钠电池行业深度报告：钠电破晓，成长可期

钠电池深度报告：钠电破晓，成长可期 左景冉分析师 Email:zuojingran@lczq.com 证书:S1320523020001 投资要点： 锂钠同族，原理相似。钠离子电池和锂离子电池同属于“摇椅式电池”， 具有相似的电化学原理，区别主要在于使用电池材料的不同。借助成熟的锂电池产业链相关技术和设备，可快速推广。 技术无虞，量产在即。钠离子电池主要生产制备技术已基本成熟，处于量产的前夜。正极材料方面，目前投入研究比较多的包括层状氧化物、聚阴 离子型、普鲁士蓝（白）等，其中层状氧化物正极材料的理论能量密度最高，有望率先商用；负极材料方面，现阶段技术路线以硬碳为主，软碳为 投资评级：看好（维持） 市场表现 10% 3% -4% -11% -19% -26% -33% -40% 电池沪深300 辅；电解液方面，以六氟磷酸钠电解质为主；集流体方面，低成本铝箔替 代铜箔正在不断推进中；隔膜材料可沿用锂电池隔膜体系。 替代铅酸，补充锂电。相比于铅酸电池，同等容量的钠离子电池体积更小，循环寿命更长，能量密度是铅酸电池的三倍以上，而且随着技术的进 步和产业链的进一步完善，总成本有望降至铅酸电池水平，钠离子电池对铅酸电池的替代已成重要发展趋势。相比锂离子电池，钠离子电池的能量密度和循环寿命低于锂电池，但是低温性能和耐过放电方面要优于锂离子电池，且成本明显低于锂电池，有望成为锂电池体系的重要补充。 浪潮已至，成长可期。钠离子电池可应用的市场空间广阔，随着产业化的发展，钠离子电池将率先替代铅酸电池的市场份额，实现低速电动车和储 能领域的无铅化，并有望在性能要求高的应用场景部分替代锂离子电池。据测算，到2030年，钠离子电池的全行业出货量或将达347GWh，2024-2030年的复合增长率达58.1%。 投资建议：我们认为在储能、电动车领域高速发展的背景下，钠离子电池有着广阔的市场空间，量产初期产业链各环节都将充分受益。建议关注：宁德时代、华阳股份、维科技术、传艺科技、鹏辉能源、贝特瑞、翔丰 华、圣泉集团、元力股份、多氟多、振华新材等。 6/219/211/141/264/96/21 相关报告 钒电池深度报告：乘储能东风，溪云初起正当时 2023.05.08 行业研究｜电池 2023年06月20日 风险提示：钠离子电池产业化不及预期；政策变动风险；下游需求不及预期；技术迭代风险。 目录 1.钠离子电池概述4 1.1钠电概况：几经波折，一朝破晓4 1.1.1工作原理：锂、钠同族，原理相似4 1.1.2发展历程：一度停滞，重回热潮5 1.2产业链现状：技术无虞，量产在即6 1.2.1关键材料：多路线并行，层状氧化物体系有望率先商用6 1.2.2电池制造：兼容现有锂电设备，有望快速推广11 1.3竞争格局：锂电池龙头优势延续，创新型中小企业有望突围12 2.多因素驱动下，钠离子电池前景广阔15 2.1政策：钠离子电池是重点发展的新型电池技术之一15 2.2趋势：有望替代铅酸电池，成为锂电池体系的重要补充15 2.2.1资源：钠元素储量远超锂元素，不受资源限制15 2.2.2成本：后期可下降至铅酸电池水平16 2.2.3综合性能：略低于锂电池，但明显高于铅酸电池18 2.3市场：预计2030年出货量达347GWh18 2.3.1动力电池：有望在两轮电动车、A00级电动车等领域广泛应用19 2.3.2储能电池：在户用储能、工商业储能等领域应用前景广阔21 3.投资建议：重点关注布局较早、拥有显著技术优势的企业23 4.风险提示23 图目录 图1钠离子电池工作原理4 图2锂离子电池工作原理4 图3钠离子电池基本形态4 图4钠离子电池应用产品4 图5钠离子电池发展路线图5 图6全球钠离子电池产业化布局5 图7钠离子电池产业链6 图8不同正极材料的性能参数（其中层状氧化物为绿色，聚阴离子型为红色，普鲁士蓝为蓝色）7 图9钠离子电池负极材料电压与比容量图8 图10不同碳前驱体的特性对比9 图11圆柱电池组装工艺流程图11 图12方形电池组组装工艺流程图11 图13钠离子电池制备工艺流程12 图14钠元素在地壳中的丰度远超锂元素（单位：ppm）16 图15钠离子电池成本占比（单位：%）16 图16锂离子电池成本占比（单位：%）16 图17碳酸锂和碳酸钠价格走势对比（单位：元/吨）17 图18两种集流体价格走势对比（单位：元/吨）17 图192023-2030年钠离子电池出货量预测（单位：GWh）19 图20江汽集团行业首台钠离子电池实验车正式亮相19 图21雅迪发布国内首款钠电两轮车19 图222012-2021年中国两轮电动车销量（单位：亿辆，万辆）20 图232018-2022年全球锂电版两轮车及平衡车渗漏率（%）20 图24A0级和A00级电动汽车单月销量变化（单位：辆）20 图251MWh钠离子电池储能系统示范案例21 图26中科海钠1MWh储能系统整体架构21 图27未来5年中国新型储能累计装机规模预测（单位：GW）22 1.钠离子电池概述 1.1钠电概况：几经波折，一朝破晓 1.1.1工作原理：锂、钠同族，原理相似 锂和钠在元素周期表中同属第一主族元素，具有相似的物理和化学性质。钠离子电池的结构及工作原理与锂离子电池基本相同，同属于“摇椅式电池”。钠离子电池的构成主要包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体。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。放电过程与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。 图1钠离子电池工作原理图2锂离子电池工作原理 资料来源：室温钠离子电池材料及器件研究进展（陆雅翔等，2018），联储证券研究院 资料来源：高性能层状锂离子电池正极材料的制备与研究（刘同超，2019），联储证券研究院 和锂离子电池类似，按照制造工艺，钠离子电池主要分为圆柱、软包、方形、刀片形电池几大类。其主要差别主要体现在电池的内部装配结构及封装形式上。根据钠离子电池的技术特点，钠离子电池将首先从各类低速电动车应用切入市场，并随着产业的进一步发展，逐步切入到各类储能应用场景，如可再生能源的存储、数据中心、5G通信基站、家庭和电网规模储能等领域。 图3钠离子电池基本形态图4钠离子电池应用产品 资料来源：钠创新能源官网，联储证券研究院资料来源：钠创新能源官网，联储证券研究院 1.1.2发展历程：一度停滞，重回热潮 早在20世纪70年代末，钠离子电池与锂离子电池几乎同时开展研究，但是受当时研究广泛的石墨负极材料储钠能力的限制，钠离子电池的研究一度处于缓慢和停滞状态。直到2000年加拿大的Dahn等发现高容量的硬碳可作为储钠负极材料，钠离子电池重回研究者的视线，但当时产业界的关注重点集中于锂离子电池。 图5钠离子电池发展路线图 资料来源：钠离子电池科学与技术（胡勇胜等，2021），联储证券研究院 2010年以来，由于锂资源供给的稀缺态势日益凸显，钠离子电池受到了国内外学术界和产业界的广泛关注，其相关研究更是迎来了爆发式增长。目前，钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段，国内外已有多家企业，包括英国FARADION公 司，美国NatronEnergy公司，法国Tiamat，日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，以及我国的中科海钠、宁德时代、钠创新能源等公司，正在进行钠离子电池产业化的相关布局，并取得了重要进展。 图6全球钠离子电池产业化布局 资料来源：钠离子电池标准制定的必要性（周全等，2020），联储证券研究院 2018年6月，国内首家钠离子电池企业中科海钠推出了全球首辆钠离子电池(72V， 80Ah)驱动的低速电动车，并于2019年3月发布了世界首座30kW/100kWh钠离子电池储能电站，2021年6月推出1MWh的钠离子电池储能系统，并在山西太原投运。国内在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开，钠离子电池即将进入商业化应用阶段，相关工作已经走在世界前列。 1.2产业链现状：技术无虞，量产在即 钠离子电池主要生产制备技术已基本成熟，处于量产的前夜。和锂离子电池相似，制备钠离子电池的原材料主要包括四大主材（正极材料、负极材料、电解液和隔膜）和关键辅材（极耳、集流体、粘结剂、导电剂、外壳组件等）。正极材料方面，目前投入研 究比较多的包括层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝（白）等，其中层状氧化物正极材料的理论能量密度最高，有望率先商用；负极材料方面，现阶段技术路线以硬碳为主，软碳为辅；电解液方面，以六氟磷酸钠电解质为主；集流体方面，低成本铝箔替代铜箔正在不断推进中；隔膜材料可沿用锂电池隔膜体系。 图7钠离子电池产业链 资料来源：钠离子电池科学与技术（胡勇胜等，2021），联储证券研究院 1.2.1关键材料：多路线并行，层状氧化物体系有望率先商用 钠离子电池正极材料的技术路线主要有层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝(白)类、隧道氧化物类等，其中层状氧化物路线有望率先商用。层状氧化物正极材料结构类似于锂电池的三元材料，成品电池理论能量密度高于聚阴离子型材料，但依然存在结构相变复杂和循环寿命短等问题,提升层状正极材料的综合性能仍是目前钠离子电池的重要研究方向。聚阴离子类化合物结构类似于磷酸铁锂，具有开放的骨架结构和优异的倍率性能,但这类材料的电子电导较差,成品电池能量密度偏低，往往需要对其进行碳包覆改性， 且目前生产成本较高。普鲁士蓝类材料因为具有稳定的三维骨架结构而具有较好的结构稳定性和倍率性能,生产成本也较低，然而依然存在结晶水难以去除、过渡金属易溶解、循环寿命低等问题。 图8不同正极材料的性能参数（其中层状氧化物为绿色，聚阴离子型为红色，普鲁士蓝为蓝色） 资料来源：Na-IonBatteries—ApproachingOldandNewChallenges（EiderGoikolea等，2020），联储证券研究 院 注：填充图形表示理论性能，未填充图形表示实际性能。 钠离子电池正极材料可通过固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法等多种方法来制备，其中以固相反应法最为常用。固相反应法也属于多组分固相固相烧结法，即在多组分固相烧结过程中通过离子扩散过程形成固溶体或者新的的化合物，具有工艺简单和成本低廉等优势，适用性较强。 表1钠离子电池各体系及特点 项目层状氧化物体系普鲁士蓝（白）类化合物隧道型氧化 物体系 聚阴离子型 代表化合物 NaMO2,M=Ni、Mn、Co等 铁氰化物NaxMA ［MB(CN)6］·zH2O，(MA 和MB为过渡金属离子， Fe、Mn等) -Na3V2(PO4)3、Na3MnTi(PO4)3 结构 可逆比容量高、能量密 优点度高、倍率性能高、技 术转化容易 工作电压可调、可逆比容量 高、能量密度高、合成温度低 循环性好、倍率性好 工作电压高、热稳 定性好、循环好、空气稳定性好 缺点容易吸湿、循环性能稍 差 导电性差、库仑效率低比容量低、 工作电压低 可逆比容量低、部分含有毒元素 现状工艺成熟，量产首选工艺不成熟学术研究阶 段 中科海钠、宁德时代、 较适用于储能 钠创新能源、鹏辉 代表公司 钠创新能源、鹏辉能 源、多氟多、蜂巢能源等 宁德时代、星空钠电- 能源、蜂巢能源、珈钠能源 资料来源：钠离子电池储能技术及经济性分析（张平等，2022），联储证券研究院 表2钠离子电池正极材料的制备方法 合成方法优点缺点适用条件 固相反应法操作简单、易于控制、工艺流程 短、成本较低、易工业化生产等 共沉淀法各元素混合均匀，形貌一般较 好，易生产放大 前驱体混合均匀，可降低煅烧温溶胶-凝胶法度和时间，降低生产成本，样品 一致性较好、纯度高等 煅烧时间久、能耗较大、效率低、样品均匀性差和性能略差等需要控制的条件较多，成本较高，需处理技术 惰性气氛下易残留原位碳 适用性强可溶性原料 可溶性原料、可原