钠离子电池产业研究：与锂电池错位互补，产业化东风已至

钠离子电池产业研究：与锂电池错位互补，产业化东风已至 报告摘要 报告日期 钠离子电池与锂离子电池结构原理相似，研发不断突破，已跨入产业化应用阶段。二者均为可以二次充放电的嵌脱式电池，构造基本一致，主要差异为正负极材料。钠离子电池主流正极材料为过渡金属化合物和普鲁士化合物，主流负极材料为硬碳。钠电池相关研究从20 世纪70年代起步，随着材料商用可行性的实现逐步从实验室走向产业化。2021年，中科海钠、宁德时代等公司开始投入量产，钠电池产业化进入加速落地阶段。 钠离子电池和锂离子电池相比具备成本优势和部分性能优势。由于碳酸锂价格飙升，下游电池厂商成本压力增大，性能相近、成本更低的钠电池受市场重视程度日益增长。钠元素储量丰富、成本低廉，当前碳酸钠价格约2700元/吨，仅为碳酸锂的1/200；钠电池集流体可使用更廉价的铝箔代替铜箔；钠电池在高低温环境中性能更优，不起火、不爆炸，具备更好的安全性；两种电池生产工艺、设备相似度高，生产切换成本低。 钠离子电池当前主要应用场景为大规模储能和低速交通工具。近年来，我国新型储能装机量快速增长，风电、光伏等可再生能源发电占比快速提升，大规模储能迎来重大机遇。钠电池性价比高，倍率性能好，高低温性能优异，安全性和环保性更佳，高度适配储能要求。另一方面，钠电池短期内仍受限于能量密度低的性能短板，无法大规模应用在常规电动车，更适用于两轮车、公交车等低速交通工具。 钠离子电池和锂离子电池并非竞争替代关系，更可能形成错位互补。短期内，锂电池仍将占据电动车的绝对主导地位，由于二者各具优势，未来可能会进入“锂钠混搭”阶段，分别应用于不同领域。国内钠电池产业链可由锂电池产业链无缝切换，多家上市公司已取得业务进展，技术迭代和产业规模化呼之欲出。 2022年11月1日 风险提示 技术研发进度慢于预期风险；政策不及预期风险；更优技术替代风险；材料价格波动风险。 目录 1.钠离子电池与锂电池原理相似，已进入产业化加速阶段3 1.1钠离子电池工作原理3 1.2钠离子电池结构：与锂电池高度相似，正负极材料不同3 1.3钠离子电池发展历程：技术突破叠加应用场景成熟，2022将成为产业化元年.7 2.和锂离子电池相比，钠离子电池具备成本优势和部分性能优势9 2.1钠离子电池相比锂离子电池具备诸多优势9 2.2钠离子电池性能短板12 3.钠离子电池应用：大规模储能和低速交通工具13 3.1大规模储能13 3.1.1新型能源快速增长，带动大规模储能需求爆发13 3.1.2大规模储能对成本和安全性更敏感，钠离子电池优势明显15 3.2低速交通工具15 4.钠离子电池产业链相关公司17 4.1钠离子电池制造商17 4.2正极材料供应商20 4.3负极材料供应商22 4.4电解液供应商23 4.5集流体供应商25 图1：钠离子电池是一种“摇椅式”二次电池3 图2：钠离子电池发展史7 图3：全球钠离子电池相关企业布局9 图4：全球锂资源分布情况10 图5：碳酸锂价格走势10 图6：钠离子电池与锂离子电池成本分解对比11 图7：中国新型储能市场累计装机规模（2000-2021）13 图8：中国新型储能累积投运规模预测（理想场景，2022-2026）13 图9：全国发电量结构占比趋势14 图10：2021年全国发电量构成占比14 图11：钠离子电池应用场景16 图12：钠离子电池产业链相关上市公司17 表1：钠离子电池正极材料主要路线4 表2：碳基负极材料性能对比5 表3：铅酸电池、锂离子电池和钠离子电池性能对比12 1.钠离子电池与锂电池原理相似，已进入产业化加速阶段 1.1钠离子电池工作原理 钠离子电池为嵌脱式电池，可以二次充放电，和锂电池工作原理相同。充电时，Na+从正极脱嵌，进入负极；放电时，Na+从负极回到正极，外电路电子从负极进入正极，将Na+还原为Na。和锂离子电池相同，钠离子电池也是一种可充电的二次电池。 图1：钠离子电池是一种“摇椅式”二次电池 资料来源：中科海钠官网 1.2钠离子电池结构：与锂电池高度相似，正负极材料不同 钠离子电池与锂离子电池的构造基本一致，正负极材料存在差异。钠与锂是同族元素，二者化学性质相似。钠离子电池和锂离子电池均由正极、负极、电解液、隔膜、集流体、结构件等组成，其中正极材料有层状过渡金属氧化物、普鲁士蓝 （白）类化合物、聚阴离子化合物三种主流技术路线，负极材料以硬碳和软碳为主。二者隔膜材料相同，但正极材料、负极材料、电解液体系均有较大差异。 表1：钠离子电池正极材料主要路线 正极材料说明优势劣势 过渡金属氧化物 可分为层状和隧道状过渡金属氧化物，通常用NaxMO2(M=Co、Fe、Mn、Ni等)表示。层状金属氧化物是当前主流的正极材料。 能力密度高循环性能差 普鲁士蓝类氧化物 普鲁士蓝类氧化物NaxMA[MB(CN)6]·Zh2o(MA和MB为过渡金属离子)，晶体结构为面心立方，过渡金属离子与氰化根形成六配位，碱金 较好的电化学性能具备成本低 属离子处于三维通道结构和配位孔隙中聚阴离子类化合物NaxMy[(XOm)n-]z(M为具有可变价态的金属离子；X为P、X、V等元素)主 热稳定性好 能量密度低 要分为：橄榄石结构磷酸盐、NASCICON(钠离子快离子导体)化合物和磷酸盐化合物 循环寿命好 导电性差 稳定性好 生产对水敏感 聚阴离子类氧化物 非晶态材料 也叫无定型或玻璃态材料，是固体中的原子不按照一定的空间顺序排列的固体，原子排布上表现为长程无序、短程有序 循环性能好能力密度好 电导率低稳定性和耐酸碱 性差 资料来源：CNKI《钠离子电池关键电极材料研究进展》 正极材料方面，钠离子电池的正极主要有过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士化合物和非晶态材料四种路线。正极材料的选取需要遵循具有较高的比容量，较高的氧化还原电位，良好的结构稳定性和电化学稳定性，嵌入化合物需要具有良好的电子电导率和离子电导率，资源丰富易得、成本低、制备工艺简单等原则。 过渡金属氧化物和普鲁士化合物是目前正极材料的主流方向。过渡金属氧化物包括磷酸铁钠、锰酸铁钠、钛锰酸钠等，华阳股份与中科海钠合作投产的钠离子电池即采用了“铜铁锰层状氧化物+软碳路线”。同时，普鲁士类材料依靠较好的电化学性能、成本低、稳定性好等优点，也成为目前研究的主流方向之一。宁德时代推出普鲁士白体系+AB电池以及后续计划推出的锰基富锰普鲁士白体系，均为普鲁士类材料路线。目前，钠离子电池价格偏高主要是正负极材料及配套的电解液未大规模量产。正极材料中，层状氧化物价格在15万-20万元/吨，其上游原材料碳酸钠单吨价格不足3000元，远低于单吨价格超过55万元的碳酸锂。根据东吴证券测算，如果使用铜锰铁元素层状氧化物体系，钠离子电池的正极价 格将比磷酸铁锂正极价格便宜一半以上。而根据中科海钠官网数据，在碳酸锂价格15万元/吨、碳酸钠价格2000元/吨的背景下，钠离子电池材料成本相较锂离子电池降低30%-40%；最新报价数据显示，国内电池级碳酸锂报价55.25万元/吨，碳酸钠报价2700元/吨，两者相差超200倍，钠电池的材料成本相对优势进 一步扩大。东吴证券预计，目前普鲁士白类正极材料价格在20万元/吨，未来普鲁士白类的理论价格可以达到3万元/吨，较目前降低80%。 负极材料 碳层间距nm 比表面积㎡/g 循环性能倍率性能 石墨材料 0.43 30.22 100mA/g下2000圈后保持率73.92%20mA/g，28.4mAh/g 软碳材料 0.356 20.2 20mA/g、200mA/g和1000mA/g下分 别循环10圈、50圈和100圈后保1000mA/g，114mAh/g 持率接近100% 硬碳材料 0.41 38 150mA/g，275mAh/g 30mA/g下100圈后保持率305mAh/g 表2：碳基负极材料性能对比 300mA/g，180mAh/g 资料来源：CNKI《钠离子电池关键电极材料研究进展》 负极材料方面，钠离子电池负极选材主要有金属化合物、碳基材料、合金材料、非金属单质等技术路线。其中，碳基材料因循环性能稳定、嵌入度高等优势是目前性价比最高的钠离子电池负极路线。据介绍，碳基材料包括硬碳、软碳、石墨和类石墨等产品路线，其中软碳和硬碳是商业化最快的碳基负极。 碳基材料是性价比最高的技术路线，国产硬/软碳价格低于进口，随着规模效应和技术成熟未来有望进一步下降。由于现阶段国内供应链不完整，日本可乐丽在硬碳技术上保持领先，进口硬碳材料的每吨售价约在20万元，而国产硬碳价格约在8万-10万元/吨。长期来看，随着未来硬/软碳技术的近一步成熟以及产量增长后的规模效应显现，硬/软碳的生产成本有望大幅下降。中金公司预计，到2025年，国产硬碳材料价格有望降至6万元/吨。根据东吴证券测算，目前国内 硬/软碳的价格分别为8万元/吨和5万元/吨左右，未来可降至4万元/吨和2万元/吨以下，比现有人造石墨负极价格低30%。 钠离子电池的电解液和隔膜均具备成熟的量产技术，成本较低。电解液在电池中 起传导离子的作用，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（LiPF6），而钠电池的电解质为六氟磷酸钠（NaPF6），溶剂一般为EC、DMC、EMC、DEC和PC等溶剂组成的二元或多元混合溶剂体系。由于原材料不同，钠离子电池电解液规模化供应后成本会低于锂离子电池。隔膜主要起分隔电池正负极、防止两极接触而短路的作用，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。 1.3钠离子电池发展历程：技术突破叠加应用场景成熟，2022将成为产业化元年 图2：钠离子电池发展史 资料来源：顷刻储能Qinkual，陕西煤业化工技术研究院 纵观钠离子电池的发展历程，大致可分为两个主要阶段：技术探索阶段和产业化落地阶段。 第一阶段：技术探索 钠离子在二硫化钛中的可逆脱嵌现象被首次发现，证明钠离子电池在原理层面具备可行性。1976年，Whittingham报导了Li+在TiS2中的可逆嵌脱机制，并制作了Li||TiS2电池，同时研究了Na+在TiS2中的可逆脱嵌现象。Li/Na同源、同理的特性，让钠离子电池的研究开发，可以参照锂离子电池的发展路径。 具有商用价值的层状氧化物钠离子电池正极材料的发现，决定了钠离子电池具有商业化应用潜力。1981年，法国Delmas首次报道NaxCoO2层状氧化物正极材料脱嵌钠电化学性能；19世纪80年代，Delmas和Goodenough相继发现了层状氧化物材料NaMeO2（Me=Co,Ni,Cr,Mn,orFe）可作为钠离子电池正极材料，并且具有比TiS2更高的电位。高电压、高能量密度特性是商用电源的基本要求，该发现决定了钠离子电池具有商业化应用的潜力。 硬碳类负极材料的发现为停滞多年的产业研究带来新突破，两大主材均具备商用可行性。具有商业可行性的正极材料被发现后，科研工作者着力寻找同样具有商业可行性的负极材料，但近20年未能取得进展，导致钠离子电池长久停留在实验室研究阶段，未能实现产业化。2000年，Stevens和Dahn发现硬碳材料具有优秀的Na+嵌脱性能，并且成本可接受、可量产化。该研究成为钠离子电池领域的重大转折点，标志着钠离子电池的两大主材均具备了商用可行性。 钠离子电池正式诞生，产业化开发持续进行。2011年，全球首家钠离子电池公司英国Faradion成立，并于2015年首次将所生产的层状氧化物体系钠离子电池运用到电动自行车中，当时钠离子电池能量密度仅在80Wh/kg左右；2015年，法国RS2E机构研究员主导开发了世界上首颗18650钠离子电池，该电芯能量密度达到90Wh/kg，循环寿命超过2000次，性能优于传统铅酸蓄电池。至2020年， 全球已有十几家钠离子电池公司进行产业化开发，电池能量密度已达到100-150Wh/kg，距离产业化应用越来越近。 第二阶段：产业化落地 中科