中国化工新时代系列报告之钠离子电池材料：产业化指日可待，钠电未来可期

宁德时代加码布局，钠电有望加速发展。2021年7月，宁德时代公布第一代钠离子电池，后致力于推进钠离子电池在2023年形成基本产业链，钠电产业化有望加速落地。钠元素在全球分布的丰度和均度较高，对我国打破锂元素价格垄断有一定的战略意义。随着技术的突破和钠离子产业链的完善，降本后的钠离子电池会对传统铅酸电池和锂离子电池起到替代、补充作用。钠离子电池由于循环寿命和能量密度仍然存在一定缺陷，因此更加适用于对能量密度要求不高，但对成本变化非常敏感的行业，因此可以广泛应用于储能、低速电动车等领域。在政策支持以及未来能源转型发展趋势下，钠电的增量空间巨大，未来可期。 钠离子电池成本低、充电倍率高、低温性能和安全性能良好。成本方面，钠离子电池的正负极材料以及集流体的降本空间较大，电解液、隔膜则与锂离子电池相似，有一定的成本压降空间。性能方面，钠离子电池展示出比锂离子电池更好的低温充电性能和更高的功率。另外，由于钠离子电池选用的正极材料钠盐和负极材料碳类均展示出较强的稳定性，使得钠离子嵌入脱出时不会发生反应，同时能避免产生枝晶。在安全性测试中，钠离子电池能做到不起火爆炸，安全性能优良。 钠离子电池正极材料各有所长，层状过渡金属氧化物路线最为成熟。正极材料主流工艺分过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物、聚阴离子类化合物。其中层状过渡金属氧化物工艺路线成熟，已实现量产，成本相对较低，是最为主流的正极材料。但其循环性能有待提高，较其他两种材料相对较差。中科海纳的钠铜铁锰氧化物已实现145Wh/kg能量密度，是铅酸电池的三倍左右。同时，由于层状氧化物钠电正极材料的生产工艺设备与三元正极材料产线高度重合，在设计时针对个别工序考虑一定的冗余厂房空间和设备，可根据市场需求将三元材料产能灵活切换为钠离子电池正极材料。 普鲁士蓝类化合物、聚阴离子类化合物尚未产业化，静待技术突破。普鲁士蓝类化合物成本低廉、发展空间广阔，有着较高的电压和可逆容量。但是，普鲁士蓝类化合物中的结晶水会对分子结构造成影响，这也是该材料产业化的壁垒所在。 另外，普鲁士蓝类化合物也有倍率性能差、循环不稳定、库伦效率低等问题。聚阴离子类化合物具有多面体框架，框架十分稳固，可以获得更高的循环性与安全性，但因其使用价格高昂的金属钒，仍需技术突破降低成本。 投资建议：宁德时代、中科海纳等龙头企业加码布局钠离子电池产业链，钠离子电池产业化进程有望加速，钠离子电池具有成本低、低温性能及安全性能好、充电倍率高等优势，可以广泛应用于储能、低速电动车等领域，发展空间广阔，我们看好钠离子电池产业发展，建议关注：布局正极材料的七彩化学、百合花、美联新材、振华新材；布局电解液的多氟多、中欣氟材、天赐材料、新宙邦；布局隔膜的恩捷股份、星源材质。 风险分析：钠离子电池产业化进度不及预期、原材料价格大幅波动、钠离子电池材料产能建设不及预期。 投资聚焦 今年以来新能源车和锂电池市场快速发展，带动上游锂电材料价格屡创新高，电池厂商开始研究将钠离子电池作为缓解锂资源紧缺的替代品。已知钠在地壳中丰度远远高于锂，且地域分布上钠分布更为广泛易得，钠离子电池正负极的材料、电解液、隔膜、集流体等关键组件的成本更低，充电倍率高于锂离子电池，具有宽工作温度的优势。由于锂电池成本大幅上升给产业链带来较大压力，钠离子电池凭借天然的成本优势有望在未来成为锂电池的补充。 正极材料方面，钠离子电池正极材料的成本显著低于锂电池正极，部分生产工艺设备与锂电重合，目前钠离子电池的单位能量原料成本（0.29元/Wh）显著低于锂离子电池单位能量原料成本（0.43元/Wh），因而更适用于低成本的规模储能领域。 我们看好在钠离子电池产业化以后，钠离子电池正极材料相关企业的投资机会。目前在研的钠离子电池正极材料，主要是过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物等。其中，过渡金属氧化物技术相对成熟，成本低廉、工艺简单，已实现量产，但结构稳定性差、循环次数低；普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物尚未实现量产，但有望随着工艺改进发挥成本更低、循环性能更强等优势。 我们区别于市场的观点 市场有观点认为目前钠离子电池正处于发展元年，布局钠离子电池的企业大多还处于产业化初期，业绩兑现仍需时间。但我们认为，钠离子电池的产业化进程正在大幅加速，23年宁德时代有望顺利推出钠离子电池，其他布局有钠离子电池企业的项目落地也将加速，23年钠离子电池企业有望实现盈利。 股价上涨的催化因素 钠离子电池正式实现产业化，出货量大幅提升；钠离子电池正极材料技术发展成熟，成本优势充分体现；非产业化钠离子电池正极材料技术取得重大突破，开启产业化进程。 投资观点 宁德时代、中科海纳等龙头企业加码布局钠离子电池产业链，钠离子电池产业化进程有望加速，钠离子电池具有成本低、低温性能及安全性能好、充电倍率高等优势，可以广泛应用于储能、低速电动车等领域，发展空间广阔，我们看好钠离子电池产业发展，建议关注：布局正极材料的七彩化学、百合花、美联新材、振华新材；布局电解液的多氟多、中欣氟材、天赐材料、新宙邦；布局隔膜的恩捷股份、星源材质。 1、宁德时代加码布局，钠电有望加速发展 1.1、宁德时代加码布局，钠离子电池产业化可期 钠离子电池是一种“摇椅式”二次电池，其工作原理与锂离子电池类似，均利用离子在电极之间的反复脱嵌迁移进行充放电。钠离子电池在充电过程中，电池内部钠离子从正极材料中脱出，经过电解液迁移到负极；在外电路中，电子从正极迁移到负极，从而保证电荷平衡。此时正极处于贫钠态，负极处于富钠态。 放电过程则与之相反，电池内部钠离子从富钠态的负极中脱出，经过电解液迁移到正极；在外电路中，电子从负极迁移到正极。 图1：钠离子电池工作原理 宁德时代布局钠离子电池，钠电产业化未来可期。宁德时代在2021年发布第一代钠离子电池后，致力于推进钠离子电池在2023年形成基本产业链。22年7月30日中科海钠首条钠离子生产线落成，一期产能1GWh，预计2022年底实现钠电池产能2GWh。龙头企业加速钠电产业化布局，未来钠电产业链有望加速发展。已知钠在地壳中丰度远远高于锂（锂在地壳中丰度为0.0065%，钠在地壳中丰度为2.74%），且地域分布上钠分布更为广泛易得（地域分布上73%的锂资源集中在南美洲，而钠资源呈现广泛分布）。随着市场对锂电需求进一步扩大，原材料碳酸锂盐价格持续上涨，截至2022年11月7日，碳酸锂价格涨至57.9万元/吨。由于锂电池成本大幅上升给产业链带来较大压力，钠离子电池凭借天然的成本优势有望在未来成为锂电池的补充。 图2：地壳元素丰度对比 图3：锂资源分布图 图4：金属钠价格走势（元/吨） 图5：金属锂和碳酸锂价格走势（万元/吨） 钠电成本下降空间大，生产工艺类同锂电有望快速发展。钠离子电池工作原理及电池结构与锂离子电池相似，且钠电和锂电的电池工艺也较为接近，前期研产投入比较小，多个制造环节技术相似，如三元锂电池和钠电的层状氧化物正极材料均为烧结工艺，生产线之间转换成本低，国内多家锂电龙头已加码布局钠电。 全球锂离子电池发展数十余年，行业技术较为成熟，可为钠电发展保驾护航。 图6：锂离子电池和钠离子电池成本对比 1.2、钠离子电池成本低、充电倍率高、低温性能和安全性能良好 锂电、钠电的材料有所区别，钠电降本空间大。钠离子电池主要由正极、负极、电解液、隔膜等构成。正极（负极）包含活性物质、导电剂、粘结剂等，均匀涂布在集流体上。其中，钠离子电池的正负极材料以及集流体的降本空间较大，而电解液、隔膜则与锂离子电池相似，有一定的成本压降空间。 钠离子电池正负极的材料成本相较于锂电更低。正极方面，传统锂电行业的正极材料通常为三元锂盐和磷酸铁锂，钠离子电池的正极除了层状金属氧化物和聚阴离子化合物路线外，还增加了普鲁士蓝类化合物路线，其中层状金属氧化物是最为主流的正极材料；钠离子的电池负极材料则多以硬碳、软碳为主，硬碳在钠离子负极材料中占据主要地位。硬碳层间微孔较多，石墨化难度较高，也具有可逆容量较高、低电压等优势，商业化可实现度大。另外，中科海钠创新性地使用无烟煤作为负极前驱体替代石墨，进一步降低生产成本。 钠离子电池中电解液、隔膜、集流体等关键辅材的成本也更低。电解液方面，由于钠电的电解液构成和锂电较为相似，溶质有所不同，由钠盐代替锂盐，浓度也有所降低，有成本压降空间。隔膜方面，钠离子电池可以沿用传统锂离子电池隔膜，更换成本较低。另外，钠电适配的玻纤隔膜的价格更加低廉。集流体方面，锂离子电池中的负极集流体必须使用价格更高的铜箔。而在钠离子电池中，由于在集流体部分钠离子并不会和铝发生合金反应，因此可以用价格更为低廉的铝箔替换铜箔，同时铝箔由于不易在低电压氧化，因此可以实现0V运输，降低电池运输的安全风险。同时钠离子电池支持双极结构，节约连接成本。 表1：钠离子和锂离子电池构成对比 钠离子电池充电倍率高于锂离子电池，具有宽工作温度的优势。钠离子电池展示出比锂离子电池更好的低温充电性能。根据《高效率高安全钠离子电池研究及失效分析》（周权），钠离子电池高温放电（55°C和80°C）容量超过额定容量100%，低温-40°C放电容量超过70%额定容量，且可实现在低温-20°C下0.1C充放电，其充放电效率接近100%。在高功率方面，钠离子电池同样具备优势，实验室层面目前已经实现钠离子电池在5C~10C倍率下的快速持续充电以及10C~15C倍率下的快速持续放电，并达到2051W/L的超高功率密度。钠离子电池可满足-40°C~0°C的工作温度范围，且5C/5C循环寿命超过2500周，超过了商业化同等规格型号的磷酸铁锂电池的循环及倍率性能。根据宁德时代提供的数据，钠离子电池能够在15min内充电至80%，而中科海纳制造的钠离子电池则能够在12min内充电至90%，其充电速度远远优于锂离子电池在30min充电80%的速度。 表2：钠离子电池和锂离子电池性能对比 钠离子电池安全性能高，循环寿命和能力密度低等缺陷有待改进。从安全性角度分析，由于钠离子电池选用的正极材料钠盐和负极材料碳类均展示出较强的稳定性，使得钠离子嵌入脱出时不会发生反应，同时能避免产生枝晶。在安全性测试（加热，过充、短路、跌落、针刺、海水浸泡等）中，钠离子电池能做到不起火爆炸，展示出良好的安全性能。钠离子电池目前存在的短板在于循环寿命较短，相较于磷酸铁锂电池超5000次循环寿命，钠离子电池目前整体的循环寿命在2000次左右。另外钠离子电池能量密度较低，磷酸铁锂电池能量密度为120~180Wh/kg，钠离子电池能量密度仅为100~150Wh/kg。近期同兴环保联合中国科学技术大学签署合作协议，双方共同建立“中国科大-同兴环保储能电池材料及器件联合实验室”，面向高性能钠离子电池储能系统开发，计划两年内提升钠离子电池循环寿命至5000次以上。宁德时代第二代钠离子电池能量密度有望追赶上磷酸铁锂电池，达到200Wh/kg。 提高钠离子电池的能量密度有望进一步降本。低能量密度的电池需要消耗更多的辅材和制造成本，从而会增加电池每瓦时的价格，因此提高钠离子电池的能量密度能够在一定程度上提升其成本优势。根据《钠离子电池机遇与挑战》（曹余良），只有当钠离子电池的能量密度达到120Wh/kg时，其成本才能与110Ah的磷酸铁锂电池的电芯相当。 图7：不同能量密度的钠离子电池预估成本图 1.3、钠离子电池应用场景广泛，储能、低速电动车等行业多点开花 储能、船舶、电动车需求加码，钠电应用场景广阔。中国已明确“双碳”目标，并推出能源、制造业等各行各业行动意见。未来风力发电、光伏发电的占比将大幅提升，2021年，我国风电、光伏发电量约占全社会用电量的11％。根据发改委预测，到2050年，仅光伏发电就将占到全社会用电量的约39％。随着风电、水电、光电的占比不断增加，发电量受季节等影响加大，而储能系统通过充放电对发电端的输出进行调节，平滑发电曲线。中国能源研究会储能专委会等发布的数据显示，中国及全球储能尤其新型储能保持高