鈉電池產(chǎn)業(yè)企劃方案分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)企劃方案

鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。隨著我國新能源汽車呈現(xiàn)持續(xù)高速增長趨勢，對鋰離子電池需求較大，然而我國鋰資源十分有限，必然會出現(xiàn)鋰鹽供不應(yīng)求的局面。為此，我國將大力發(fā)展在資源和成本上都更有優(yōu)勢的鈉離子電池，通過頒布多項政策來推動鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。在2022年發(fā)布的《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中，提出加強(qiáng)可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。研發(fā)儲備鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池等高能量密度儲能技術(shù)。在2021年發(fā)布的《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中，提到鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。近年來，財政部通過新能源汽車推廣應(yīng)用補(bǔ)助等政策，帶動了新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，推動新型電池產(chǎn)品技術(shù)水平迅速提高、成本迅速下降。鈉電池負(fù)極材料：硬碳高性能與軟碳低成本，魚和熊掌不可兼得硬碳比容量占優(yōu)，軟碳經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)，目前硬碳是主流。硬碳內(nèi)部碳微晶在晶體c軸方向上的碳片層堆積較少且整體呈現(xiàn)出隨機(jī)取向排列的特點，前驅(qū)體主要包括樹脂、瀝青及生物質(zhì)三類。硬碳材料具有長循環(huán)壽命，儲鈉的比容量相對較高并且具有低電壓平臺，但仍面臨著首次庫侖效率低、倍率性能略差等問題。相比之下，石墨烯相關(guān)材料往往呈現(xiàn)出更高的平均電壓和更低的庫倫效率，而軟碳的儲鈉比容量較低，因此硬碳綜合性能相對較優(yōu)，具有較廣闊的應(yīng)用前景。軟碳是有序度較高，是在2800℃以上高溫?zé)峤饽軌蛲耆姆蔷疾牧?，前?qū)體主要是石油焦和瀝青這類礦物質(zhì)，具有低成本優(yōu)勢。軟碳材料具有更高的電子導(dǎo)電性和倍率性能，但由于石墨化程度比較高，直接碳化的軟碳材料在鈉離子電池中表現(xiàn)出較低的可逆容量，儲鈉容量較低，實用性受限。從電池循環(huán)壽命來看，鈉離子電池遠(yuǎn)高于鉛酸電池行業(yè)內(nèi)一般以鈉/鋰電池滿充滿放的循環(huán)次數(shù)來計算循環(huán)壽命。在使用的過程中，離子電池內(nèi)部會發(fā)生不可逆的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致容量下降，比如電解液的分解，活性材料的失活，正負(fù)極結(jié)構(gòu)的坍塌導(dǎo)致鋰離子嵌入和脫嵌的數(shù)量減少等等。通過科學(xué)實驗表明，更高倍率的放電會導(dǎo)致容量更快的衰減，如果放電電流較低，電池電壓會接近平衡電壓，能釋放出更多的能量。目前，鈉離子電池的循環(huán)壽命遠(yuǎn)高于鉛酸電池，距離鋰電池還有些差距;低溫?fù)]發(fā)率較高，為85%;每月自放電率低于鋰離子電池，為5%。鈉電池負(fù)極材料-軟碳：儲鈉比容量較低，中科院無煙煤技術(shù)賦予軟碳負(fù)極新前景軟碳成本低、產(chǎn)碳率高、電子傳導(dǎo)性好，但較低的可逆容量嚴(yán)重制約了其在鈉離子電池中的應(yīng)用。制備軟碳材料的前驅(qū)體主要包括石油化工原料及其下游產(chǎn)品，如煤、瀝青、石油焦等，原料成本較為低廉。相比于硬碳，軟碳中富含的sp2碳導(dǎo)致更高的電子導(dǎo)電性和倍率性能，但是直接碳化的軟碳材料在鈉離子電池中表現(xiàn)出較低的可逆容量，儲鈉容量較低，而且沒有儲鈉平臺，限制了其實用性。近期研究表明，通過制備納米結(jié)構(gòu)、設(shè)計多孔結(jié)構(gòu)來有利于鈉離子的快速傳輸；異相原子摻雜來增加其層間距、提高電導(dǎo)率和缺陷數(shù)量；預(yù)氧化策略可以有效抑制其石墨化，促進(jìn)無序結(jié)構(gòu)的形成，從而有效提升儲鈉容量。這些方法均為改性軟碳材料以提升其儲鈉容量提供了理論基礎(chǔ)。中科院無煙煤技術(shù)賦予軟碳負(fù)極新前景。中科院物理所采用其作為前驅(qū)體，得到一種新型軟碳材料。不同于來自于瀝青的軟碳材料，其在1600°C以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達(dá)90%，儲鈉容量達(dá)到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異，最重要的是在所有的碳基負(fù)極材料中具有最高的性價比。以其作為負(fù)極和Cu基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達(dá)到100Wh/kg，在1C充放電倍率下容量保持率為80%。未來隨著更多研究成果的出現(xiàn)和低成本的驅(qū)動，如果能以低成本軟碳為前驅(qū)體，成功制備出高性能的碳負(fù)極材料，將進(jìn)一步促進(jìn)鈉離子電池的發(fā)展，屆時軟碳或?qū)⒃阝c電負(fù)極市場分得更大份額。鋰鈉同族，化學(xué)性質(zhì)接近鈉元素和鋰元素為同主族元素，具有某些相似的化學(xué)性質(zhì)。鈉離子電池的架構(gòu)、封裝工藝與鋰電池高度相似，生產(chǎn)鋰電池的工廠不必經(jīng)過大的改動就能直接進(jìn)行鈉電池生產(chǎn)。鈉電池有望向上制衡鋰電、向下蠶食鉛酸。鈉電池一方面與鉛酸電池相比，在循環(huán)、成本、能量密度等方面都具有較為明顯的優(yōu)勢，有望向下蠶食鉛酸市場；另一方面，因整體性能與鋰電池接近、成本優(yōu)勢顯著，有望向上制衡鋰電池應(yīng)用的壟斷性。液流電池應(yīng)用局限性較大，難以作為鋰電池的平替。電化學(xué)儲能技術(shù)主要分為鋰離子電池、鉛酸電池、鈉離子電池、液流電池和鈉硫電池等類別。自2022年6月29日國家能源局在《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）》中提出中大型電化學(xué)儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池之后，液流電池的關(guān)注度上升，但該類電池初始投資成本高、占地面積大，液流電池在動力電池和便攜式儲能領(lǐng)域應(yīng)用價值較低，并不能夠作為制衡鋰電池的PlanB。中國鈉離子電池市場前瞻鈉離子電池主要分為四種，其中鈉硫電池和鈉-氯化鈉電池為高溫鈉離子電池，水系鈉離子電池和溶劑系鈉離子電池為常溫鈉離子電池。目前已開始小批量應(yīng)用的主要是常溫鈉離子電池，尤其是以溶劑系鈉離子電池。在產(chǎn)業(yè)鏈方面，上游的正極和負(fù)極以及電解液添加劑都需要培育新的供應(yīng)鏈，在隔膜、集流體、電解液溶質(zhì)以及生產(chǎn)線可以與鋰離子電池共用；而在下游，主要取代鉛酸電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池的市場，主要應(yīng)用領(lǐng)域為電動二輪車、低速車、儲能、電動船舶以及電動工具。造成鈉離子電池目前沒有大規(guī)模應(yīng)用的主要原因有：鈉離子電池現(xiàn)階段相對于鋰離子電池并沒有明顯的價格優(yōu)勢。鈉離子電池相對于鋰離子電池（磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池）存在能量密度劣勢。由于鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈不夠成熟，鈉離子電池的配方?jīng)]有經(jīng)過足夠多的迭代，性能潛力挖掘不夠，潛在的性能缺陷較多。由于用戶的使用慣性和路徑依賴，用戶更愿意接受成熟度更高的鋰離子電池。各細(xì)分領(lǐng)域，鈉離子電池并沒有表現(xiàn)出不可替代的性能。鈉離子電池沒有大規(guī)模應(yīng)用，導(dǎo)致鈉離子電池上游供應(yīng)鏈并不成熟，鈉離子電池沒有獲得明顯的成本優(yōu)勢。從廢舊鋰電池回收退下來的梯次利用鋰電池價格低廉，并且供應(yīng)量不斷增加，進(jìn)一步削減了鈉離子電池的市場可能性。目前國內(nèi)主流的最為成熟的技術(shù)路線為：正極為鈉過度金屬氧化物，過度金屬為銅鐵錳或鎳鐵錳，負(fù)極為硬碳或無煙煤軟碳，電解液溶質(zhì)為六氟磷酸鈉，電解液溶劑與目前鋰離子電池溶劑相同，正負(fù)極集流體均為鋁箔。鈉離子電池的主要競爭產(chǎn)品為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池以及梯次利用鋰電池。通過計算鈉離子正負(fù)極能量密度差異，可以得出，在相同技術(shù)條件下，鈉離子的能量密度約為錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池能量密度的0．7-0．8倍。在對比鈉離子電池與錳酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池的性能后，高工產(chǎn)研鋰電研究所認(rèn)為鈉離子電池未來的應(yīng)用領(lǐng)域有望主要集中在電動二輪車市場、家庭儲能、低速車以及備電等領(lǐng)域。鈉離子電池行業(yè)發(fā)展歷程與鋰離子電池工作原理相似，鈉離子電池是主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，以鈉離子嵌入化合物作為正極材料的一種可二次充電的電化學(xué)鈉離子電池。鈉離子和鋰離子電池研究均起始于20世紀(jì)70年代，由于儲能需求日益增長，低成本儲能電池技術(shù)的需求愈發(fā)緊迫，鈉離子電池研究在近十年內(nèi)突飛猛進(jìn)。以NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉離子電池較磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰離子電池材料成本更低，可降低30-40%。從成本材料結(jié)構(gòu)來看，鋰離子電池正極材料成本占比最高，為43%，而鈉離子電池的正極材料成本僅為26%。鈉離子電池的制造和鋰離子電池的制造完全兼容，可以沿用鋰離子電池設(shè)備，目前鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈主要變化在正極材料。正極路線主要有：過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物、普魯士化合物和非晶態(tài)材料四種路線。過渡金屬氧化物是目前最受歡迎的正極材料如磷酸鐵鈉、錳酸鐵鈉、鈦錳酸鈉等，中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源和Faradion是該路線的主要公司;普魯士類料，具有較妤的電化學(xué)性能，具備成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但在制備過程中存在配位水含量難以控制等問題，寧徳時代、星空鈉電和NatronEnergy是該路線的主要公司;聚陰離子型材料，穩(wěn)定性和循環(huán)壽命好，化合物族類具有多樣性，但是較低的本征電子電導(dǎo)率，限制了這類材料的實際應(yīng)用。鈉電池合成端-產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度成本是關(guān)鍵成本低是鈉電未來大規(guī)模應(yīng)用的核心優(yōu)勢，從理論來看，鈉電池的成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在鈉鹽成本低廉、集流體改換價格更低的鋁箔等方面，使得鈉電理論成本相比鋰電下降30-40%。但目前的實際價格并非如此，寧德時代董事長曾毓群在此前公布鈉電池時表示：鈉離子電池不是剛推出來就很便宜，因為目前的供應(yīng)鏈規(guī)模還很小，不夠成熟，鈉離子電池可能比鋰離子電池貴一些。產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度較慢導(dǎo)致正負(fù)極材料的原料成本、生產(chǎn)成本及加工費較高，輔材度電攤薄低于鋰電，且鈉電尚存能量密度的劣勢，導(dǎo)致鈉電度電成本高于鋰電、攤薄效應(yīng)遠(yuǎn)低于鋰電，成本優(yōu)勢尚未凸顯。技術(shù)提升與規(guī)?；慨a(chǎn)提速是鈉電降本的關(guān)鍵路徑。如果鈉離子電池降本進(jìn)度不及預(yù)期，將難以在未來應(yīng)用中與鋰電池競爭。目前鈉電池正負(fù)極材料選擇及制備工藝等方面仍存在改善空間，正負(fù)極材料廠家需加大研發(fā)力度，突破正負(fù)極材料的劣勢，努力達(dá)到成本與性能之間的平衡，實現(xiàn)正負(fù)極材料售價的降低；同時電池廠商也需進(jìn)行技術(shù)提升，實現(xiàn)鈉電更高的能量密度，成本攤薄效應(yīng)將隨之顯現(xiàn)，共同助力鈉電降本。此外，電池廠商應(yīng)加速鈉電規(guī)模化量產(chǎn)，一些廠商已經(jīng)開始布局和規(guī)劃產(chǎn)能建設(shè)，如寧德時代規(guī)劃2023年形成鈉電基本產(chǎn)業(yè)鏈，中科海鈉已于2022年7月落成全球首條GWh鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線等等，但目前鈉電量產(chǎn)進(jìn)程仍舊緩慢。若鈉電規(guī)?；慨a(chǎn)速度得到提升，鈉電制造成本將會進(jìn)一步被攤薄，從而進(jìn)一步降低鈉電成本，鈉電成本優(yōu)勢將得到凸顯。鈉電池電解液：與鋰電體系相通，有機(jī)電解液前景較優(yōu)電解液是鈉離子電池的關(guān)鍵材料之一，在電池正負(fù)極之間起到傳導(dǎo)和輸送能量的作用，在很大程度上決定了電池的工作機(jī)制，影響著電池的安全性、循環(huán)壽命和倍率性能等指標(biāo)。鋰鈉離子電池電解液生產(chǎn)體系可沿用，壁壘在配方技術(shù)，而非產(chǎn)能?，F(xiàn)有六氟磷酸鋰生產(chǎn)路線可切換生產(chǎn)六氟磷酸鈉，實現(xiàn)產(chǎn)能共享，核心競爭壁壘主要是配方技術(shù)而非產(chǎn)能。鈉離子電池電解液主要分為液體電解液、固液