欠缺，同时为了使钠离子更容易嵌入/脱出，相对应的正极材料选择也和锂离子电池有所差别； 负极方面，锂离子电池常用的石墨材料无法有效嵌入钠离子，需要更换材料，目前常见的是各类硬碳材料； 电解液方面，钠离子摩尔电导率更高，使得钠离子电池所需电解液浓度较低，对添加剂的要求也较低，从而带来电解液成本也较低。 隔膜方面，无较大差异； 集流体方面，钠离子电池正负极集流体均可以选用成本较低的铝箔，锂离子电池则需要正极集流体铝箔，负极集流体铜箔。 由于材料选择的差异，其成本也有较大差异。根据中科海纳官网披露的数据，如果钠离子电池选用NaCuFeMnO/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体系，钠离子电池材料成本可降低30-40%。 表1.钠离子电池和锂离子电池重要材料对比类别钠离子电池 图3.钠离子电池和锂离子电池成本对比 2.1.钠离子电池正极材料重要性显著 正极材料的电化学特性影响了整个电池的电化学特性。正极材料的理论能量密度就是电芯能量密度的上限，正极材料通过影响容纳钠离子的能力和传输通道的通畅性来影响钠电池的功率密度。同时，正极材料活性物质的损耗以及杂质成分会影响电池的寿命。目前，主流的正极材料主要包括过渡金属氧化物材料、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类材料等。 2.1.1.层状金属氧化物技术较为成熟 过渡金属氧化物对储存条件要求较高，需要掺杂元素提升比容量。过渡金属氧化物可分为层状和隧道状，用NaxMeO表示，其中Me包括Mn、Fe、Ni、Co等过渡金属元素，x为钠的化学计量数。金属氧化物合成方便、结构简单，原料来源广，但是钠离子在参与嵌脱反应的过程中由于离子半径较大，会引起氧层的滑移，造成材料结构不可逆的改变，影响循环性能。而且，材料易与空气中的水分反应，对储存条件要求较高。目前多使用元素掺杂诱导氧化还原反应来提高电池容量，减少嵌脱反应中结构的改变程度，构造人工界面包覆稳定晶体结构并提高电化学性能。 图4.层状金属氧化物掺杂铁元素后比容量增高 图5.预嵌钠构造人工界面可增加电极材料（NaFe0.5Ni0.5 O2 ）稳定性 层状金属氧化物热量高，合成方便，但稳定性较低。自1980年以来，锂离子层状氧化物一直是锂离子电池的主要正极材料，因而层状金属氧化物也得到了大家的关注。层状金属氧化物可以根据钠离子和氧形成的结构分为O型（八面体结构）和P型（三棱柱型）。其中常见的O3型钠离子含量高，电池容量高；P2型钠离子之间的层间距较高，传输速度和倍率性能较高。 图6.P2金属氧化物可以滑移为02/OP4结构，稳定性低 隧道型氧化物稳定性更高，但可逆容量低，没有得到市场的关注度。由于存在八面体结构，材料的结构更加稳定，循环性能更好。但是由于材料中钠含量较低，可逆容量较低，市场关注度不高。 图7.层状金属氧化物为正极的电池容量高、稳定性低 Faradion、中科海纳等公司使用层状金属氧化物为钠电池的正极材料。其中英国Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元层状氧化物作为正极材料，电池能量密度超过140Wh/kg，循环寿命超过3000次；中科海钠采用Cu-Fe-Mn三元层状氧化物正极材料，电池能量密度达到145Wh/kg；钠创新能源采用Fe-Ni-Mn三元层状氧化物，比容量超过130mAh/g，能量密度约为130-160Wh/kg。 2.1.2.普鲁士蓝类化合物比容量高，稳定性较低 普鲁士蓝类化合物通过引入非活性金属离子或设计不同结构等方法提升电化学性能。普鲁士蓝类化合物用AxMA[MB(CN)]·zHO表示，其中A为碱金属离子，MA和MB为过渡金属离子。其中过渡金属离子与氰根形成六配位，形成较大的三位多通道结构，有利于钠离子的嵌脱反应，所以有较高的比能量。但是普鲁士蓝类化合物热稳定性较差，电池工作过程中产生的热量会使材料分解且材料制作过程中形成的结晶水可能导致材料的晶格结构破坏造成安全问题。目前通过引入非活性金属离子或者设计不同的结构等方法可以保持材料的结构稳定性，提高电化学性能。 图8.普鲁士蓝类化合物比容量较高，稳定性较低 图9.Na2NiFe(CN)6、Na2MnFe(CN)6掺杂元素后循环次数上升 目前星空钠电和宁德时代都采用了普鲁士蓝化合物作为正极材料。其中宁德时代于2021年发布的钠离子电池，电芯单体能量密度达到了160Wh/kg，为目前全球最高水平,具有良好的快充性能，在常温下充电15分钟，电量可达80%；也具有良好的低温稳定性，在零下20°C低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。 2.1.3.聚阴离子类化合物稳定性较高，比容量较低 聚阴离子类化合物结构较稳定。聚阴离子化合物用NaxMy[(XOm)n-]z表示，其中M为可变价态的金属离子；X为P、S、V、Si等元素。聚阴离子化合物主要是多面体框架连接而成，共价键较强因而抗氧化性能高，结构稳定，循环性能较好，但由于阴离子较多，比容量和导电性偏低，且常用的钒元素价格较高，材料成本较贵。目前多使用离子掺杂来提高电池倍率能力，调节脱嵌钠的电化学性能； 使用聚合物包覆提高聚阴离子化合物的比表面积，从而提高电池的导电性和容量。 图10.聚阴离子类化合物稳定性较高，比容量较低 图11.聚阴离子类化合物掺杂锂元素重排后储钠能力增加 目前使用聚阴离子类化合物为正极材料的公司相对另外两种材料而言较少。众钠能源和高博能源使用钒基聚阴离子化合物作为电池的正极材料，广州鹏辉科技公司使用磷酸盐类钠正极做出了钠离子电池样品。其中众钠能源全体系电芯能量密度为120-160Wh/kg，循环性能可以达到2000-10000圈，且可以在零下20℃正常工作。 基于以上分析可以知道钠电池常用正极材料的特性。其中普鲁士蓝类化合物可逆容量（120-140mAh/g）和比容量较高；聚阴离子类化合物材料能量密度、稳定性和循环次数（2000次）较高；层状金属氧化物全寿命周期成本较高。 表2.钠电池常用正极材料的特性 2.2.钠电池的主流负极材料是无定形碳 可以用作钠电池负极的无定形碳主要分为硬碳和软碳。其中在2500°C以上的高温下能石墨化的为软碳，在2500°C以上的高温下不易石墨化的为硬碳。无定形碳储钠能力好、可逆比容量高、循环性能好，商业化趋势明显。同时软碳和硬碳都可以通过原子掺杂提高材料的层间距，制备纳米结构碳材料缩短钠离子扩散途径等方式提高电化学性能。 图12.硫掺杂硬碳负极材料可以提高比容量 软碳导电性较好，不可逆容量较高。软碳的结构规整程度较高，导电性较好，原材料丰富，成本低。但是钠离子在发生嵌脱反应的时候容易引起层间距的改变，所以首次充放电的不可逆容量较高。且软碳在高温下容易石墨化，层间距会减小，降低材料的储钠能力。 硬碳比容量和首次充放电效率优于软碳，成本也高于软碳。硬碳的分子结构主要是随机排列，内部可以储存钠离子的空间较大，比容量高，可达到350mAh/g以上。但由于加工要求更为严格，开发成本高于软碳，且倍率性能较差，首周库伦效率低。 图13.软碳导电性较高，硬碳比容量较高 图14.硬碳比容量较高，首次库伦效率低 目前更多的钠离子电池生产商采用硬碳作为负极材料。其中法国Tiamat公司使用硬碳作为钠电池的负极材料，能量密度可以达到120Wh/kg；同样采用硬碳的宁德时代钠电池能量密度可以达到160Wh/kg。中科海钠采用无烟煤基软碳为负极材料，其钠电池的能量密度可以达到145Wh/kg。 基于以上分析可以知道钠电池常用负极材料的特性。其中硬碳的可逆容量（300mAh/g）较高，层间距（0.37- 0.42nm ）较大，利于钠离子的脱嵌，稳定性较好，同时工作电压也仅有0.1V。 表3.钠电池常用负极材料的特性 2.3.钠电池的集流器可以采用低成本的铝箔 钠电池的正负极的集流体都可以用铝箔。集流体主要用于汇集电池活性物质产生的电流从而形成较大的电流。锂电池因为在低电位下容易和铝发生反应，因而正极集流体材料为铝箔，负极集流体材料为铜箔。但是钠和铝不会形成合金，所以正负极的集流体都可以用铝箔。 图15.中国市场铝的价格低于铜的价格（元/吨） 2.4.钠电池隔膜可以与锂电池相同，电解液各异 钠电池的电解液和隔膜均具备成熟的量产技术。电解液在电池中起传导离子的作用，其中主要由溶剂、电解质和其他添加剂组成。锂电池的电解质为六氟磷酸锂，而钠电池的电解质为六氟磷酸钠。隔膜主要起分隔电池正负极，防止两极接触而短路的作用，并且隔膜还需要支持电解质离子通过，钠电池和锂电池均使用PP或者PE隔膜。 表4.PP/PE材料的特性 3.钠电池目标市场小动力两轮车、储能，市场空间较大 3.1.钠电池成本低，性能好带来了产业化优势 3.1.1.低成本原材料和与锂离子电池兼容设备利于钠离子电池降低成本 钠元素的储量丰富，开采成本低，且集流体可以使用更低价的铝箔。目前主流的锂电池原材料锂资源总量有限，成本较高。锂资源的地壳