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钠电池的产业化加速,有望补充或替代锂电池产业链。

1。钠离子电池和锂离子电池是双胞胎,有很好的产业化基础。1.钠离子电池和锂离子电池的结构和原理相似。钠离子电池是一种类似于锂离子电池的摇椅式二次电池。钠离子电池和锂离子电池属于摇椅电池,主要包括正极、负极、电解液、隔膜、集流体五个部分。技术难点集中在正极和负极材料上。其工作原理是钠离聚物在正负极材料中的嵌入和脱嵌,从而实现能量的充放。电池充电时,钠离子通过隔膜从正极向负极迁移,正极中的部分钠离子脱嵌到电解液中,电解液中的部分钠离子嵌入石墨或硬碳材料的晶格间隙中。反之,放电时,负的钠离子脱嵌,正的钠离子嵌入,钠离子由负向正迁移。钠元素和锂元素的物理化学性质不同,电池性能也不同。第一,钠离子的半径比锂离子的半径大,增加了插入/取出层状正负极材料的难度。在常见的层状金属氧化物材料中,钠离子只能嵌在八面体间隙中,而锂离子可以同时嵌在四面体和八面体间隙中,这使得钠离子正极材料缺乏能量密度。同时,钠离子很难嵌入负极的石墨片之间,这使得钠离子电池必须采用其他负极材料。其次,钠离子的第一电离能更低,使得钠离子在低温下更加稳定,不易析出枝晶,为钠离子电池带来更加优异的安全性、稳定性和低温性能。第三,钠离子较高的摩尔电导率使得钠离子电池所需电解液的浓度较低,对添加剂的要求也较低,钠离子电池的电化学性能略好于锂离子电池。钠离子电池的技术和锂离子电池差不多,研发和生产投入小。一方面,钠离子电池和锂离子电池的技术在很多环节是相似的,生产线可以互相交换,需要的额外成本较少。钠离子载体电池的层状氧化物正极材料和三元锂正极材料采用烧结工艺,设备可以通用。同时,隔膜和电池的制造工艺也非常相似。另一方面,锂离子电池发展多年,行业技术积累深厚。多种材料为钠离子电池材料提供了创新思路,可以使其R  & ampd成本低于同阶段的锂离子电池。1.2.碳酸锂价格居高不下,钠电原料易得,成本低,钠资源供需关系稳定,价格波动小。地壳中钠的含量很高,地壳的丰度是锂的1000多倍。随着新能源产业的蓬勃发展,电池级碳酸锂的价格持续上涨。WIND统计数据显示,自2022年以来,碳酸锂的平均单价一直高于40万/吨,而与之对应的钠化电池原料轻质纯碱却一直维持在0.2-0.4万元/吨,不到前者的1%。由于下游锂电池产能激增,碳酸锂供需关系持续紧张,低品位锂矿开采成本上升,未来锂价将继续攀升。在碳酸锂供应紧张的情况下,锂电池正极材料和电解液的产量很容易受到上游原材料价格变动的冲击。相反,纯碱资源极其丰富,涉及行业众多,开采成本在可预见的未来不会上涨。因此,钠资源的供需关系更加稳定,不容易出现供应缺口。钠离子电池下游厂商的原料供应有充分保障。的分布

1.3.近年来,钠离子电池技术突破频繁。新材料有助于提高钠离子电池的性价比由来已久,最近十年发展迅速。20世纪70年代,钠离子电池几乎与锂离子电池同时被发现,随后几十年钠离子电池进展缓慢。2010年后,学术界开始越来越重视钠离子电池相关材料的研究,论文数量持续上升,在2020年左右达到高峰,期间各类正负极材料及其技术路线的研究开始推进。2020年后,钠离子研究的热度开始下降,呈现出技术成熟、初步商业化的特点。2011年,全球第一家专业生产钠离子电池的公司Faradion在英国成立;2017年,国内首家钠离子电池专业制造商中科海纳成立,随后不断取得商业化成果,开启了钠离子电池产业化之路。各个环节的技术不断突破,钠离子电池的性价比优势凸显。近年来,钠离子电池在基础技术上频频取得突破。对当代安培科技有限公司普鲁士蓝阴极的工艺进行了优化,选择了最佳的材料粒度和碳涂层,提高了放电功率。中科院物理所团队发明铜基阴极材料,探索下一代高熵阴极材料,通过无烟煤裂解技术获得软碳阴极材料;工艺团队在聚阴离子正极材料中使用铝代替钒,提高了性能,降低了成本。2.钠电池成本低,正负极和锂电池有区别。2.1.钠离子电池的成本低于锂电子电池。由于嵌入效率低,钠电池的能量密度受到影响,但成本优势明显。钠离子电池的正极材料不需要昂贵的锂盐,铜基正极材料也可以避免昂贵的过渡金属化合物。国药数据显示,钠离子电池铜基负极比磷酸亚铁锂负极成本可降低近60%。同时,由于钠和铝的合金化反应不容易,集流体可以全部用铝箔代替铜箔,成本可以降低近70%。另外,钠离子电池的负极材料可以通过加工低价无烟煤获得,隔膜与锂离子电池类似,基本维持与锂离子电池类似的成本。据SinoTech海纳综合测算,钠离子电池比性能相近的磷酸铁锂电池成本可降低30%-40%左右;目前钠离子电池的制造工艺还不完全成熟,制造规模较小。其制造成本约为1元/Wh,相当于三元锂电池。据SinoTech海纳预测,在规模效应的加持下,钠离子电池的成本有望进一步降低至0.2~0.3元/Wh。2.2.钠电池的三种正极材料线各有所长钠离子电池正极材料主要包括层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝 类似物三大路线。已发现的层状金属氧化物正极材料包括 NaFeO2 等 O3 构型材 料, Na2/3MnO2 等 P2 构型材料,以及具有更复杂构型的混合材料;普鲁士蓝类 似物主要包括普鲁士蓝、铁基/锰基普鲁士白等;聚阴离子类正极材料分为 Na4MnV(PO4)3 等 NASICON 型材料,以及 Na3(VOPO4)2F 等氟磷酸盐型材料。 已经商业化的正极材料覆盖各个类型,其性能、成本各不相同。从性能角度来看, 普鲁士蓝类似物和层状氧化物的理论能量密度更高;从成本看,层状氧化物材料 价格最为低廉。其余几类材料中,隧道型氧化物、非晶态化合物理论能量密度较 低,实用性差;有机正极如 Na2C6O6,其能量密度很高,但工作电压很低,阻碍 了进一步的发展和应用。(报告来源:未来智库)2.2.1、 层状过渡金属氧化物原材料易得、成本低层状氧化物材料谱系广泛,性能潜力空间大。过渡金属氧化物是一类最为常见的 锂离子电池正极材料,三元锂电正极材料即属此类。过渡金属氧化物分为隧道型 和层状型两种,前者性能潜力远不如后者,主要系层状结构利于钠/锂离子更好 地嵌入金属氧化物,从而提升其比容量和能量密度。基于与三元锂离子电池正极 材料相同的原理,钠离子电池可以采用类似结构的材料 NaxMO2,其中 M 一般 为镍、钴、锰等过渡金属元素。根据材料的晶胞构造与钠离子嵌入形式,该类材 料又可细分为 O3、P2、P3 三个亚型及混合型,其中 O3、P2 构型最为常见。 由于不同过渡元素的配比可诞生极多种材料构型,可挖掘潜力大,层状金属氧化 物一直以来都是科学研究的重点。层状氧化物路线可变因素较多,潜力空间大。 据胡勇胜团队研究显示,P2 构型的 Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2 材料具有高可逆氧变价 特性,理论最高能量密度可达 700Wh/kg,最高可逆比容量 270mAh/g。层状氧化物材料谱系丰富,原材料易得。英国钠离子电池生产商 Faradion 是世 界最早开始钠离子电池商业化的公司之一,始终采用层状正极氧化物路线,拥有 AxMyMiziO2-d 过渡元素型层状金属氧化物专利,其中 A 为以钠为主导的碱金属合 金, M 为镍、锰、铁、钴之一,Mi 可能为镍、铁、钴、锰、钛等几十种元素的 组合,其中较为常用的如 NaNi0.5Ti0.5O2-d 等。Faradion 的专利内容也充分体现 了层状氧化物材料谱系丰富的特点,其元素组成灵活多变,性能各异,一方面有 望为不同应用场景提供各种解决方案,另一方面通过所用金属元素的改进可以不 断降低成本。同时,层状氧化物制备方法简单,主要为烧结等热处理工艺,该工 艺与三元正极制备方法十分类似。

2.2.2.普鲁士蓝类似物能量密度高,普鲁士蓝类似物潜力突出,能量密度与磷酸亚铁锂相当。普鲁士类似物开放的三维结构和丰富的钠离子存储位点使其具有优异的电化学性能和高能量密度。根据唐等人2020年的工作,普鲁士蓝正极材料在实验室可测量的能量密度在111Wh/kg以上;S. He(2022)等研究表明,一种新型铁基普鲁士白(NaMHCF)的能量密度至少可以达到182Wh/kg。根据当代Amperex科技有限公司钠离子电池发布会,商用钠离子电池单体能量密度最高可达160Wh/kg,与主流磷酸亚铁锂正极材料性能基本相当。下一代钠离子正极材料能量密度有望达到200Wh/kg,赶上了磷酸亚铁锂主流正极材料的发展规划。2.2.3.聚阴离子化合物稳定性高,倍率性能有待提高。聚阴离子化合物具有很高的结构稳定性和安全性,其倍率性能限制了其实际应用。与其他正极材料相比,聚阴离子化合物(含有四面体或八面体阴离子结构单元(XOm)n-(X=P,Si,B等的一系列化合物。)由于阴离子骨架网络的高稳定性,具有良好的结构稳定性和安全性能。但聚阴离子化合物最大的缺点是电子电导率和离子扩散系数很低,导致电化学反应极化大,降低了倍率性能,限制了实际应用。在实验室中,铝元素取代了钒,新材料的效率显著提高。2021年,赵俊梅团队在三元磷酸盐正极材料Na4VFe0.5Mn0.5(PO4)3的研发上取得突破,进而用铝代替钒,进一步降低成本。据团队介绍,铝锰钒磷酸钠的成本比磷酸钒钠低44%,比磷酸锰钒钠低10%。同时,两种铝锰钒磷酸钠材料的能量密度分别达到224 Wh/kg和232Wh/kg,遥遥领先于前人的研究成果,打开了磷酸盐聚阴离子化合物的应用窗口。2.3.负极材料以碳基为主,钠离子电池负极材料以碳基为主。铁基材料和钛酸钠都有潜力。方等研究表明,钠离子电池的负极材料主要是硬碳和软碳材料,还包括钛酸钠等插层化合物、四氧化三铁等转化化合物、单质金属和合金材料等。在所有已发现的负极材料中,除碳基和铁基负极外的其他材料可能具有更高的可逆容量和能量密度,但单价过高,不适合商业化应用。其中铁基材料,如硫化亚铁、四氧化三铁等价格低廉,偶有市售,但技术成熟度不如碳基材料。碳基材料中,锂离子电池常用的石墨材料无法有效嵌入钠离子,改良后的石墨材料仍处于实验室研究阶段,尚未应用。目前主流的碳基负极材料是各种硬碳材料,价格和性能与锂离子电池石墨负极基本相同。2.3.1.硬碳路肩性能优于石墨硬碳路线,价格降低后更有应用潜力。2003年,Dahn等人通过碳化葡萄糖获得了一种内部结构无序的硬碳材料。钠离子可以嵌入材料中的纳米空腔,形成所谓的“纸牌屋结构”,可逆比容量为300mAhg-1。随着硬碳材料的不断发展,其比容量不断上升,已知最高容量可达478mAhg-1。但由于硬碳比石墨的加工要求更高,其价格偏高,一般在10-20万/吨左右,常被用作钠离子电池的高性能负极材料。在未来,努力的代价

由于钠离子体积较大,难以嵌入石墨层间的空隙中,所以石墨不能直接作为钠离子电池的负极。1994年,Doeff提出了一种热处理工艺,可以用石油焦或乙炔黑代替石墨用于钠离子电池负极,填充钠离子分别形成NaC30和NaC15。化合物中钠离子的密度优于对照组的石墨材料(NaC70),虽然不如锂电池的石墨材料,但将其应用于钠离子电池负极初步可行。3.钠离子电池市场空间广阔,涵盖两轮储能。3.1.电化学储能市场空间巨大。电化学储能发展迅速。2025年,钠离子电池需求将催生200亿元以上的大市场。据CNESA统计,2020年,全球电化学储能项目新增装机容量将达到4.7GWh,2021年7月,国家发改委和国家能源局联合发布《关于加快推动新型储能发展的指导意 见》,提出到2025年实现累计装机容量30GWh的目标。假设2021-2025年复合每年增长60%,我们预计2025年我国电化学储能总规模将超过34GWh。假设(1)摇椅二次电池(锂/钠离子电池)在电化学储能领域的占比与2020年持平,约为92%;(2)钠离子电池普及率100%;(3)钠离子电池成本和毛利率接近现有磷酸铁锂电池,其中成本0.6元/Wh,毛利率20%;可以预计,2025年钠离子储能电池市场规模将超过230亿元。钠离子电池电化学性能稳定,安全性较好。钠是与锂并列的第一主族元素,其特点是一价正离子稳定性好,溶液电导率高。相比之下,钠的原子数更高,原子和离子的半径更大,电负性和一次电离能更低,使得钠离子的稳定性更好,离子电导率更高。钠离子的稳定性和高导电性也为钠离子电池带来了更好的快速充电和低温运行性能。钠离子的摩尔离子电导率更高,使得充电效率更高;同时,钠离子更高的稳定性使得钠离子电池以更高的功率充电,不易造成电池损坏或安全事故。此外,钠离子电池在运行时内电阻稍高,若遭遇短路,发热量更小,温升 更低,减少了事故发生率。钠离子的稳定性还使得钠更难以在低温下析出,使其 具备优于锂离子电池的低温安全性;据宁德时代钠离子电池发布会披露,在零下 二十度的高寒环境下,钠离子电池的放电保持率可以接近 90%,而据钜大锂电 描述,锂离子电池在零下二十度往往只能获得 70%~75%的放电。在高寒地区或 冬季使用钠离子电池可以保证电动车的最高速度、续航里程,也可以加强储能电 站对气温干扰的抵抗能力,提高其运行的稳定性。3.2、 钠电池在 A00 级及两轮车领域亦有看点电动两轮车领域性能成本不输铅酸电池。传统电动两轮车市场主流电池为铅蓄 电池,近年来由于锂电池成本的下降,其渗透率正逐年上升。据艾瑞咨询统计, 两轮车用锂电渗透率已连续 5 年每年至少提高 2 个百分点,2021 年渗透率为23.4%。参考 EVTank 相关预测,在锂电渗透率持续增长的情况下,用于电动两 轮车的锂电规模将稳步上升;基于上文相关假设,我们预测 2025 年两轮车用锂 电总需求量将超 27GWh,其市场规模将接近 200 亿元。钠离子电池的出现使得 铅蓄电池的成本和锂离子电池的性能得以兼顾,未来有望成为电动两轮车市场主 流产品,催生百亿规模的钠离子电池市场。A00 级纯电乘用车销量飙升,钠离子电池有望加速渗透这一重性价比领域。2018 年以来,新能源车基本占领了 A00 级乘用车市场,且 A00 级乘用车占新能源车 出货量的比例越来越高。WIND 数据显示,2021 年随着新能源乘用车销量强势 上涨,A00 级纯电乘用车销量也同步上涨,且其占纯电汽车销量的比例由 2019 年的 27%,2020 年的 33%再次上升,达到 36%,充分说明了 A00 级乘用车产 品在新能源汽车市场中的重要地位。由于 A00 级乘用车对动力要求较低,钠离 子电池完全可以满足,未来 A00 级纯电汽车中使用低成本钠离子电池的比例将 不断上升。2021 年 A00 级新能源车市场规模约 300-400 亿元,其中 A00 纯电 市场近 100 亿元,钠离子电池大有可为。(报告来源:未来智库)4、 钠离子电池产业化加速,先行者将受益钠电产业化提速,钠离子电池产品接连发布。目前我们统计到至少 9 家公司已经 研发出可用的钠离子电池产品,其中以中科海钠、宁德时代的技术为最领先。据 超凡网统计,截止 2021 年 11 月已生效的钠离子电池专利中,中科院物理所拥 有 67 个,中科海钠 18 个,宁德时代 32 个。按类型来看,最重要的正极材料部 分专利数量最多为 79 个,其中中科院物理所与中科海钠偏重过渡金属氧化物, 共申请相关专利 25 个;宁德时代目前倾向于普鲁士蓝类似物路线,相关专利共 16 个,另有其他正极相关专利 9 个。依托中科院物理所技术的中科海钠公司于 2017 年推出首款钠离子电池,该电池 以成本优势见长。一方面,通过铜基正极的研发,尽可能避免了过渡元素化合物 的使用,进一步降低了正极成本;另一方面,使用无烟煤裂解生产软碳负极,解 决了钠离子电池负极成本比例偏高的问题;同时,将负极集流体替换为铝箔,减 少了使用铜箔带来的成本。宁德时代于 2021 年 7 月公布的第一代钠离子电池则使用了已知理论能量密度 最高的锰基普鲁士白材料,实现了最高的有效能量密度。宁德时代认为层状氧化 物和普鲁士白两种正极材料最具商业前景,正同步推进两条技术路径。其中以普 鲁士白为正极的第一代钠离子电池除比肩磷酸铁锂电池的质量能量密度外,还包 括以下优势性能。第一,电池具有优秀的低温放电保持率,即在-20℃的低温下 仍可保持 90%以上的放电率;第二,良好的快充性能,常温下 15 分钟可充电 80%;第三,较高的系统集成效率,系统集成率达 80%;第四,与锂电池的兼容 性,其提出的 AB 电池方案可以综合钠锂电池的优势,在低温等场景下提高钠离 子电芯的使用强度,在其余场景下提高锂离子电芯的使用强度,降低电池成本的 同时不影响电池整体性能。上市公司积极布局钠离子电池,覆盖正极负极等多个生产环节。目前已有多家上 市公司存在钠离子电池产业链相关布局,包括电芯电池、正极材料、负极材料、 电解液、隔膜、补钠技术、电池生产设备等各个环节。电芯方面,三峡能源与中 科海钠合作已建成全球首条 1GWh 级规模化生产线;正极材料方面,振华新材 已具备层状氧化物材料千吨级生产能力;容百科技也已具备吨级生产能力,正与 下游客户继续合作开发。负极材料方面,杉杉股份的硬碳石墨复合材料已进入中 试阶段。(本文仅供参考,不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息,请参阅报告原文。)精选报告来源:【未来智库】。(报告制作人/作者:国海证券,李航)

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