鈉離子電池初探：從儲能走向動力

1、什么是鈉離子電池原理與結(jié)構(gòu)發(fā)展歷程鈉離子電池的研發(fā)起步較早產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的速度不及鋰離子電池但近年來學(xué)術(shù)研究和業(yè)應(yīng)用的熱度持續(xù)上升。1979年法國的mand提出“搖椅式電池的概念開啟了鋰離子和鈉離子電池的研究。到 20 世紀 80 年代后期，鋰離子電池得到了快速地發(fā)展和應(yīng)用，其標(biāo)志為 1991 年 SNY公司成功進行了商業(yè)化應(yīng)用2010年以后中美日韓各國開始引領(lǐng)鋰離子電池在動力領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，鋰離子電池在消費、動力和儲能三大類領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。而從 20 世紀 80 年代開始，鈉離子電池的研究一直進展緩慢和停滯。直到 2000 年，硬碳負極材料的發(fā)現(xiàn)才使得鈉離子電池迎來了轉(zhuǎn)折。到 2010

2、 年前后，鈉離子電池的相關(guān)學(xué)術(shù)研究快速增加。到 2020 年，全球已有二十多家企業(yè)致力于鈉離子電池的研發(fā)，意味著離子電池正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。圖 ：鈉離子電池與鋰離子電池發(fā)展歷程資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、劉焱等鋰離子動力電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢、鳳凰網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所圖 ：鈉離子電池的學(xué)術(shù)研究快增加資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所工作原理鈉離子電池與鋰離子電池均屬于二次電池，其工作原理都是“搖椅式。鈉離子電池在充電時，Na+從正極脫出，經(jīng)電解液橫穿隔膜嵌入負極，使正極處于高電勢 的貧鈉態(tài)，負極處于低電勢的富鈉態(tài)；放電過程則與之相反，Na+從負極脫出，經(jīng)電解液 穿過隔膜嵌入正極材

3、料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。理想的充放電情況下，Na+在正負極材 料間的嵌入和脫出不會破壞材料的晶體結(jié)構(gòu)充放電過程發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)是高度可逆的圖 ：鈉離子電池的“搖椅式”作原理資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所以鋰離子 4V 的電壓窗口為基準(zhǔn)，鈉離子的電壓窗口可達 4V，相對較寬，可實現(xiàn)達到相對較高的能量密度，適合作為電荷載體。但鈉離子的質(zhì)荷比和離子半徑都比鋰離子大，因而鈉離子電池的質(zhì)量能量密度和體積能量密度理論上均不及鋰離子電池且鈉離子半徑較大這意味著在電池的運行過程中，鈉離子在材料中的嵌入和脫出對材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動力學(xué)提出了更高的要求。圖 ：各金屬離子電荷載體的化特性資料來源：胡勇勝等

4、鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所主要材料與鋰離子電池相同鈉離子電池的構(gòu)成同樣主要包括正極負極隔膜電解液和集流體等，但在材料選擇上二者存在較大差異。正極材料由于離子特性的差異直接將鋰離子電池電極材料中的鋰換成鈉并不合適因此尋找適合鈉離子電池的電極材料是鋰離子電池走向?qū)嵱没年P(guān)鍵目前具有潛在商業(yè)化價值的有普魯士白和層狀氧化物兩類材料，克容量可達 160Ahg，與現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料相當(dāng)。負極材料不同于鋰離子在碳酸酯電解質(zhì)中不易實現(xiàn)石墨儲鈉因此鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化也需要尋求新的負極材料寧德時代開發(fā)了能夠讓大量的鈉離子存儲和快速通行具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料克容量可達350Ahg以上具備優(yōu)異的循環(huán)

5、性能，整體性能指標(biāo)與鋰電池的石墨相當(dāng)。電解質(zhì)由于鈉離子電池和鋰離子電池的工作機理以及電解液體系相近因此鈉電電解液的開發(fā)可以遵循鋰離子電池的經(jīng)驗和思路但同樣需要針對鈉離子的自身特開展研究和開發(fā)。隔膜：可以借鑒鋰離子電池相對成熟的體系。集流體因為低溫下鋰和鋁會發(fā)生合金化反應(yīng)因此鋰離子電池通常正極集流體選鋁箔，負極集流體則選擇銅箔；而鈉離子電池正負極均可以選擇成本較低的鋁箔。表 ：鈉離子電池和鋰離子電池要材料比較鋰離子電池鈉離子電池鎳鈷錳鋰普魯士白類鎳鈷錳鋰普魯士白類負極材料石墨無定形碳電解質(zhì)六氟磷酸鋰鈉鹽陰離（六氟磷酸鋰鈉等）隔膜/E/E磷酸鐵鋰層狀氧化物類集流體正極鋁箔鋁箔負極銅箔資料來源：Fw

6、eek、寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所圖 ：寧德時代通過電荷重排設(shè)的鈉離子電池正極材料圖 ：寧德時代鈉離子電池負極用的改性后的硬碳材料資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、天風(fēng)證券研究所資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、天風(fēng)證券研究所生產(chǎn)工藝鈉離子電池的生產(chǎn)工藝可以參照鋰離子電池，生產(chǎn)線也與鋰離子電池類似。圖 ：鈉離子電池生產(chǎn)線原理示圖資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所差異之處主要在于鈉離子電池可以采用鋁箔作為負極集流體因此正負極的極耳可以同，極耳相關(guān)的生產(chǎn)工序可以更加簡化。從產(chǎn)品封裝形態(tài)上看鈉離子電池也鋰離子電池類似同樣可分為圓柱軟

7、包和方形硬三大類。為什么選擇鈉離子電池特性與優(yōu)勢鈉元素的資源豐富且分布廣泛鈉資源的豐度遠高于鋰元素，全球分布均勻，價格低廉且穩(wěn)定，無發(fā)展瓶頸。鋰元素地殼中的含量只有0.0065 且資源分布不均勻70的鋰分布在南美洲地區(qū)如按照鋰電池現(xiàn)在的發(fā)展速度暫不考慮回收鋰電池的應(yīng)用將很快受到鋰資源的嚴重限制圖 ：全球鋰資源分布圖資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所隨著鋰離子電池在消費動力和儲能三大領(lǐng)域快速應(yīng)用鋰離子電池的生產(chǎn)制造達到了前規(guī)模，并且各大鋰電池生產(chǎn)商都在不斷的擴大其產(chǎn)能，這導(dǎo)致 2021 年以來鋰資源需緊張，價格大幅上漲。圖 ：0年以來國內(nèi)電池級碳酸鋰單價（單位：元噸）資料來源：win、天風(fēng)證

8、券研究所而鈉資源非常豐富其在地殼中的豐度位于第6位且是鈉分布于全球各地完全不受源和地域的限制，所以鈉離子電池相比鋰離子電池有非常大的資源優(yōu)勢。此外，由于鈉獲取且價格低廉，所以鈉離子電池也具有很大的潛在價格優(yōu)勢。表 ：鈉資源與鋰資源對比地殼豐度分布價格（元/）鈉275全球2鋰000575在美洲150資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所鈉離子電池的理論成本更低鈉離子電池的材料成本與鋰離子電池相比有 -的下降空間。由于鈉資源價格遠低于鋰資源大大降低了鈉離子電池正極材料的價格。此外，鈉電池的負極集流體可以使用鋁箔而非鋰電池需要使用的銅箔，進一步降低了鈉離子電池的成本。據(jù)中科海鈉測算，鈉離子電池（Na

9、CuFen/軟碳體系）的材料成本與鋰離子電池（磷酸鐵鋰/石墨體系）相比有30-40的下降空間。圖 ：鈉離子電池和鋰離子電對比資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所鈉離子電池在低溫及安全性能等方面有優(yōu)勢隨著研究的不斷深入鈉離子電池的潛在優(yōu)勢被不斷發(fā)掘尤其是高低溫下性能優(yōu)異及較高的安全性，為鈉離子電池在儲能和動力領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。表 ：鈉離子電池的性能優(yōu)勢性能優(yōu)勢主要表現(xiàn)高、低溫性能優(yōu)異高低溫測試均顯示出較高的容量保持率安全性高過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試不起火、不爆炸安全性高過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試不起火、不爆炸兼容已有鋰電設(shè)備鈉離子電池和鋰離子電池有相似的工作原理和電

10、池結(jié)構(gòu)雙極性電池鋁集流體兩側(cè)分別涂布正、負極，可提高能量密度和單體電芯電壓雙極性電池鋁集流體兩側(cè)分別涂布正、負極，可提高能量密度和單體電芯電壓鈉離子溶劑化能低比鋰離子更易脫溶劑化，界面反應(yīng)動力學(xué)更好低鹽濃度電解液低鹽濃度電解液具有較高的電導(dǎo)率低鹽濃度電解液低鹽濃度電解液具有較高的電導(dǎo)率資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度已經(jīng)達到了 160Whg；常溫下電15分鐘電量達到80具備了快充能力-20C低溫環(huán)境有90以上的放電保持率系統(tǒng)集成效率可以達到80以上；熱穩(wěn)定性優(yōu)異，超越了國家動力電池強標(biāo)的安全要求總體而言，其第一代鈉離子電池的

11、能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池，但是，在某些能表現(xiàn)上，特別是低溫性能和快充方面具有明顯的優(yōu)勢特別適用于高寒地區(qū)高功率用場景。圖 ：寧德時代第一代鈉離子池與磷酸鐵鋰電池性能對比資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、天風(fēng)證券研究所鈉離子電池怎么樣現(xiàn)狀與前景產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀從目前全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的進程來看目前尚處于導(dǎo)入期從產(chǎn)品參數(shù)上看我國于領(lǐng)先地位。目前國內(nèi)外已有超過二十家企業(yè)正在進行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局并取得了重進展主要包括英國FRIN公司法國NIES計劃團體美國NaronEnergy公司、日本岸田化學(xué)豐田松下三菱化學(xué)以及我國的寧德時代北京中科海鈉、浙江鈉創(chuàng)新能源、遼寧星空鈉電等。表 ：全球鈉離

12、子電公司及產(chǎn)情況公司體系產(chǎn)品主要性能指標(biāo)10Ah軟包電池能量密度達到10Wg英國FAAINNi基層狀氧化物硬碳體系美國Natn Eey普魯士藍對稱水系法國NAADS氟磷酸釩鈉硬碳體系鈉創(chuàng)新能源Ni基層狀氧化物硬碳體系中科海鈉Cu基層狀氧化物煤基碳材料體系寧德時代普魯士白硬碳體系資料來源：中國儲能網(wǎng)、寧德時代官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所電池平均工作電壓32 V在80 DD下的循環(huán)壽命預(yù)可超過100次2C倍率下的循環(huán)壽命達到了000次但體積能量密度僅為50WL1 Ah鈉離子160電池工作電壓達到37 V能量密度90Wg1C倍率下的循環(huán)壽命達到了00次軟包電芯能量密度為1020循環(huán)100次后容量保持率過92

13、 。能量密度超過15Wg電池平均工作電壓32 V在3C3C、00 DD循環(huán)100次后容量保持率91電芯單體能量密度高達10Wg常溫下充電15分鐘，電量達80 以上在-20C低溫環(huán)境中擁有90 以上的放電保持率圖 ：全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化局資料來源：中國儲能網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所成本分析基于鈉離子電池和鋰離子電池相似的工作原理結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)制造工藝等二者的成本結(jié)也基本相同主要包括原材料成本制造成（包括人工成本廠房設(shè)備能源質(zhì)環(huán)境成本等、管理費用及資金使用成本等。根據(jù)胡勇勝博士等測算，以NaCP1064165軟包電池為例，在2020年大致成本構(gòu)成中原材料占比約為 60，其余成本占比約 40。在原材料成本中，正

14、極、負極材料（包括導(dǎo)劑黏結(jié)劑和鋁箔電解液和隔膜分別占比約32、1018和15剩余的25括外殼組件極耳等其他裝配部件據(jù)此對于NaCP10/64165軟包電池胡勇勝博士等核算正極分別為銅鐵錳層狀氧化物、普魯士白類和鎳鐵錳層狀氧化物時的 OM 成本分別為06元Wh、06元Wh和01元Wh。圖 ：2020 年離子電芯成本解圖 ：0年鈉離子電芯原材料成本分解資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所正極材料正極材料的成本直接決定電池的成本鈉離子電池的各種正極材料當(dāng)前預(yù)計成本為：銅鐵錳層狀氧化物為 28.8 元g，普魯士白類為 26.4 元

15、g，鎳鐵錳層狀氧化物為424元g。負極材料鈉離子電池負極材料一般為硬碳軟碳復(fù)合碳等無定形碳材料目前內(nèi)市場上無定形碳的成本為8-20萬元而中科海鈉體系中負極所用的煤基無定形材料成本預(yù)計低于15萬元/。電解液：鈉離子電池電解質(zhì)鹽一般為 NaPF6，電解液合成方法與 LiPF6 基本相同，電解液鹽濃度會更低溶劑一般為ECDMCEMCDEC和PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體系。目前國產(chǎn)鋰離子電池電解液主流成本為 3-5 萬元t，鈉離子電電解液規(guī)?；?yīng)后與鋰離子電池相比成本會更低。隔膜：目前常用的隔膜主要為 PP、PE、PPPE 以及 PP/PEPP 隔膜、陶瓷隔膜、涂膠隔膜等目前規(guī)模化生產(chǎn)的隔膜

16、孔徑均遠大于鈉離子的溶化劑半徑滿足鈉離子電的使用需求。目前國內(nèi) 7m 厚度的主流濕法隔膜成本為 18-21 元2，干法雙拉隔膜成本約為08-12元2，使用陶瓷隔膜成本則會高50以上。集流體鋰離子電池負極只能使用銅箔而鈉離子電池負極可以使用鋁箔作為集流體目前市場上電池級別銅箔成本（80-90 元g）約為電池級鋁箔成本（24-30 元kg）的3倍。極耳鈉離子電池正負極均可以使用鋁極耳相比較鋰離子電池的銅鍍鎳極耳或鎳耳成本有所降低；且鋁極耳焊接工藝更簡單，也可以降低部分制造成本。表 ：基于銅鐵錳層狀氧化物正材料的 aC/5軟包鈉子電池 M成本序號材料名稱單位用量單價單位理論成本成本比例1銅鐵錳層狀氧

17、化物00492880g135027482無定形碳00261500g03206603正極黏結(jié)劑00051150g01703524負極黏結(jié)劑00094500g00490835正極導(dǎo)電炭00056000g00921846負極導(dǎo)電炭00026000g00160287N00291500g02054108正極鋁箔00002350g01442889負極鋁箔00062350g015831510隔膜066613020860175911高溫絕緣膠帶卷0030250卷009018312極耳20000300600122113鋁塑膜00132600g026154814電解液00302000g06001221合計4915

18、1000單位能量成本W(wǎng)h026資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所表 ：基于普魯士白類正極材料的aC/5軟包鈉離子電池 OM成本序號材料名稱單位用量單價單位理論成本成本比例1普魯士白類00492650g113723192無定形碳00261500g03206623正極黏結(jié)劑00041150g02785594負極黏結(jié)劑00094500g00490845正極導(dǎo)電炭00046000g01492926負極導(dǎo)電炭00026000g00160287N00371500g02966088正極鋁箔00072350g01372759負極鋁箔00032350g014730210隔膜063713020

19、824168811高溫絕緣膠帶卷0030250卷009018412極耳20000300600122513鋁塑膜00132600g026155014電解液00302000g06001225合計48951000單位能量成本W(wǎng)h026資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所表 ：基于鎳鐵錳層狀氧化物正材料的 aC/5軟包鈉子電池 M成本序號材料名稱單位用量單價單位理論成本成本比例1鎳鐵錳層狀氧化物00424240g195935552無定形碳00261500g03205893正極黏結(jié)劑00051150g01733094負極黏結(jié)劑00094500g00490745正極導(dǎo)電炭00076000

20、g01071886負極導(dǎo)電炭00026000g00190257N00331500g02294128正極鋁箔00072350g01372459負極鋁箔00032350g014726810隔膜063713020824150111高溫絕緣膠帶卷0030250卷009016412極耳20000300600109013鋁塑膜00132600g026148914電解液00302000g06001090合計5505100單位能量成本W(wǎng)h031資料來源：胡勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所應(yīng)用前景目前鈉離子電池初步應(yīng)用于儲能和低速動力領(lǐng)域，隨著寧德時代第一代鈉離子電池以及AB電池系統(tǒng)解決方案的推出，鈉

21、離子電池有望進一步拓展應(yīng)用場景，從儲能走向動力。由于鈉離子電池具有原料資源豐富成本低、環(huán)境友好高低溫下性能表現(xiàn)好以及安全好等優(yōu)勢，目前已被初步運用于儲能和低速動力領(lǐng)域，未來有望逐步在儲能低速兩輪和低速電動車領(lǐng)域逐步取代鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池。圖 ：中科海鈉的鈉離子電池用領(lǐng)域資料來源：中科海鈉官網(wǎng)、天風(fēng)證券研究所寧德時代第一代鈉離子電池發(fā)布會上提出的 AB 電池解決方案，將鈉離子電池與鋰離子池的集成混合共用按一定的比例和排列進行混搭串聯(lián)并聯(lián)和集成通過 S的精算法進行不同電池體系的均衡控制既彌補了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板也揮出了它高功率、低溫性能的優(yōu)勢以此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為基礎(chǔ)為鋰鈉電池系統(tǒng)拓

22、展更應(yīng)用場景。圖 ：寧德時代的 B電池解決案資料來源：寧德時代鈉離子電池發(fā)布會、天風(fēng)證券研究所寧德時代 AB 電池解決方案的發(fā)布，拓展了鈉離子電池的應(yīng)用場景；且寧德時代宣布下代鈉離子電池得能量密度可以達到 200Whg，進一步解決了鈉離子電池能量密度較低的問題使得鈉離子電池有望從儲能走向動力應(yīng)用在電動汽車上而據(jù)鈦媒體報道稱度汽車可能成為寧德時代第一代鈉離子電池的首批用戶在2023年完成產(chǎn)業(yè)的升級迭代產(chǎn)業(yè)鏈分析與鋰離子電池類似鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈也主要包括上游的原材料中游的電芯及電池以下游的應(yīng)用與鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的主要差異表現(xiàn)在上游正負極材料以及中游電池廠技術(shù)能力。圖 ：鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈資料來源：胡

23、勇勝等鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)、天風(fēng)證券研究所目前與鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈較為相關(guān)的上、中游公司主要包括：表 ：鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司公司名稱所屬領(lǐng)域布局情況代碼寧德時代電池201年7月9日發(fā)布第一鈉離子電池。3070SZ中科海鈉電池專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)，擁有多項核心專利與技術(shù)。未上市華陽股份（6038SH）持股166鈉創(chuàng)新能源電池聚焦鈉離子電池技術(shù)創(chuàng)新與工程化研發(fā)生產(chǎn)與銷售新一代動與儲能電池系統(tǒng)。未上市浙江醫(yī)藥（6026SH）持股40鵬輝能源電池已經(jīng)做出鈉離子電池樣（采用磷酸鹽類鈉正極與硬碳體系負極，6月份進行中試，預(yù)計年底批量生產(chǎn)。3048SZ欣旺達電池較早開始鈉離子電池研究的企業(yè)，并擁有鈉

24、離子電池補鈉的方法鈉離子電池及其制備方法等多項專利且在鈉離子電池領(lǐng)域公司積極探索產(chǎn)學(xué)研合作，并在欣旺達設(shè)有院士工作站。3027SZ中國長城電池下屬公司目前已經(jīng)突破了鈉離子電池正極材料合成與處理技術(shù)鈉離子電池制造工藝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，取得發(fā)明專利授權(quán)40006SZ圣陽股份電池鈉離子電池技術(shù)是公司持續(xù)關(guān)注的技術(shù)儲備研究方向之一公司技術(shù)團隊不斷關(guān)注鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢。0050SZ山東章鼓電池參股公司艾諾岡做了鈉離子電池的技術(shù)儲備性開發(fā)現(xiàn)在開發(fā)的離子電池主要方向的正極磷酸釩鈉負極硫化亞鐵工作范-30到5，循環(huán)周期理上可達500以上，在戶外替鈦酸鋰電池，這是研究和制造鈉離子電池的主要研究方向。0058SZ格林美正極材料近年一直關(guān)注鈉離子電池的進展并組建了專門的團隊進行關(guān)鍵術(shù)的研究開發(fā)已經(jīng)完成了鈉離子電池材料的研發(fā)目前已送至游客戶測試。0030SZ容百科技正極材料持續(xù)布局鈉電池等前沿電池材料技術(shù)方向的研發(fā)。6805SH中科電氣負極材料公司在包括石墨類負極材料非石墨類負極材料等領(lǐng)域皆有技術(shù)研發(fā)儲備。3005SZ翔豐華負極材料針對鈉離子電池我司開發(fā)了高性能硬碳負極材料目前正在相關(guān)客戶測試中。3080SZ恩捷股份隔膜隔膜產(chǎn)品適用于鈉離子電池。0082SZ多氟多電解質(zhì)有包括六氟磷酸鈉在內(nèi)的多種新型鋰電材料的技術(shù)儲備及研發(fā)。0047SZ天賜材料電解質(zhì)六氟磷酸鈉并非