1.3.近年來,鈉離子電池技術(shù)突破頻繁。新材料有助于提高鈉離子電池的性價(jià)比由來已久,最近十年發(fā)展迅速。20世紀(jì)70年代,鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)被發(fā)現(xiàn),隨后幾十年鈉離子電池進(jìn)展緩慢。2010年后,學(xué)術(shù)界開始越來越重視鈉離子電池相關(guān)材料的研究,論文數(shù)量持續(xù)上升,在2020年左右達(dá)到高峰,期間各類正負(fù)極材料及其技術(shù)路線的研究開始推進(jìn)。2020年后,鈉離子研究的熱度開始下降,呈現(xiàn)出技術(shù)成熟、初步商業(yè)化的特點(diǎn)。2011年,全球第一家專業(yè)生產(chǎn)鈉離子電池的公司Faradion在英國(guó)成立;2017年,國(guó)內(nèi)首家鈉離子電池專業(yè)制造商中科海納成立,隨后不斷取得商業(yè)化成果,開啟了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化之路。各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)不斷突破,鈉離子電池的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)凸顯。近年來,鈉離子電池在基礎(chǔ)技術(shù)上頻頻取得突破。對(duì)當(dāng)代安培科技有限公司普魯士藍(lán)陰極的工藝進(jìn)行了優(yōu)化,選擇了最佳的材料粒度和碳涂層,提高了放電功率。中科院物理所團(tuán)隊(duì)發(fā)明銅基陰極材料,探索下一代高熵陰極材料,通過無煙煤裂解技術(shù)獲得軟碳陰極材料;工藝團(tuán)隊(duì)在聚陰離子正極材料中使用鋁代替釩,提高了性能,降低了成本。2.鈉電池成本低,正負(fù)極和鋰電池有區(qū)別。2.1.鈉離子電池的成本低于鋰電子電池。由于嵌入效率低,鈉電池的能量密度受到影響,但成本優(yōu)勢(shì)明顯。鈉離子電池的正極材料不需要昂貴的鋰鹽,銅基正極材料也可以避免昂貴的過渡金屬化合物。國(guó)藥數(shù)據(jù)顯示,鈉離子電池銅基負(fù)極比磷酸亞鐵鋰負(fù)極成本可降低近60%。同時(shí),由于鈉和鋁的合金化反應(yīng)不容易,集流體可以全部用鋁箔代替銅箔,成本可以降低近70%。另外,鈉離子電池的負(fù)極材料可以通過加工低價(jià)無煙煤獲得,隔膜與鋰離子電池類似,基本維持與鋰離子電池類似的成本。據(jù)SinoTech海納綜合測(cè)算,鈉離子電池比性能相近的磷酸鐵鋰電池成本可降低30%-40%左右;目前鈉離子電池的制造工藝還不完全成熟,制造規(guī)模較小。其制造成本約為1元/Wh,相當(dāng)于三元鋰電池。據(jù)SinoTech海納預(yù)測(cè),在規(guī)模效應(yīng)的加持下,鈉離子電池的成本有望進(jìn)一步降低至0.2~0.3元/Wh。2.2.鈉電池的三種正極材料線各有所長(zhǎng)鈉離子電池正極材料主要包括層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍(lán) 類似物三大路線。已發(fā)現(xiàn)的層狀金屬氧化物正極材料包括 NaFeO2 等 O3 構(gòu)型材 料, Na2/3MnO2 等 P2 構(gòu)型材料,以及具有更復(fù)雜構(gòu)型的混合材料;普魯士藍(lán)類 似物主要包括普魯士藍(lán)、鐵基/錳基普魯士白等;聚陰離子類正極材料分為 Na4MnV(PO4)3 等 NASICON 型材料,以及 Na3(VOPO4)2F 等氟磷酸鹽型材料。 已經(jīng)商業(yè)化的正極材料覆蓋各個(gè)類型,其性能、成本各不相同。從性能角度來看, 普魯士藍(lán)類似物和層狀氧化物的理論能量密度更高;從成本看,層狀氧化物材料 價(jià)格最為低廉。其余幾類材料中,隧道型氧化物、非晶態(tài)化合物理論能量密度較 低,實(shí)用性差;有機(jī)正極如 Na2C6O6,其能量密度很高,但工作電壓很低,阻礙 了進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。(報(bào)告來源:未來智庫)2.2.1、 層狀過渡金屬氧化物原材料易得、成本低層狀氧化物材料譜系廣泛,性能潛力空間大。過渡金屬氧化物是一類最為常見的 鋰離子電池正極材料,三元鋰電正極材料即屬此類。過渡金屬氧化物分為隧道型 和層狀型兩種,前者性能潛力遠(yuǎn)不如后者,主要系層狀結(jié)構(gòu)利于鈉/鋰離子更好 地嵌入金屬氧化物,從而提升其比容量和能量密度。基于與三元鋰離子電池正極 材料相同的原理,鈉離子電池可以采用類似結(jié)構(gòu)的材料 NaxMO2,其中 M 一般 為鎳、鈷、錳等過渡金屬元素。根據(jù)材料的晶胞構(gòu)造與鈉離子嵌入形式,該類材 料又可細(xì)分為 O3、P2、P3 三個(gè)亞型及混合型,其中 O3、P2 構(gòu)型最為常見。 由于不同過渡元素的配比可誕生極多種材料構(gòu)型,可挖掘潛力大,層狀金屬氧化 物一直以來都是科學(xué)研究的重點(diǎn)。層狀氧化物路線可變因素較多,潛力空間大。 據(jù)胡勇勝團(tuán)隊(duì)研究顯示,P2 構(gòu)型的 Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2 材料具有高可逆氧變價(jià) 特性,理論最高能量密度可達(dá) 700Wh/kg,最高可逆比容量 270mAh/g。層狀氧化物材料譜系豐富,原材料易得。英國(guó)鈉離子電池生產(chǎn)商 Faradion 是世 界最早開始鈉離子電池商業(yè)化的公司之一,始終采用層狀正極氧化物路線,擁有 AxMyMiziO2-d 過渡元素型層狀金屬氧化物專利,其中 A 為以鈉為主導(dǎo)的堿金屬合 金, M 為鎳、錳、鐵、鈷之一,Mi 可能為鎳、鐵、鈷、錳、鈦等幾十種元素的 組合,其中較為常用的如 NaNi0.5Ti0.5O2-d 等。Faradion 的專利內(nèi)容也充分體現(xiàn) 了層狀氧化物材料譜系豐富的特點(diǎn),其元素組成靈活多變,性能各異,一方面有 望為不同應(yīng)用場(chǎng)景提供各種解決方案,另一方面通過所用金屬元素的改進(jìn)可以不 斷降低成本。同時(shí),層狀氧化物制備方法簡(jiǎn)單,主要為燒結(jié)等熱處理工藝,該工 藝與三元正極制備方法十分類似。
2.2.2.普魯士藍(lán)類似物能量密度高,普魯士藍(lán)類似物潛力突出,能量密度與磷酸亞鐵鋰相當(dāng)。普魯士類似物開放的三維結(jié)構(gòu)和豐富的鈉離子存儲(chǔ)位點(diǎn)使其具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和高能量密度。根據(jù)唐等人2020年的工作,普魯士藍(lán)正極材料在實(shí)驗(yàn)室可測(cè)量的能量密度在111Wh/kg以上;S. He(2022)等研究表明,一種新型鐵基普魯士白(NaMHCF)的能量密度至少可以達(dá)到182Wh/kg。根據(jù)當(dāng)代Amperex科技有限公司鈉離子電池發(fā)布會(huì),商用鈉離子電池單體能量密度最高可達(dá)160Wh/kg,與主流磷酸亞鐵鋰正極材料性能基本相當(dāng)。下一代鈉離子正極材料能量密度有望達(dá)到200Wh/kg,趕上了磷酸亞鐵鋰主流正極材料的發(fā)展規(guī)劃。2.2.3.聚陰離子化合物穩(wěn)定性高,倍率性能有待提高。聚陰離子化合物具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性,其倍率性能限制了其實(shí)際應(yīng)用。與其他正極材料相比,聚陰離子化合物(含有四面體或八面體陰離子結(jié)構(gòu)單元(XOm)n-(X=P,Si,B等的一系列化合物。)由于陰離子骨架網(wǎng)絡(luò)的高穩(wěn)定性,具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全性能。但聚陰離子化合物最大的缺點(diǎn)是電子電導(dǎo)率和離子擴(kuò)散系數(shù)很低,導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)極化大,降低了倍率性能,限制了實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室中,鋁元素取代了釩,新材料的效率顯著提高。2021年,趙俊梅團(tuán)隊(duì)在三元磷酸鹽正極材料Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3的研發(fā)上取得突破,進(jìn)而用鋁代替釩,進(jìn)一步降低成本。據(jù)團(tuán)隊(duì)介紹,鋁錳釩磷酸鈉的成本比磷酸釩鈉低44%,比磷酸錳釩鈉低10%。同時(shí),兩種鋁錳釩磷酸鈉材料的能量密度分別達(dá)到224 Wh/kg和232Wh/kg,遙遙領(lǐng)先于前人的研究成果,打開了磷酸鹽聚陰離子化合物的應(yīng)用窗口。2.3.負(fù)極材料以碳基為主,鈉離子電池負(fù)極材料以碳基為主。鐵基材料和鈦酸鈉都有潛力。方等研究表明,鈉離子電池的負(fù)極材料主要是硬碳和軟碳材料,還包括鈦酸鈉等插層化合物、四氧化三鐵等轉(zhuǎn)化化合物、單質(zhì)金屬和合金材料等。在所有已發(fā)現(xiàn)的負(fù)極材料中,除碳基和鐵基負(fù)極外的其他材料可能具有更高的可逆容量和能量密度,但單價(jià)過高,不適合商業(yè)化應(yīng)用。其中鐵基材料,如硫化亞鐵、四氧化三鐵等價(jià)格低廉,偶有市售,但技術(shù)成熟度不如碳基材料。碳基材料中,鋰離子電池常用的石墨材料無法有效嵌入鈉離子,改良后的石墨材料仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,尚未應(yīng)用。目前主流的碳基負(fù)極材料是各種硬碳材料,價(jià)格和性能與鋰離子電池石墨負(fù)極基本相同。2.3.1.硬碳路肩性能優(yōu)于石墨硬碳路線,價(jià)格降低后更有應(yīng)用潛力。2003年,Dahn等人通過碳化葡萄糖獲得了一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)無序的硬碳材料。鈉離子可以嵌入材料中的納米空腔,形成所謂的“紙牌屋結(jié)構(gòu)”,可逆比容量為300mAhg-1。隨著硬碳材料的不斷發(fā)展,其比容量不斷上升,已知最高容量可達(dá)478mAhg-1。但由于硬碳比石墨的加工要求更高,其價(jià)格偏高,一般在10-20萬/噸左右,常被用作鈉離子電池的高性能負(fù)極材料。在未來,努力的代價(jià)
由于鈉離子體積較大,難以嵌入石墨層間的空隙中,所以石墨不能直接作為鈉離子電池的負(fù)極。1994年,Doeff提出了一種熱處理工藝,可以用石油焦或乙炔黑代替石墨用于鈉離子電池負(fù)極,填充鈉離子分別形成NaC30和NaC15?;衔镏锈c離子的密度優(yōu)于對(duì)照組的石墨材料(NaC70),雖然不如鋰電池的石墨材料,但將其應(yīng)用于鈉離子電池負(fù)極初步可行。3.鈉離子電池市場(chǎng)空間廣闊,涵蓋兩輪儲(chǔ)能。3.1.電化學(xué)儲(chǔ)能市場(chǎng)空間巨大。電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展迅速。2025年,鈉離子電池需求將催生200億元以上的大市場(chǎng)。據(jù)CNESA統(tǒng)計(jì),2020年,全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目新增裝機(jī)容量將達(dá)到4.7GWh,2021年7月,國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意 見》,提出到2025年實(shí)現(xiàn)累計(jì)裝機(jī)容量30GWh的目標(biāo)。假設(shè)2021-2025年復(fù)合每年增長(zhǎng)60%,我們預(yù)計(jì)2025年我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能總規(guī)模將超過34GWh。假設(shè)(1)搖椅二次電池(鋰/鈉離子電池)在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的占比與2020年持平,約為92%;(2)鈉離子電池普及率100%;(3)鈉離子電池成本和毛利率接近現(xiàn)有磷酸鐵鋰電池,其中成本0.6元/Wh,毛利率20%;可以預(yù)計(jì),2025年鈉離子儲(chǔ)能電池市場(chǎng)規(guī)模將超過230億元。鈉離子電池電化學(xué)性能穩(wěn)定,安全性較好。鈉是與鋰并列的第一主族元素,其特點(diǎn)是一價(jià)正離子穩(wěn)定性好,溶液電導(dǎo)率高。相比之下,鈉的原子數(shù)更高,原子和離子的半徑更大,電負(fù)性和一次電離能更低,使得鈉離子的穩(wěn)定性更好,離子電導(dǎo)率更高。鈉離子的穩(wěn)定性和高導(dǎo)電性也為鈉離子電池帶來了更好的快速充電和低溫運(yùn)行性能。鈉離子的摩爾離子電導(dǎo)率更高,使得充電效率更高;同時(shí),鈉離子更高的穩(wěn)定性使得鈉離子電池以更高的功率充電,不易造成電池?fù)p壞或安全事故。此外,鈉離子電池在運(yùn)行時(shí)內(nèi)電阻稍高,若遭遇短路,發(fā)熱量更小,溫升 更低,減少了事故發(fā)生率。鈉離子的穩(wěn)定性還使得鈉更難以在低溫下析出,使其 具備優(yōu)于鋰離子電池的低溫安全性;據(jù)寧德時(shí)代鈉離子電池發(fā)布會(huì)披露,在零下 二十度的高寒環(huán)境下,鈉離子電池的放電保持率可以接近 90%,而據(jù)鉅大鋰電 描述,鋰離子電池在零下二十度往往只能獲得 70%~75%的放電。在高寒地區(qū)或 冬季使用鈉離子電池可以保證電動(dòng)車的最高速度、續(xù)航里程,也可以加強(qiáng)儲(chǔ)能電 站對(duì)氣溫干擾的抵抗能力,提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性。3.2、 鈉電池在 A00 級(jí)及兩輪車領(lǐng)域亦有看點(diǎn)電動(dòng)兩輪車領(lǐng)域性能成本不輸鉛酸電池。傳統(tǒng)電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)主流電池為鉛蓄 電池,近年來由于鋰電池成本的下降,其滲透率正逐年上升。據(jù)艾瑞咨詢統(tǒng)計(jì), 兩輪車用鋰電滲透率已連續(xù) 5 年每年至少提高 2 個(gè)百分點(diǎn),2021 年滲透率為23.4%。參考 EVTank 相關(guān)預(yù)測(cè),在鋰電滲透率持續(xù)增長(zhǎng)的情況下,用于電動(dòng)兩 輪車的鋰電規(guī)模將穩(wěn)步上升;基于上文相關(guān)假設(shè),我們預(yù)測(cè) 2025 年兩輪車用鋰 電總需求量將超 27GWh,其市場(chǎng)規(guī)模將接近 200 億元。鈉離子電池的出現(xiàn)使得 鉛蓄電池的成本和鋰離子電池的性能得以兼顧,未來有望成為電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)主 流產(chǎn)品,催生百億規(guī)模的鈉離子電池市場(chǎng)。A00 級(jí)純電乘用車銷量飆升,鈉離子電池有望加速滲透這一重性價(jià)比領(lǐng)域。2018 年以來,新能源車基本占領(lǐng)了 A00 級(jí)乘用車市場(chǎng),且 A00 級(jí)乘用車占新能源車 出貨量的比例越來越高。WIND 數(shù)據(jù)顯示,2021 年隨著新能源乘用車銷量強(qiáng)勢(shì) 上漲,A00 級(jí)純電乘用車銷量也同步上漲,且其占純電汽車銷量的比例由 2019 年的 27%,2020 年的 33%再次上升,達(dá)到 36%,充分說明了 A00 級(jí)乘用車產(chǎn) 品在新能源汽車市場(chǎng)中的重要地位。由于 A00 級(jí)乘用車對(duì)動(dòng)力要求較低,鈉離 子電池完全可以滿足,未來 A00 級(jí)純電汽車中使用低成本鈉離子電池的比例將 不斷上升。2021 年 A00 級(jí)新能源車市場(chǎng)規(guī)模約 300-400 億元,其中 A00 純電 市場(chǎng)近 100 億元,鈉離子電池大有可為。(報(bào)告來源:未來智庫)4、 鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化加速,先行者將受益鈉電產(chǎn)業(yè)化提速,鈉離子電池產(chǎn)品接連發(fā)布。目前我們統(tǒng)計(jì)到至少 9 家公司已經(jīng) 研發(fā)出可用的鈉離子電池產(chǎn)品,其中以中科海鈉、寧德時(shí)代的技術(shù)為最領(lǐng)先。據(jù) 超凡網(wǎng)統(tǒng)計(jì),截止 2021 年 11 月已生效的鈉離子電池專利中,中科院物理所擁 有 67 個(gè),中科海鈉 18 個(gè),寧德時(shí)代 32 個(gè)。按類型來看,最重要的正極材料部 分專利數(shù)量最多為 79 個(gè),其中中科院物理所與中科海鈉偏重過渡金屬氧化物, 共申請(qǐng)相關(guān)專利 25 個(gè);寧德時(shí)代目前傾向于普魯士藍(lán)類似物路線,相關(guān)專利共 16 個(gè),另有其他正極相關(guān)專利 9 個(gè)。依托中科院物理所技術(shù)的中科海鈉公司于 2017 年推出首款鈉離子電池,該電池 以成本優(yōu)勢(shì)見長(zhǎng)。一方面,通過銅基正極的研發(fā),盡可能避免了過渡元素化合物 的使用,進(jìn)一步降低了正極成本;另一方面,使用無煙煤裂解生產(chǎn)軟碳負(fù)極,解 決了鈉離子電池負(fù)極成本比例偏高的問題;同時(shí),將負(fù)極集流體替換為鋁箔,減 少了使用銅箔帶來的成本。寧德時(shí)代于 2021 年 7 月公布的第一代鈉離子電池則使用了已知理論能量密度 最高的錳基普魯士白材料,實(shí)現(xiàn)了最高的有效能量密度。寧德時(shí)代認(rèn)為層狀氧化 物和普魯士白兩種正極材料最具商業(yè)前景,正同步推進(jìn)兩條技術(shù)路徑。其中以普 魯士白為正極的第一代鈉離子電池除比肩磷酸鐵鋰電池的質(zhì)量能量密度外,還包 括以下優(yōu)勢(shì)性能。第一,電池具有優(yōu)秀的低溫放電保持率,即在-20℃的低溫下 仍可保持 90%以上的放電率;第二,良好的快充性能,常溫下 15 分鐘可充電 80%;第三,較高的系統(tǒng)集成效率,系統(tǒng)集成率達(dá) 80%;第四,與鋰電池的兼容 性,其提出的 AB 電池方案可以綜合鈉鋰電池的優(yōu)勢(shì),在低溫等場(chǎng)景下提高鈉離 子電芯的使用強(qiáng)度,在其余場(chǎng)景下提高鋰離子電芯的使用強(qiáng)度,降低電池成本的 同時(shí)不影響電池整體性能。上市公司積極布局鈉離子電池,覆蓋正極負(fù)極等多個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前已有多家上 市公司存在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)布局,包括電芯電池、正極材料、負(fù)極材料、 電解液、隔膜、補(bǔ)鈉技術(shù)、電池生產(chǎn)設(shè)備等各個(gè)環(huán)節(jié)。電芯方面,三峽能源與中 科海鈉合作已建成全球首條 1GWh 級(jí)規(guī)?;a(chǎn)線;正極材料方面,振華新材 已具備層狀氧化物材料千噸級(jí)生產(chǎn)能力;容百科技也已具備噸級(jí)生產(chǎn)能力,正與 下游客戶繼續(xù)合作開發(fā)。負(fù)極材料方面,杉杉股份的硬碳石墨復(fù)合材料已進(jìn)入中 試階段。(本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息,請(qǐng)參閱報(bào)告原文。)精選報(bào)告來源:【未來智庫】。(報(bào)告制作人/作者:國(guó)海證券,李航)
聯(lián)系人:崔經(jīng)理
手 機(jī):18311413112
郵 箱:hycuishilong@foxmail.com
公 司:理士蓄電池_江蘇理士國(guó)際技術(shù)有限公司_官方網(wǎng)站
地 址:深圳市南山區(qū)南海大道新保輝大廈五樓