新能源电池新技术之三行业深度：钠离子电池：成本驱动，部分性能占优

行业深度 新能源电池 证券研究报告 钠离子电池：成本驱动，部分性能占优 2023年03月15日 重点股票 2021A 2022E 2023E 评级 EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍）EPS（元）PE（倍） 新能源电池新技术之三 宁德时代 6.52 69.33 12.58 35.93 18.81 24.03 买入 维持 鹏辉能源 0.40 151.56 1.35 44.41 3.50 17.14 买入 评级领先大市 评级变动： 资料来源：iFinD，财信证券 行业涨跌幅比较 新能源电池沪深300 25% 15% 5% -5% -15% -25% 2022-03 2022-06 2022-09 2022-12 % 1M 3M 12M 新能源电池 -10.02 -5.84 -23.85 沪深300 -3.83 0.99 -7.47 周策分析师 执业证书编号:S0530519020001 zhouce67@hnchasing.com 杨鑫研究助理 yangxin13@hnchasing.com 相关报告 1新能源电池行业点评：中科海钠发布三款钠离子电池，钠电池样车亮相2023-02-25 2新能源电池行业2月份月报：电池产销量环比大幅下滑，原材料价格持续下跌2023-02-20 3国内1月动力电池产量环比下降46.3%，美国 动力电池市场有望打开2023-02-15 投资要点： 钠离子电池具有资源丰富、成本低的优势：与锂处于同一主族具有相似物理化学性质的钠资源非常丰富，完全不受资源和地域的限制，所以钠离子电池能够完美解决资源“卡脖子”问题。由于钠离子电池正 极材料不需要用到价格较高的锂盐作为原材料，加之阴阳极集流体均可使用价格较低的铝箔，因此钠离子电池材料成本低于锂离子电池材料成本的30%以上。即使当碳酸锂价格跌至10万元/吨时，钠离子电池相对磷酸铁锂电池仍有15%左右的成本优势。 倍率性能、高低温性能优于磷酸铁锂：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，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率，因此，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3C及以上充放电倍率，在规模储能调频和新能车上均能得到很好的应用。钠离子电池高低温性能较磷酸铁锂更优异，在-20℃低温下容量保持率达到90%以上，高温80℃可以循环充放使用，这将提升新能车在高温和低温环境下的续航里程达成率，降低储能系统的一次投入成本和运行成本。 层状氧化物+硬碳是当前主流方案：按正极材料分，钠离子电池主要有层状氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物体系。层状氧化 物结构类似于锂离子电池的三元材料，其因技术转化容易、能量密度高、倍率性能较好而成为当前产业化进展最快的钠离子电池体系。普鲁士体系原材料成本低廉、能量密度高且理论寿命优于层状氧化物，因此被认为是最有潜力的钠离子电池体系，但是结晶水、氰化物毒性问题是需要在规模化应用前解决的重大问题。聚阴离子正极的循环性能较好，且工作电压高，但能量密度较低，导电性、倍率性能较差，需要使用碳包覆或掺杂提高电子电导率。负极材料方面，硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多性能优势，同时具备碳源丰富、低成本、无毒环保等优势，是当前首选的钠离子电池负极材料。 钠离子电池在乘用车和储能应用前景大，市场规模有望超1800亿元：通过AB电池技术，搭载钠离子电池的电动车续航能到达到300~500km，且成本较锂离子电池更低，有望在中低端电动车上广泛 此报告考请务必阅读正文之后的免责条款部分 应用。同样得益于成本优势，聚阴离子体系的钠离子电池有较好的循环寿命，在储能领域有较大的应用市场。根据我们的测算，2027年全球钠电池乘用车、电动两轮车、储能电池、电动工具装机量分别有望达到29.75、26.15、343.28、8.66GWh，按照储能电池0.45元/wh、其他电池0.5元/wh的价格进行计算，总市场有望超1800亿元。 投资建议：根据各公司的产业化进展来看，2023年将会是各大企业实现钠离子电池量产及规模化应用的元年，有望先后在二轮车、乘用车、 储能领域实现逐步渗透。建议重点关注电池及正负极材料环节。推荐关注钠离子电池环节布局领先的企业：【宁德时代】、【鹏辉能源】、【孚能科技】、【传艺科技】、【维科技术】；钠电正极材料：【振华新材】、【容百科技】、【当升科技】、【德创环保】、【美联新材】、【七彩化学】；钠电负极材料：【贝特瑞】、【杉杉股份】、【圣泉集团】、【元力股份】等。 风险提示：新技术验证和测试进展不及预期；新能源汽车销量及储能装机量不及预期；原材料大幅上涨；行业相关公司产能建设不及预期；行业竞争加剧。 内容目录 1钠离子电池：低成本，性能与锂电池优势互补4 1.1钠离子电池工作原理：与锂电池同为“摇椅式电池”4 1.2因何而生：解决锂资源“卡脖子”问题4 1.3钠离子电池优势：成本低，低温性能与倍率性能较好6 1.3.1钠离子电池成本较磷酸铁锂电池低30%7 1.3.2倍率性能优于磷酸铁锂电池9 1.3.3高低温性能优于磷酸铁锂电池9 2技术路线：层状氧化物+硬碳是当前主流方案10 2.1正极材料：层状氧化物进展最快，普鲁士白（蓝）潜力最大10 2.1.1层状氧化物：铜铁锰系具备明显成本优势，有望最先应用10 2.1.2普鲁士蓝类：潜力最大，结晶水问题亟待解决12 2.1.3聚阴离子型：循环寿命具有优势，未来在储能领域有广阔应用空间14 2.2负极材料：硬碳为主流路线15 3市场规模：乘用车+储能市场空间广阔16 4投资建议18 5风险提示19 图表目录 图1：钠离子电池工作原理4 图2：国内新能车销量情况5 图3：国内动力电池月度装车量5 图4：全球锂资源储量分布不均（2021年）6 图5：碳酸锂价格曲线6 图6：地壳不同元素含量占比6 图7：碳酸钠和碳酸锂价格对比7 图8：铜铝价格对比8 图9：钠离子电池较锂离子电池具有明显的成本优势8 图10：层状过渡金属氧化物结构示意图11 图11：普鲁士蓝类晶体结构图14 图12：各类聚阴离子材料晶体结构14 图13：宁德时代AB电池技术17 表1：钠离子电池与锂离子电池对比7 表2：钠离子电池成本测算（以铜铁锰层状氧化物方形电池为例）9 表3：钠离子电池体系分类及优缺点10 表4：Na0.9Cu0.22Fe0.30Mn0.48O2正极材料成本测算（基于3/8的价格，采用干法工艺）12表5：NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正极材料成本测算（基于3/8的价格测算，采用干法工艺）12表6：普鲁士蓝类生产工艺对比13 表7：常见聚阴离子型化合物的主要特征参数及电化学性能15 表8：钠电池负极材料对比15 表9：硬碳前驱体对比16 表11：钠离子电池市场空间测算17 1钠离子电池：低成本，性能与锂电池优势互补 1.1钠离子电池工作原理：与锂电池同为“摇椅式电池” 钠离子电池的结构及工作原理与锂离子电池相同：钠离子电池的构成主要包括正极、负极、隔离膜、电解液和集流体。正负极之间由隔离膜隔开以防止内短路，电解液通过 浸润正负极以确保离子导通，集流体则起到收集和传输电子的作用。充电时，Na+从正极活性物质中脱出，通过电解液穿过隔膜嵌入到负极中，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程则刚好与之相反，Na+从负极脱出，通过电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷的平衡，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，使正负极分别发生氧化和还原反应。由上述电池工作原理可知，钠离子可以在正极与负极之间可逆迁移，正极和负极均由允许钠离子可逆地插入和脱出的插入型材料构成。因此，钠离子电池同锂离子电池一样被称作“摇椅式电池”。 图1：钠离子电池工作原理 资料来源：《钠离子电池储能技术及经济性分析》，《储能科学与技术》，中科海钠官网，财信证券 若以NaxMO2作为正极材料，硬碳作为负极材料，则电极和电池的反应式可分别表示为： 正极反应：NaxMO2⇌Nax-yMO2+yNa++ye- 负极反应：nC+yNa++ye-⇌NayCn 电池反应：NaxMO2+nC⇌Nax-yMO2+NayCn 1.2因何而生：解决锂资源“卡脖子”问题 锂资源在锂电池端的需求规模快速扩大：锂是元素周期表中最轻及密度最小的固体 元素，也是自然界中标准电极电势最低、电化学当量最大、最轻的金属元素，因此被认为是天生的电池金属，具备长期需求刚性。锂金属应用广泛，锂资源经过加工得到碳酸锂、氢氧化锂和氯化锂等锂化工产品后，可广泛应用于动力电池、消费电子、新型的储能电池以及其他的传统应用领域。随着便携电子设备和新能源电动汽车的飞速发展，锂离子电池的生产制造达到了空前规模，并且各大锂电池生产商都在不断的扩大其产能，这必然导致锂资源大量消耗和价格上涨。 40 35 30 25 20 15 10 5 0 2019年 2022年 2020年 2023年 2021年 动力电池装车量（GWh） 图2：国内新能车销量情况图3：国内动力电池月度装车量 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 40.00% 35.00% 30.00% 25.00% 20.00% 15.00% 10.00% 5.00% 0.00% 新能源汽车月销量/万辆 新能源汽车渗透率 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 资料来源：同花顺iFinD，中汽协，财信证券资料来源：同花顺iFinD，财信证券 全球70%锂资源分布在南美洲地区，仅6%在中国：锂在地壳中的含量只有0.0065%，而且锂资源分布不均匀，2021年全球已探明锂资源储量8900万吨，全球储量2200万吨； 其中我国已探明锂资源量510万吨，储量150万吨。70%的锂分布在南美洲地区，仅6% 在中国。 中国锂市场目前主要依赖进口：2021年我国碳酸锂产量为29.82万吨，增幅约为 59.47%；氢氧化锂产量19.03万吨，同比增幅约为105%，我国利用国内盐湖卤水（6万吨），锂云母精矿（6万吨）及锂辉石（1万吨），回收含锂废料（3万吨）生产的锂盐折合碳酸锂当量约16万吨，锂原料对外的依存度约为65%。此外，随着需求的快速扩大，锂精矿和锂盐价格快速上涨，严重影响到了动力电池及储能电池终端价格及渗透速度。 图4：全球锂资源储量分布不均（2021年）图5：碳酸锂价格曲线 澳大利亚 8% 中国 6% 玻利维亚 24% 美国 10% 智利 11% 其他 20% 阿根廷 21% 玻利维亚阿根廷其他 智利 美国澳大利亚中国 70 60 50 40 30 20 10 0 2018-01-012019-05-162020-09-272022-02-09 电池级碳酸锂价格（万元/吨） 资料来源：USGS，财信证券资料来源：同花顺iFinD，财信证券 钠离子电池能够完美解决资源“卡脖子”问题：与锂处于同一主族具有相似物理化学性质的钠资源非常丰富，其在地壳中的丰度位于第6位，更重要的是钠分布于全球各 地，完全不受资源和地域的限制，所以钠离子电池相比锂离子电池有非常大的资源优势。另一方面钠离子电池由于钠价格低廉而具有很大的潜在价格优势，非常适合应用于低速电动车和大规模储能等领域。 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% 2.36% 0.0065% 氧硅铝铁钙钠锂 图6：地壳不同元素含量占比 资料来源：中科海钠官网，中国地质局，财信证券 1.3钠离子电池优势：成本低，低温性能与倍率性能较好 相比锂离子电池，钠离子电池在资源可控性、成本、高低温性能与倍率性能上有较为明显的优势。此外，钠离子电池与锂离子电池生产工艺基本相同，锂离子电池产线能够快速换型为钠离子电池产线，实现规模化生产。