儲(chǔ)能降本驅(qū)動(dòng)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化加速
1.1 鋰資源儲(chǔ)量不足牽制我國(guó)電池行業(yè)發(fā)展
我國(guó)鋰資源受海外牽制較大。全球鋰礦高度集中于智利、澳大利亞和阿根廷， 2021 年上述國(guó)家鋰資源儲(chǔ)量占全球 72%。我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量占全球 7%，且由于開(kāi)采 難度大，成本高，下游需求大，鋰資源供應(yīng)進(jìn)口依賴度較高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)于海外 鋰礦投資頻頻受限，且近年全球鋰資源探明量的增速放緩，以鈉離子電池替代鋰電池 在相對(duì)低端場(chǎng)景下的應(yīng)用，具備戰(zhàn)略意義。
中國(guó)電池廠商供給全球市場(chǎng)。2022 年 1-11 月，全球電動(dòng)汽車(chē)電池總裝車(chē)量為 446GWh，同比增長(zhǎng) 74.7%。其中寧德時(shí)代和比亞迪合計(jì)占 50.7%市場(chǎng)份額，中國(guó)廠 商合計(jì)占 60%以上市場(chǎng)份額；據(jù) InfoLink，2022 年全球儲(chǔ)能電池出貨量總計(jì) 142.7GWh，出貨 Top5 中中國(guó)廠商占據(jù) 4 席。中國(guó)鋰電池廠商在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)能、 制造、技術(shù)迭代和創(chuàng)新等方面均具備明顯競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
國(guó)內(nèi)鋰資源儲(chǔ)量無(wú)法匹配鋰電產(chǎn)業(yè)的全球地位。7%的鋰資源儲(chǔ)能份額與 60%以 上的動(dòng)力電池市場(chǎng)份額之間難以匹配，在碳酸鋰價(jià)格高企的背景下，利潤(rùn)更多留在上 游鋰礦端，下游電池廠面臨較大成本壓力。根據(jù)我們的測(cè)算，假設(shè)中國(guó) 150 萬(wàn)噸鋰資源儲(chǔ)量全部用以制造鋰電池，大約可生產(chǎn) 13.6TWh 鋰電池；根據(jù) IEA 對(duì)于未來(lái)全球 電動(dòng)車(chē)和儲(chǔ)能需求的展望，預(yù)計(jì) 2030 年全球電池累計(jì)需求在 22TWh 左右，2050 年 在 126TWh 左右。隨著各國(guó)對(duì)于外國(guó)企業(yè)開(kāi)采本國(guó)鋰礦的限制提升，我們認(rèn)為僅憑 借我國(guó)自身的鋰資源儲(chǔ)量或?qū)㈦y以支撐遠(yuǎn)期的鋰電產(chǎn)業(yè)全球市場(chǎng)地位，對(duì)于替代技術(shù) 的探索對(duì)我國(guó)企業(yè)而言至關(guān)重要。
鈉元素儲(chǔ)量豐富，降本潛力大。鈉元素的地殼儲(chǔ)量為鋰的 1000 倍以上，儲(chǔ)量豐 富，分布廣泛，成本低廉。據(jù)中科海鈉，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化后，憑借更廉價(jià)的正極材 料和集流體，整體材料成本有望較鋰電池降低 30%-40%。
1.2 電池性能提升助推產(chǎn)業(yè)化加速
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理基本相同。鈉離子電池也是“搖椅式電池”的 一種，利用堿金屬離子在正負(fù)極間可逆的定向遷移過(guò)程實(shí)現(xiàn)電池的充放電，充電時(shí)， Na+從正極材料中脫出，經(jīng)電解液的輸運(yùn)穿過(guò)隔膜嵌入負(fù)極材料，放電過(guò)程與之相反。充放電過(guò)程中相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與 Na+一起在正負(fù)極材料間遷移以維持 電荷平衡。以 NaxMO2 為正極材料，硬碳為負(fù)極材料，則電極和電池反應(yīng)式可分別表示為：
NaxMO2 ? Nax-yMO2 +yNa+ + ye- (1 -1)
nC + yNa++ye- ? NayCn (1-2)
NaxMO2 + nC ? Nax-yMO2 + NayCn (1-3)
電池結(jié)構(gòu)相似，產(chǎn)線易于改造。鈉離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液和 集流體構(gòu)成，與鋰離子電池工作原理相似，結(jié)構(gòu)機(jī)理高度重合。鋰電池的隔膜、鋁箔 和其他電池組件可以直接應(yīng)用在鈉電池中；用于鋰電池生產(chǎn)和檢測(cè)的設(shè)備可直接或略 加改造后應(yīng)用在鈉電池產(chǎn)線，改造成本低，能夠相對(duì)快速開(kāi)啟量產(chǎn)，彌補(bǔ)鋰電池供需 緊張、上游原材料處于價(jià)格高位的問(wèn)題。
鈉離子電池能量密度有提升空間。相較于鋰離子電池，鈉離子電池能量密度稍低， 原因有三點(diǎn)：1）鈉離子擁有更大的離子半徑，影響反應(yīng)過(guò)程中相的穩(wěn)定性、離子輸 運(yùn)及擴(kuò)散較慢；2）鈉離子的質(zhì)荷比較大，降低材料的理論質(zhì)量比容量；3）鈉具有較 高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)。
鈉離子電池能量密度高于鉛酸電池，低于鋰離子電池。目前商業(yè)化鈉離子電池的 能量密度在 90~160Wh/kg，遠(yuǎn)高于鉛酸電池的 50~70 Wh/kg，循環(huán)壽命相較于鉛酸 電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且環(huán)保性更佳，未來(lái)可能對(duì)鉛酸電池進(jìn)行全面的替代。與鋰離 子電池相比，鈉電的能量密度已接近于磷酸鐵鋰電池 120~180Wh/kg 的水平，但與 三元電池相比具有較大能量密度差距。從長(zhǎng)期發(fā)展空間來(lái)看，鈉電的能量密度提升及 降本均具有較大挖掘空間，未來(lái)在能量密度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)景具備挑戰(zhàn)磷酸鐵鋰電 池的潛力。
鈉離子電池耐候性具有明顯優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池的工作溫度范圍在-40℃~80℃，目 前商業(yè)化產(chǎn)品可以做到-20℃容量保持率 88%的水平，相較于鉛酸電池和磷酸鐵鋰電 池 60%~70%的容量保持率具有明顯優(yōu)勢(shì)，在氣候寒冷地區(qū)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用場(chǎng)景。倍率性能好。鈉離子的溶劑化能顯著低于鋰離子，從而在電解液中具有更快的動(dòng) 力學(xué)，離子界面擴(kuò)散能力更強(qiáng)；同時(shí)鈉離子的斯托克斯半徑更小，相同濃度的電解液 中離子電導(dǎo)率更高；高電導(dǎo)率及優(yōu)秀的離子界面擴(kuò)散能力賦予鈉離子電池出色的倍率 性能，具備較好的快充潛力，在儲(chǔ)能調(diào)頻等高功率場(chǎng)景具有較大應(yīng)用潛力。
電芯安全性能優(yōu)異。鈉電池?zé)崾Э販囟雀哂阡囯x子電池，電芯層面的安全性有所 提升，其原因在于鈉離子電池內(nèi)阻稍高于鋰離子電池，在安全性實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的瞬發(fā)熱 量少、電芯溫升有限且目前商業(yè)化應(yīng)用的鈉電正極材料的熱穩(wěn)定性高于三元鋰材料， 在過(guò)充、過(guò)放、短路、針刺等電芯安全測(cè)試中均未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象。實(shí)際運(yùn)行安全 性有待觀察，對(duì)于普魯士藍(lán)正極材料在熱失控情況下釋放氫氰酸、氰氣等有毒氣體的 問(wèn)題尚需技術(shù)攻關(guān)。
正極材料體系是鈉離子電池研究和產(chǎn)業(yè)化的焦點(diǎn)。鈉離子電池正極材料主要包 括氧化物類(lèi)、聚陰離子類(lèi)、普魯士藍(lán)類(lèi)、有機(jī)物類(lèi)。其中層狀氧化物結(jié)構(gòu)類(lèi)似鋰電三 元材料，比容量相對(duì)較高、綜合性能好，在動(dòng)力、儲(chǔ)能領(lǐng)域擁有較好的應(yīng)用場(chǎng)景；聚 陰離子類(lèi)正極材料晶體結(jié)構(gòu)與磷酸鐵鋰相似，穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)使其具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽 命，適合應(yīng)用于儲(chǔ)能場(chǎng)景；普魯士藍(lán)類(lèi)正極材料，低成本化潛力最大，合成溫度低， 但對(duì)于結(jié)晶水的控制較難，影響其電化學(xué)性能，材料熱失控情況下會(huì)釋放氫氰酸、氰 氣等有毒氣體；有機(jī)類(lèi)正極材料一般具有多電子反應(yīng)的特點(diǎn)，從而具有較高的比容量， 目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未商業(yè)化應(yīng)用。
層狀過(guò)渡金屬氧化物是當(dāng)前最接近規(guī)?；慨a(chǎn)的正極體系。當(dāng)氧化物中鈉含量 較高時(shí)( x≥0.5)一般以層狀結(jié)構(gòu)為主，當(dāng)鈉含量較低時(shí)( x＜0.5)主要以隧道結(jié)構(gòu)的氧 化物為主。其中層狀結(jié)構(gòu)氧化物是研究最早的一類(lèi)嵌入型化合物，具有較高的能量密 度以及易制備的特點(diǎn)，現(xiàn)階段可逆比容量高達(dá) 100-145mAh/g，是當(dāng)前最接近規(guī)?；?量產(chǎn)鈉電體系。隧道型氧化物是將不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu)和獨(dú)特“S”形通道連接形成的，晶體結(jié) 構(gòu)較為穩(wěn)定，循環(huán)壽命及倍率性能優(yōu)異，對(duì)水氧穩(wěn)定，但是其初始鈉含量過(guò)低限制了 其在實(shí)際中的應(yīng)用。
層狀過(guò)渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)通式為 NaxMO2（M=Co, Mn, Fe, Cr, Ni 等）。晶體結(jié)構(gòu) 中過(guò)渡金屬元素 M 與周?chē)鶄€(gè)氧形成的 MO6 八面體，鈉離子位于過(guò)渡金屬層之間， 形成 MO6 八面體層與 NaO6 堿金屬層交替排布的層狀結(jié)構(gòu)。按照鈉離子配位構(gòu)型不 同分為 O3、O2、P3 和 P2 等不同結(jié)構(gòu)，最常見(jiàn)的是 O3 和 P2 兩種結(jié)構(gòu)，在特定合 成條件下也可以得到 P3 結(jié)構(gòu)。
鈉離子電池對(duì)于過(guò)渡金屬元素的選擇更加廣泛：在鎳、鈷、錳以外，鈦、釩、鉻、 鐵和銅等元素均可以與鈉離子形成層狀結(jié)構(gòu)并具有電化學(xué)活性，通過(guò)多元陽(yáng)離子取代 可以減少脫嵌過(guò)程中的相變問(wèn)題，進(jìn)而提升材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)循環(huán)壽 命，由此，層狀氧化物正極材料又分為一元材料和多元材料。
鈉離子電池層狀氧化物正極材料合成工藝與鋰電三元材料類(lèi)似。層狀氧化物最 常用的合成方法是固相反應(yīng)法，該方法操作簡(jiǎn)單、易于控制、具有較短的工藝流程短， 更易于工業(yè)化生產(chǎn)，主要步驟包括前驅(qū)體混合、燒結(jié)、摻雜，對(duì)于制備環(huán)境無(wú)特殊要 求，可兼容鋰電三元材料生產(chǎn)線。中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、孚能科技、蔚藍(lán)鋰芯、傳 藝科技、湖南立方、Faradion(英國(guó))等公司選擇層狀金屬氧化物路線，其中銅系和鎳 系相對(duì)主流，電芯能量密度可達(dá) 140Wh/kg 以上。
聚陰離子化合物正極能量密度低，循環(huán)壽命優(yōu)異。鈉基聚陰離子化合物正極具有 穩(wěn)定材料的晶體結(jié)構(gòu)，因此化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性較高，在倍率性能 和循環(huán)壽命上具有突出優(yōu)勢(shì)，但導(dǎo)電率需提升，能量密度存在短板。與磷酸鐵鋰相似， 由聚陰離子多面體和過(guò)渡金屬離子多面體形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的化合物，化學(xué)式為 NaxMy(XaOb)zZw，M 為過(guò)渡金屬或堿金屬等陽(yáng)離子以 Fe、Co、Ni 等為代表，X 為較 高電負(fù)性元素如磷或硫，Z 為氟或氫氧根等陰離子，常見(jiàn)的聚陰離子類(lèi)正極材料主要 包括磷酸鹽、焦磷酸鹽、硫酸鹽等。?
磷酸鹽體系中具有代表性的兩種材料為橄欖石結(jié)構(gòu)的 NaFePO4和 NASICON 型 結(jié)構(gòu) Na3V2(PO4)3。對(duì)于 NaFePO4 而言，橄欖石相只能在 480℃以下穩(wěn)定存在，高 于此溫度后其晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為不具備電化學(xué)活性的磷鐵鈉礦相。目前橄欖石型 NaFePO4 的制備主要通過(guò)離子交換法，由橄欖石型 LiFePO4脫鋰后經(jīng)電化學(xué)鈉化合 成。Na3V2(PO4)3 是具有 NASICON 型結(jié)構(gòu)鈉電正極材料，因其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在倍 率性能及循環(huán)壽命方面表現(xiàn)優(yōu)異，但比容量低于橄欖石結(jié)構(gòu)材料。此外，釩元素價(jià)格 較貴且存在毒性，降釩或無(wú)釩材料的開(kāi)發(fā)是此類(lèi)材料的發(fā)展方向。
焦磷酸鹽：焦磷酸鹽熱穩(wěn)定性較高，化學(xué)式為 Na2MP2O7（M=Fe, Co, Mn, Cu)， 其結(jié)晶體結(jié)構(gòu)包括三斜晶型、四方晶型、正交晶型和單斜晶型幾種，多樣性的晶體結(jié) 構(gòu)似的該材料吸引了廣泛的關(guān)注，但是該系列材料在比容量及動(dòng)力學(xué)性能上普遍存在 短板，尚未得到商業(yè)化應(yīng)用。硫酸鹽：硫酸鹽類(lèi)材料大部分來(lái)源于礦物，其通式可以寫(xiě)成 Na2M(SO4)2·2H2O。該材料電壓較高，但 SO4 2-基團(tuán)熱力學(xué)穩(wěn)定性非較差，在 400℃下分解產(chǎn)生 SO2，此 外，該材料易受環(huán)境中水分影響其循環(huán)壽命，理論容量也相對(duì)較低。
目前聚焦于聚陰離子類(lèi)正極材料路線的企業(yè)相對(duì)有限。鵬輝能源采用磷酸釩鈉 類(lèi)正極材料，鈉創(chuàng)新能源布局磷酸釩鈉及磷酸錳釩鈉體系，眾鈉能源則選擇硫酸鐵鈉 方案，此外，法國(guó) Naiades 采用氟磷酸釩鈉作為正極材料。
普魯士類(lèi)正極材料降本潛力大。普魯士類(lèi)正極材料的化學(xué)式可表示為 NaxM1[M2(CN)6]（0＜X＜2），M1 為 Fe、Mn 或 Ni 等元素，M2 為 Fe 或 Mn，根據(jù) Na+含量不同，x＜1 稱為普魯士藍(lán)，x≥1 稱為普魯士白。該材料有較高的工作電勢(shì) （2.7~3.8 V vs. Na+ /Na)；利用 Mn 3+ / Mn 2+和 Fe3+/Fe2+氧化還原電對(duì)，最多可以實(shí) 現(xiàn)兩個(gè) Na+的可逆脫出/嵌入，對(duì)應(yīng)理論容量可達(dá) 170mAh/g；具有穩(wěn)定的三維框架結(jié) 構(gòu)及三維離子通道有利于 Na+的快速脫出/嵌入；合成工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。?
結(jié)晶水影響其電化學(xué)性能。普魯士藍(lán)類(lèi)正極材料采用共沉淀法制備，制備過(guò)程中 晶體結(jié)構(gòu)存在結(jié)晶水，結(jié)晶水的存在容易占據(jù)原本用于儲(chǔ)鈉的活性點(diǎn)位，并且可能堵 塞鈉離子疏運(yùn)通道，結(jié)晶水進(jìn)入電解液后可能造成電池短路。在其影響下材料存在容 量利用率低、效率低、倍率差和循環(huán)不穩(wěn)定等問(wèn)題，并且在熱失控情況下會(huì)釋放氫氰 酸、氰氣等有毒氣體。
產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度方面，寧德時(shí)代 2021 年發(fā)布第一代鈉離子電池產(chǎn)品，在普魯士藍(lán)/硬 碳體系下實(shí)現(xiàn)能量密度 160Wh/kg，其規(guī)劃第二代鈉離子電池電芯單體能量密度將突 破 200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度將達(dá)到 160Wh/kg；國(guó)內(nèi)多家企業(yè)對(duì)于此路線均在攻關(guān) 結(jié)晶水問(wèn)題；美國(guó)公司 Natron Energy 使用普魯士藍(lán)體系實(shí)現(xiàn)鈉離子電池能量密度 140Wh/kg。
理想的鈉離子電池負(fù)極材料應(yīng)具有較低的氧化還原電勢(shì)（需高于鈉的沉積電勢(shì)以 避免析鈉）、平穩(wěn)的電壓輸出平臺(tái)、較高的首周庫(kù)侖效率、豐富的儲(chǔ)納位點(diǎn)以保證高 比容量、在鈉離子嵌/脫過(guò)程中能維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)以確保良好的循環(huán)性能、較高的電 子和離子電導(dǎo)率以滿足快充的需求。主要包括碳基負(fù)極材料、鈦基負(fù)極材料、合金負(fù) 極材料、有機(jī)類(lèi)負(fù)極材料、其他負(fù)極材料。其中碳基負(fù)極材料的無(wú)定形碳路線技術(shù)成 熟度較高，展現(xiàn)出了優(yōu)秀的電化學(xué)性能，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程最快。
目前布局鈉電負(fù)極材料的企業(yè)主要有傳統(tǒng)鋰電公司及新進(jìn)入者，主要聚焦于硬碳 負(fù)極材料路線，目前大都處于中小試階段。在碳源方面多為生物質(zhì)、樹(shù)脂類(lèi)路線，材 料來(lái)源較為廣泛，木質(zhì)素、木屑、竹屑、椰子殼或堅(jiān)果殼等均可作為前驅(qū)體來(lái)源。
無(wú)定形碳是目前最具商業(yè)化應(yīng)用潛力的鈉電負(fù)極材料。碳基負(fù)極材料可以分為石墨類(lèi)材料、納米碳材料以及無(wú)定型碳材料。石墨材料是目前主流的鋰離子電池負(fù)極 材料，但是由于鈉離子與石墨層之間的相互作用較弱于鋰離子，難以形成穩(wěn)定的插層 化合物，因此不適合作為鈉離子電池的負(fù)極材料。納米碳材料以石墨烯及碳納米管為 代表，以表面吸附原理儲(chǔ)鈉，電化學(xué)性質(zhì)欠佳，目前不適合商業(yè)化應(yīng)用。無(wú)定形碳在 鈉離子電池中展現(xiàn)了較高的理論容量、循環(huán)壽命及較低儲(chǔ)鈉電位，商業(yè)化潛力較大。
無(wú)定形碳由彎曲的石墨層狀結(jié)構(gòu)隨機(jī)平移、旋轉(zhuǎn)、堆垛而成，在微觀結(jié)構(gòu)上具有 較高的混亂度。在 2800℃以上可以石墨化消除無(wú)序結(jié)構(gòu)的稱為軟碳，軟碳晶體結(jié)構(gòu) 類(lèi)似于石墨，但有序程度較低，晶體結(jié)構(gòu)中存在短程有序的石墨微晶，可以插層的方 式儲(chǔ)鈉，在 2800℃以上難以完全石墨化的稱為硬碳，硬碳的微觀結(jié)構(gòu)高度無(wú)序，在 鈉離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)出較為優(yōu)秀的電化學(xué)性能，預(yù)計(jì)會(huì)成為主流路線。
硬碳材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使得其具有較高的儲(chǔ)鈉位點(diǎn)，具有較高的可逆比容量及較 低電位。在硬碳的微觀結(jié)構(gòu)中，石墨片層的層間距大且存在較多空洞及缺陷位點(diǎn)，鈉 離子可以通過(guò)石墨片層插層、填孔、在與電解液基礎(chǔ)的表面形成電容型吸附、在內(nèi)部 的缺陷位點(diǎn)形成贗電容型吸附等多種方式嵌入，因此具有較高的可逆比容量。
軟碳因具有缺陷少、結(jié)晶度高、電導(dǎo)率高的特點(diǎn)。軟碳又稱易石墨化碳，微觀結(jié) 構(gòu)與石墨類(lèi)似，存在短程有序的石墨化微晶結(jié)構(gòu)，相較于硬碳具有更加規(guī)整的碳層排 布，因?yàn)槠潆妼?dǎo)率較高故擁有較好的倍率性能，但是儲(chǔ)鈉量低于硬碳。硬碳前驅(qū)體的來(lái)源較為廣泛，主要包括生物質(zhì)類(lèi)、樹(shù)脂類(lèi)、化工原料類(lèi)等，生物 質(zhì)前驅(qū)體具有廣泛的來(lái)源和較高的性價(jià)比，在鈉離子電池領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用場(chǎng)景。軟碳前驅(qū)體主要來(lái)源于石油化工原料，如無(wú)煙煤、瀝青、石油焦等。
鈦基材料具有穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，是一種典型的嵌入型負(fù)極材料。四價(jià)鈦元素在空氣 中可以穩(wěn)定存在，在不同晶體結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出不同的儲(chǔ)鈉電位。然而這種材料普遍存在 電子電導(dǎo)率差，需大劑量的導(dǎo)電劑配合，過(guò)多的導(dǎo)電劑降低了電池的首周庫(kù)倫效率及 循環(huán)穩(wěn)定，降低了電池的能量密度及循環(huán)穩(wěn)定性。
與鋰電池中的硅負(fù)極材料相似，鈉也可以與多種金屬如錫、銻、銦(Sn、Sb、In） 形成合金，合金類(lèi)材料以具有較高的儲(chǔ)鈉比容量及相對(duì)較低的反應(yīng)電勢(shì)，但是也存在 著硅基材料在鋰電池中應(yīng)用的困境，即反應(yīng)動(dòng)力學(xué)較差及脫嵌鈉前后巨大的體積變化， 循環(huán)過(guò)程中材料粉化嚴(yán)重，循環(huán)壽命較差，實(shí)際應(yīng)用較為困難。
有機(jī)類(lèi)負(fù)極材料在自然界中含量豐富，具有較低的制備成本，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為靈活， 可實(shí)現(xiàn)多電子反應(yīng)，但大部分有機(jī)負(fù)極材料的本征電子電導(dǎo)率低，對(duì)于導(dǎo)電劑添加量 有較高需求，影響電池的首次庫(kù)倫效率及循環(huán)穩(wěn)定性，因此目前暫未有商業(yè)化應(yīng)用，處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段。
2.3 其他材料：基本可復(fù)用鋰電池技術(shù)
電解液：電解液是連接正負(fù)極離子傳導(dǎo)的媒介，起到在正負(fù)極間傳輸離子的作用， 是電池的重要組成部分，電解液影響電池的倍率、循環(huán)壽命、安全性和自放電。電解 液主要由溶劑、電解質(zhì)（溶質(zhì)）和添加劑構(gòu)成，三者共同決定了電解液的性質(zhì)。目前 滿足需求的鈉離子電池電解質(zhì)主要是六氟磷酸鈉 (NaPF6)，但是存在化學(xué)穩(wěn)定性較 差、易水解、遇痕量水生成 HF 會(huì)導(dǎo)致正極材料金屬溶出從而導(dǎo)致正極材料性能衰減 的問(wèn)題。
溶劑與鋰電池類(lèi)似，多采用酯類(lèi)有機(jī)溶劑。隔膜：鈉離子電池中應(yīng)用的隔膜與鋰離子電池隔膜體系相似，廣泛應(yīng)用于鋰離子 電池領(lǐng)域的 PE/PP 隔膜基本都可以移植在鈉離子電池中使用。集流體：在鋰離子電池中正極集流體通常選用鋁箔，負(fù)極側(cè)通常選用銅箔，因?yàn)?在低電勢(shì)下鋰會(huì)和鋁發(fā)生合金化反應(yīng)，腐蝕集流體。
但是在低電勢(shì)下鈉與鋁不發(fā)生合 金化反應(yīng)，所以在鈉離子電池中其正負(fù)極兩側(cè)都可以選用成本鋁箔作為集流體，使得 鈉離子電池在成本方面更具優(yōu)勢(shì)。導(dǎo)電劑：目前鈉離子電池中常用的導(dǎo)電劑材料主要是碳素材料，與鋰離子電池 類(lèi)似。主要包括乙炔黑、Super P、導(dǎo)電石墨、科琴黑、碳納米管 (CNT)、碳纖維 和石墨烯等。
量產(chǎn)后鈉電池性價(jià)比有望大幅提升
核心原材料尚未大規(guī)模量產(chǎn)，電池物料成本偏高。當(dāng)前，鈉離子電池所需的正極、 負(fù)極和電解液均未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，成本較高且產(chǎn)品性能、價(jià)格差異較大。我們通過(guò) 參考百川盈孚數(shù)據(jù)、各公司公告、以及《鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)》中對(duì)于各類(lèi)材料理 論用量的指引搭建了鈉離子電池成本模型，按照層狀氧化物正極 8 萬(wàn)元/噸，硬碳負(fù) 極 8.5 萬(wàn)元/噸，電解液 15 萬(wàn)元/噸的價(jià)格估算，當(dāng)前鈉離子電池 BOM 成本約為 0.67 元/Wh，并不較磷酸鐵鋰電池具備優(yōu)勢(shì)。
預(yù)計(jì)當(dāng)前生產(chǎn)成本顯著高于鋰電。參考《鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)》中對(duì)于鈉離子電池生產(chǎn)初期的人工、設(shè)備折舊、能源消耗等成本的指引，我們假設(shè)當(dāng)前良品率為 90%，測(cè)算得鈉離子電池成本合計(jì) 0.93 元/Wh，其中原材料以外成本大約較鋰電池 高 0.11 元/Wh；上述成本在 15%/20/%25%的毛利率下分別對(duì)應(yīng)售價(jià)為 1.09/1.16 /1.23 元/Wh，與當(dāng)前磷酸鐵鋰電池價(jià)格基本持平。
材料體系的不確定構(gòu)成了此前量產(chǎn)的瓶頸。鈉電正極材料體系眾多，互有優(yōu)劣， 即使在層狀氧化物路線內(nèi)部又可進(jìn)一步劃分為銅鐵錳、鎳鐵錳、鎳錳鈦等多種體系；負(fù)極材料同樣存在碳基、鈦基、合金材料等多種路線選擇，碳基負(fù)極體系內(nèi)部又可細(xì) 分為生物質(zhì)、無(wú)煙煤、瀝青、石墨等多種路線。材料體系的不確定，產(chǎn)品性能無(wú)法定 型，構(gòu)成了此前量產(chǎn)的瓶頸。
傳統(tǒng)正極材料廠商鈉電布局提速。目前行業(yè)內(nèi)基本確定了正極材料產(chǎn)業(yè)化初期的 銅系和鎳系層狀金屬氧化物的路線，電芯能量密度可達(dá) 140Wh/kg 以上，同時(shí)層狀氧 化物正極材料的生產(chǎn)與鋰電三元正極材料的生產(chǎn)相似，調(diào)整后的產(chǎn)線可兼容兩種材料 的生產(chǎn)。當(dāng)前以容百科技、振華新材為代表的傳統(tǒng)正極材料廠商的鈉電正極進(jìn)展較快， 隨著 23-24 年的初期產(chǎn)能建成，有望通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)以及傳統(tǒng)廠商對(duì)于良品率更強(qiáng) 的控制能力，顯著降低當(dāng)前鈉電正極材料的價(jià)格。
負(fù)極材料制約因素有望逐漸打破。此前負(fù)極材料對(duì)于鈉電產(chǎn)業(yè)化也形成了制約， 主要原因在于生產(chǎn)工藝適配性差、原材料批次一致性差、依賴日本進(jìn)口成本高企等。工藝適配性差的原因主要是此前原材料體系尚未確定，而目前各廠商初步確定了以生 物質(zhì)類(lèi)硬碳為主流的初期量產(chǎn)路線，生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)化程度有望提高。
不過(guò)生物質(zhì)材料 的一致性較差，不同年份、產(chǎn)地、部位均會(huì)影響硬碳質(zhì)量；目前以樹(shù)脂和無(wú)煙煤混合 硬碳為代表的產(chǎn)品加速研發(fā)，有望在產(chǎn)品性能、一致性、性價(jià)比和供應(yīng)穩(wěn)定等多方面 獲得提升。另外隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)推進(jìn)，同時(shí)國(guó)內(nèi)企業(yè)更加貼近終端客戶需求，國(guó)產(chǎn) 硬碳性能與進(jìn)口產(chǎn)品的差距逐漸縮小，而成本優(yōu)勢(shì)較進(jìn)口產(chǎn)品十分明顯。多因素共振 有望逐漸打破負(fù)極材料對(duì)鈉離子電池量產(chǎn)的制約。
鈉電電解液產(chǎn)能規(guī)劃規(guī)模較大，價(jià)格有望快速下降。當(dāng)前鋰電電解液產(chǎn)能相對(duì)過(guò) 剩，產(chǎn)品價(jià)格跌幅明顯，各大廠商對(duì)于鈉電電解液的布局比較積極。目前鈉電電解液 缺少大規(guī)模產(chǎn)能，而根據(jù)我們不完全統(tǒng)計(jì)，若各廠商規(guī)劃產(chǎn)能全部建成，2023 年底 有望形成 3.5 萬(wàn)噸鈉離子電池電解液和 1.6 萬(wàn)噸六氟磷酸鈉產(chǎn)能，可供約 20GWh 鈉 離子電池生產(chǎn)；并且考慮到鈉離子電池電解液的理論原料成本應(yīng)低于鋰電，我們預(yù)計(jì) 鈉電電解液價(jià)格至 2025 年會(huì)出現(xiàn)快速下降的趨勢(shì)。
預(yù)計(jì) 23 年和 25 年鈉離子電池成本有望分別降至 0.85/0.62 元/Wh。我們預(yù)計(jì)隨 著正極、負(fù)極和電解液的規(guī)?；a(chǎn)，成本有望明顯下降；而大量廠商的涌入預(yù)計(jì)也 將顯著提升供給，材料價(jià)格較當(dāng)前市場(chǎng)不成熟的階段有較大的下行空間。并且隨著生 產(chǎn)良品率的提升，人工、折舊等原料以外成本向鋰電生產(chǎn)靠近，我們預(yù)計(jì) 2023 年鈉 離子電池成本有望降至 0.73 元/Wh，在 15%的毛利率下對(duì)應(yīng)售價(jià)為 0.85 元/Wh；預(yù) 計(jì) 2025 年鈉離子電池成本有望降至 0.53 元/Wh，在 15%的毛利率下對(duì)應(yīng)售價(jià)為 0.62 元/Wh。
3.3 高價(jià)碳酸鋰顯著提高鈉電價(jià)格空間
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碳酸鋰價(jià)格高位震蕩。2022 年 3 月電池級(jí)碳酸鋰價(jià)格突破 50 萬(wàn)元/噸以來(lái)，至 今維持高位，帶動(dòng)鋰電池價(jià)格持續(xù)攀升；目前電池級(jí)碳酸鋰報(bào)價(jià) 50-55 萬(wàn)元/噸左右， 磷酸鐵鋰電芯價(jià)格約 0.96 元/Wh，磷酸鐵鋰 PACK 價(jià)格約 1.15 元/Wh。
即使鋰價(jià)下行，鈉離子電池仍具備較大的價(jià)格空間。根據(jù)我們的測(cè)算，假設(shè)每 GWh 磷酸鐵鋰電池的生產(chǎn)需要 650 噸碳酸鋰，且其他成本維持穩(wěn)定，預(yù)計(jì)碳酸鋰價(jià) 格分別降至 40/30/20/10 萬(wàn)元/噸時(shí)，對(duì)應(yīng)的磷酸鐵鋰電池 Pack 價(jià)格分別為 1.1/0.91/0.81/0.72 元/Wh。假設(shè)將鈉離子電池價(jià)格較磷酸鐵鋰電池低 20%視為具備 價(jià)格優(yōu)勢(shì)，則結(jié)合我們此前的測(cè)算，若 2023 年碳酸鋰價(jià)格維持 45 萬(wàn)元/噸以上，則 年底首批量產(chǎn)的鈉離子電池可較鋰電池具備明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)；即使碳酸鋰價(jià)格低至 25 萬(wàn)元/噸，鈉電價(jià)格仍有望低于鋰電。而 2025 年碳酸鋰價(jià)格在 15 萬(wàn)元/噸以上，鈉電 價(jià)格即有望具備明顯優(yōu)勢(shì)。
三大應(yīng)用場(chǎng)景有望快速擴(kuò)大市場(chǎng)空間
兩輪電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能、A 級(jí)以下乘用車(chē)為鈉離子電池主要潛在市場(chǎng)。兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng) 域?qū)τ谳p量化、長(zhǎng)續(xù)航的需求催生了近年來(lái)鋰電池對(duì)鉛酸電池的替代，不過(guò)隨著鋰價(jià) 的大幅上漲，需要通過(guò)換裝鈉離子電池實(shí)現(xiàn)降本并加速對(duì)鉛酸電池的替代。鈉離子電 池的廉價(jià)、耐低溫、安全等特點(diǎn)帶來(lái)儲(chǔ)能領(lǐng)域的較大空間；同時(shí)由于儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)τ谀?量密度的要求相對(duì)較低，而對(duì)循環(huán)壽命的要求較高，與聚陰離子型鈉電池的特性比較 契合。A 級(jí)以下乘用車(chē)由于對(duì)于續(xù)航里程的需求較低，而對(duì)成本的敏感性較強(qiáng)，同樣 適合應(yīng)用鈉離子電池；而鈉電和鋰電的混用技術(shù)有望進(jìn)一步覆蓋續(xù)航 500 公里以下 的車(chē)型需求。
4.1 兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域有望率先放量
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兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域有望成為鈉離子電池最先落地的應(yīng)用場(chǎng)景。小牛電動(dòng)此前宣布 計(jì)劃于 2023 年推出首款鈉離子電池產(chǎn)品；星恒電源發(fā)布了用于兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的鈉 離子電池，計(jì)劃產(chǎn)品于 23 年 3 月上市；傳藝科技公告顯示，23 年以來(lái)陸續(xù)給兩輪車(chē) 和儲(chǔ)能領(lǐng)域的客戶送樣鈉離子電池。
新國(guó)標(biāo)頒布以來(lái)鋰電滲透率快速提升。2021 年我國(guó)兩輪電動(dòng)車(chē)中鋰電產(chǎn)品銷(xiāo)量 占比 23.4%，鉛酸電池產(chǎn)品占比 76.6%。2019 年電動(dòng)自行車(chē)新國(guó)標(biāo)以來(lái)，由于要求整 車(chē)質(zhì)量小于 55kg，而傳統(tǒng)鉛酸電池組相對(duì)笨重，可占整車(chē)限重的 60%以上，因此能量 密度更高的鋰電池滲透率快速提升。不過(guò)當(dāng)前鋰價(jià)的高企抑制了兩輪電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域的鋰 電化進(jìn)展。
鈉離子電池在兩輪車(chē)領(lǐng)域有望對(duì)鉛酸電池和鋰電池快速替代。鈉離子電池在循 環(huán)壽命和能量密度等方面的性能顯著優(yōu)于鉛酸電池，當(dāng)前各廠商產(chǎn)品的性能參數(shù)已足 以應(yīng)對(duì)電動(dòng)兩輪車(chē)領(lǐng)域的需求，并且我們預(yù)計(jì) 23-24 年量產(chǎn)產(chǎn)品的價(jià)格有望明顯低 于鋰電池，因此對(duì)于鉛酸電池和鋰電池均有較大的替代空間。
4.2 大型儲(chǔ)能的應(yīng)用需待循環(huán)壽命提升
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鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域開(kāi)始示范性應(yīng)用。22 年 10 月，中國(guó)能建中標(biāo)三峽能源安 徽阜陽(yáng)市 300MW/600MWh 儲(chǔ)能項(xiàng)目，其中包括 30MW/60MWh 鈉離子電池儲(chǔ)能單元，是當(dāng) 前國(guó)內(nèi)最大規(guī)模的鈉離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目，相較此前投運(yùn)的中科海鈉 1MWh 鈉離子電池 儲(chǔ)能示范項(xiàng)目而言規(guī)模大幅提升。廣西、深圳、山西、河南等地的能源領(lǐng)域規(guī)劃性文 件中提及開(kāi)展鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用示范。
低能量密度可能導(dǎo)致早期鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的初始投資高于鋰電。我們通過(guò) 建立儲(chǔ)能電站的盈利模型分析鈉離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)性。假設(shè)鈉離子電池和磷 酸鐵鋰電池的成本分別為 0.85 元/Wh 和 0.95 元/Wh；由于能量密度的劣勢(shì)，同等規(guī) 模的鈉電系統(tǒng)需要更多預(yù)制艙，預(yù)計(jì)電池以外的設(shè)備成本會(huì)高于鋰電；假設(shè)鈉電和鋰 電的循環(huán)壽命分別為 3500 次和 5000 次，而鈉電在放電深度上可具備優(yōu)勢(shì)；假設(shè)儲(chǔ) 能電站每年運(yùn)行 350 天，每天一充一放，主要通過(guò)現(xiàn)貨市場(chǎng)套利、容量補(bǔ)償和共享儲(chǔ)能租金獲得收入。
5000 次以上的循環(huán)壽命和較鋰電低 15%的價(jià)格，是鈉離子電池儲(chǔ)能項(xiàng)目具備經(jīng) 濟(jì)性的關(guān)鍵。鈉離子電池在大型儲(chǔ)能項(xiàng)目，在上述假設(shè)條件下，我們測(cè)算得鈉離子電 池儲(chǔ)能系統(tǒng)的 IRR 為 3.63%，而鋰電池儲(chǔ)能 IRR 為 7.15%。我們對(duì)鈉離子電池價(jià)格、 循環(huán)壽命和能量密度進(jìn)行了敏感性分析，認(rèn)為影響儲(chǔ)能項(xiàng)目收益率的最主要因素在于 循環(huán)壽命；當(dāng)循環(huán)壽命為 4000 次，能量密度為 130Wh/kg 時(shí)，預(yù)計(jì)鈉離子電池價(jià)格 降至 0.55 元/Wh 可獲得高于鋰電的儲(chǔ)能項(xiàng)目收益率；當(dāng)循環(huán)壽命提升至 5000 次， 能量密度保持不變，0.8 元/Wh 的電池價(jià)格即有望獲得優(yōu)于鋰電的收益率。
鈉電在用戶側(cè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心和基站儲(chǔ)能等中小型儲(chǔ)能領(lǐng)域有望率先滲透。大型電 力儲(chǔ)能項(xiàng)目對(duì)于項(xiàng)目收益率的要求較高，且隨著電網(wǎng)波動(dòng)性較大、調(diào)頻需求的提升，對(duì)于 電池循環(huán)壽命的要求預(yù)計(jì)會(huì)提升。不過(guò)在戶用儲(chǔ)能、工商業(yè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心和通信儲(chǔ)能等 調(diào)用次數(shù)較低、項(xiàng)目規(guī)模較小的領(lǐng)域，鈉離子電池循環(huán)壽命和能量密度低的缺點(diǎn)或被縮 小，而更高的安全性、耐低溫等優(yōu)勢(shì)或被放大，率先得到應(yīng)用。
4.3 鈉鋰混搭打開(kāi)乘用車(chē)應(yīng)用空間
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鈉離子電池有望滲透 A 級(jí)以下電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)。A0 和 A00 級(jí)電動(dòng)車(chē)對(duì)于續(xù)航里程 要求較低，對(duì)于電池能量密度的要求可放低，且對(duì)電池價(jià)格的敏感性更高，提供了鈉 離子電池的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。2022 年 1-10月，A 級(jí)以下電動(dòng)車(chē)占據(jù)了我國(guó)電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量40.6% 的市場(chǎng)份額，市場(chǎng)空間較大。
寧德時(shí)代提出 AB 電池解決方案，可以實(shí)現(xiàn)鈉離子電池與鋰離子電池的集成混 合共用。將兩種電池集成到同一個(gè)電池包中，按照特定的比例和排列進(jìn)行混搭，串聯(lián)、 并聯(lián)、集成，通過(guò) BMS 的精準(zhǔn)算法，進(jìn)行不同電池的均衡控制，實(shí)現(xiàn)二者電池性能 的取長(zhǎng)補(bǔ)短。既彌補(bǔ)了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，也發(fā)揮了它高功率、低 溫性能的優(yōu)勢(shì)。這樣的鈉鋰電池系統(tǒng)，就能夠應(yīng)用于更多復(fù)雜場(chǎng)景。
鈉鋰混搭有望滿足續(xù)航 500 公里的車(chē)型需求，覆蓋 65%的純電乘用車(chē)市場(chǎng)。2022 年 11 月，寧德時(shí)代研究院副院長(zhǎng)黃起森在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展論壇上表示， 此前市場(chǎng)觀點(diǎn)認(rèn)為鈉離子電池普遍只能滿足續(xù)航 400 公里以下的車(chē)型需求；不過(guò)通 過(guò)鈉鋰混搭的 AB 電池結(jié)構(gòu)，鈉離子電池可以滿足續(xù)航 500 公里的車(chē)型需求，有望覆 蓋純電動(dòng)乘用車(chē) 65%左右的市場(chǎng)。
預(yù)計(jì)鈉離子電池在兩輪車(chē)、儲(chǔ)能和 A 級(jí)以下乘用車(chē)領(lǐng)域率先放量。我們認(rèn)為國(guó) 內(nèi)廠商對(duì)于尋求鋰電替代品的需求迫切性高于海外，故在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化初期的 2023-2027 年 5 年時(shí)間內(nèi)，主要市場(chǎng)或?qū)⒓性趪?guó)內(nèi)。我們假設(shè)鈉電在電動(dòng)兩輪車(chē)領(lǐng) 域的滲透率在 2025 年快速提升至與當(dāng)前鋰電滲透率相當(dāng)?shù)?25%左右；假設(shè)在戶用及 工商業(yè)儲(chǔ)能、5G 基站、數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域 2025 年滲透率達(dá)到 15%；大型儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用從 2025 年開(kāi)始放量；假設(shè) A00 級(jí)電動(dòng)車(chē) 2025 年滲透率達(dá)到 10%，A0 級(jí)電動(dòng)車(chē) 通過(guò)鋰鈉各占 50%混搭的形式應(yīng)用，假設(shè) 2025 年滲透率為 10%。
預(yù)計(jì) 25 年市場(chǎng)空間有望達(dá)到 200 億元，27 年有望超過(guò) 800 億元。根據(jù)上述假 設(shè)條件，我們測(cè)算得 2025 年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)鈉離子電池需求量有望達(dá)到 32.9GWh，對(duì)應(yīng) 市場(chǎng)空間約 203.7 億元；預(yù)計(jì) 2027 年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)鈉離子電池需求量有望達(dá)到 137.3GWh，對(duì)應(yīng)市場(chǎng)空間約 824 億元；市場(chǎng)空間有望快速擴(kuò)大。
來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)官網(wǎng)
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（鋰電產(chǎn)業(yè)通）：鈉離子電池研究報(bào)告：引領(lǐng)電池體系新革命
