鈉電池產(chǎn)業(yè)情況匯報(bào)分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)情況匯報(bào)

工信部將組織有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究機(jī)構(gòu)適時(shí)開(kāi)展鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定，并在標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)、標(biāo)準(zhǔn)報(bào)批等環(huán)節(jié)予以支持。同時(shí)，根據(jù)國(guó)家政策和產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究有關(guān)鈉離子電池行業(yè)規(guī)范政策，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。目前，我國(guó)鈉離子電池處于發(fā)展前期，還未形成基本的產(chǎn)業(yè)鏈。從專(zhuān)利申請(qǐng)量來(lái)看，在2017-2021年間，中國(guó)鈉離子電池專(zhuān)利申請(qǐng)量整體上處于上升趨勢(shì)，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請(qǐng)量有小幅下降，較2019年減少33項(xiàng)，根據(jù)IP管家統(tǒng)計(jì)，2022年1-11月的申請(qǐng)量達(dá)到了1379項(xiàng)，可見(jiàn)，鈉離子電池逐步受到各方面的重視，未來(lái)市場(chǎng)占有率也將逐步提升。鈉電池正極材料-普魯士藍(lán)類(lèi)化合物理論容量高，成本低，間隙水問(wèn)題需解決普魯士藍(lán)類(lèi)正極材料（AxMa[Mb（CN）6]1?y?□y?nH2O（0≤x≤2，0≤y<1），其中A為堿金屬離子；Ma和Mb為不同配位環(huán)境的過(guò)渡金屬離子；□為[Mb（CN）6]空位）具有較高的工作電勢(shì)，較為穩(wěn)定的三維框架結(jié)構(gòu)，較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，較低的制造成本，其中利用M3+/M2+和Fe3+/Fe2+氧化還原電對(duì)，最多可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Na+的有序脫出/嵌入，對(duì)應(yīng)理論比容量達(dá)到170mAh/g（以NaFe[Fe（CN）6]為例）。普魯士藍(lán)的苦惱：空位和間隙水導(dǎo)致電化學(xué)性能惡化。普魯士藍(lán)類(lèi)化合物在合成過(guò)程中易形成[Fe（CN）6]4-空位和間隙水，形成的空位被配位的H2O分子占據(jù)后不僅會(huì)降低材料的初始鈉含量，而且會(huì)導(dǎo)致容量在循環(huán)過(guò)程中快速下降，惡化電化學(xué)性能，阻礙實(shí)際應(yīng)用。鈉電池負(fù)極材料-硬碳：首次庫(kù)倫效率和倍率性能是核心參數(shù)指標(biāo)性能短板：低的首次庫(kù)倫效率和差的倍率性是硬碳性能的短板，通過(guò)優(yōu)化工藝流程得到初步解決。首次庫(kù)倫效率：硬碳具有大的比表面積和大量缺陷，從而造成低的首次庫(kù)倫效率。而首次庫(kù)倫效率低反應(yīng)了電池在首次充放電過(guò)程中發(fā)生了大量的不可逆反應(yīng)，其中主要包括再循環(huán)過(guò)程中電解液分解形成電解質(zhì)界面膜（SEI）對(duì)部分鈉離子的消耗和由高比表面積、孔隙、缺陷和官能團(tuán)引起的其他不可逆反應(yīng)的結(jié)果。在全電池中，鈉含量的消耗直接影響電池的容量，低的庫(kù)倫效率必將造成電池整體容量的較大衰減。因此，減小硬碳負(fù)極材料的比表面積、減少缺陷及閉合部分孔隙，從而提高硬碳材料的庫(kù)倫效率是產(chǎn)業(yè)化必須解決的問(wèn)題。目前在工藝流程上，可通過(guò)軟硬碳復(fù)合、小分子填補(bǔ)缺陷以及降低熱解速率等措施得到提升。倍率性能：反應(yīng)出負(fù)極材料內(nèi)部動(dòng)力學(xué)性能，其中包括電子的導(dǎo)電性和離子的擴(kuò)散速率。普遍認(rèn)為，相對(duì)于鈉離子在硬碳材料層間的脫嵌，在材料表面缺陷的吸/脫附相對(duì)來(lái)說(shuō)更容易。豐富的缺陷及較大的層間距都有利于硬碳倍率性能的提升。目前在工藝流程上，可通過(guò)軟硬模板結(jié)合法、堿活化、摻雜等來(lái)改善。鋰電池價(jià)格上漲，推動(dòng)鈉離子電池需求量的增加鈉離子電池的研發(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(lái)學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的熱度持續(xù)上升。在1967年，高溫鈉硫電池出現(xiàn)是鈉離子電池發(fā)展的萌芽時(shí)期，到1979年法國(guó)的Armand提出了搖椅式電池的概念后，由于鋰離子電池體系中應(yīng)用較為廣泛的石墨負(fù)極儲(chǔ)鈉能力欠缺，對(duì)鈉離子電池的研究幾乎停滯。直至2000年加拿大Dahn等發(fā)現(xiàn)硬碳負(fù)極具備優(yōu)異的可逆儲(chǔ)鈉能力，學(xué)界才繼續(xù)推進(jìn)。到2010年，隨鋰離子電池研究和產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)趨于成熟，以及對(duì)鋰資源的擔(dān)憂，鈉離子電池的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，進(jìn)入復(fù)興時(shí)期。直至2021年7月，寧德時(shí)代發(fā)布第一代鈉離子電池，宣布計(jì)劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈，疊加鋰價(jià)在2021年底-2022年年初快速上漲，引發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)互補(bǔ)、替代方案鈉離子電池的高度重視，涌現(xiàn)數(shù)十家推動(dòng)鈉離子電池及原材料量產(chǎn)的企業(yè)。磷酸鋰是一種鋰離子電池電極材料，主要用于鋰離子電池。近年來(lái)由于我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)能的提升，從而出現(xiàn)碳酸鋰價(jià)格飛漲的局面。數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)磷酸鋰價(jià)格在2021年年末到2022年年初價(jià)格增長(zhǎng)迅速，導(dǎo)致鋰離子電池原材料成本較高，價(jià)格上漲趨勢(shì)明顯，將使其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用受到限制。同時(shí)，鋰元素的地殼豐度只有0．0065%，我國(guó)鋰資源十分短缺，大部分依賴于進(jìn)口，而鈉元素的地殼豐度為2．74%，地域分布廣泛，我國(guó)的鈉資源較鋰資源相對(duì)豐富，成本低廉。為了防止國(guó)外對(duì)鋰資源的壟斷，我國(guó)將大力發(fā)展鈉離子電池，以替代鋰離子電池，在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問(wèn)題。因?yàn)槟芰棵芏鹊亩贪?，鈉離子電池的應(yīng)用尚出現(xiàn)在中高端的電動(dòng)汽車(chē)上，在微型電動(dòng)車(chē)及兩輪電動(dòng)車(chē)上將率先應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的收入水平的提高，兩輪電動(dòng)車(chē)的產(chǎn)銷(xiāo)量整體呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，其中產(chǎn)量從2017年的3113萬(wàn)輛增加到2021年的5443萬(wàn)輛，銷(xiāo)售量從2017年的2943萬(wàn)輛增加到2021年的4100萬(wàn)輛。由于兩輪電動(dòng)車(chē)產(chǎn)品價(jià)格較低，適合中、小型城市和縣鄉(xiāng)市場(chǎng)的用戶，未來(lái)市場(chǎng)空間廣闊，有利于促進(jìn)鈉離子電池需求量的增長(zhǎng)。當(dāng)前電動(dòng)兩輪車(chē)、A00級(jí)電動(dòng)車(chē)受鋰離子電池價(jià)格上漲的影響，選擇性價(jià)比較高的鈉離子電池進(jìn)行替代，隨著電動(dòng)兩輪車(chē)、A00級(jí)電動(dòng)車(chē)的不斷發(fā)展，鈉離子電池的需求量向好發(fā)展，同時(shí)，鈉離子電池可利用廉價(jià)的鈉鹽取代鋰鹽作為電池關(guān)鍵原料，已經(jīng)成為新一代儲(chǔ)能電池研究的熱點(diǎn)，在快速發(fā)展的儲(chǔ)能領(lǐng)域，鈉離子電池有望成為重要的技術(shù)路線之一。在2017-2021年中，我國(guó)鈉離子電池供給量和需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，其市場(chǎng)價(jià)格走勢(shì)不斷下降，從2017年的7．14億元/GWh下降到2021年的6．66億元/GWh。目前，我國(guó)鈉離子電池處于發(fā)展前期，還未形成基本的產(chǎn)業(yè)鏈。從專(zhuān)利申請(qǐng)量來(lái)看，在2017-2021年間，中國(guó)鈉離子電池專(zhuān)利申請(qǐng)量整體上處于上升趨勢(shì)，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請(qǐng)量有小幅下降，較2019年減少33項(xiàng)，根據(jù)IP管家統(tǒng)計(jì)，2022年1-11月的申請(qǐng)量達(dá)到了1379項(xiàng)，可見(jiàn)，鈉離子電池逐步受到各方面的重視，未來(lái)市場(chǎng)占有率也將逐步提升。從電池的安全性來(lái)看，鈉離子電池具有更好的熱穩(wěn)定性全球鋰電池起火事故頻出，電動(dòng)車(chē)、儲(chǔ)能起火事故頻發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2011-2021年全球共發(fā)生32起儲(chǔ)能電站起火爆炸事故，其中26起事故采用三元鋰離子電池。鈉離子電池電化學(xué)性能相對(duì)穩(wěn)定，熱失控過(guò)程中容易鈍化失活，安全實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)較鋰離子電池更好。目前，鈉離子電池已通過(guò)中汽中心的檢測(cè)，針剌時(shí)不冒煙、不起火、不爆炸，經(jīng)受短路、過(guò)充、過(guò)放、擠壓等實(shí)驗(yàn)也不起火燃燒。對(duì)比鋰離子電池起始自加熱溫度達(dá)到165℃，鈉離子電池則達(dá)到260℃：且在ARC測(cè)試中鈉離子電池最大自加熱速度顯著低于鋰離子電池，這些均表明鈉離子電池具有更好的熱穩(wěn)定性。關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)2017年10月11日，《關(guān)于促進(jìn)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見(jiàn)》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見(jiàn)》是我國(guó)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個(gè)指導(dǎo)性政策，由國(guó)家能源局科技司牽頭，電力司、新能源司、市場(chǎng)監(jiān)管司參加的起草工作小組和20位專(zhuān)家組成的專(zhuān)家咨詢組，委托中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國(guó)電科院、清華大學(xué)等具體負(fù)責(zé)相關(guān)研究工作。隨著《指導(dǎo)意見(jiàn)》的頒發(fā)與落實(shí)，以及儲(chǔ)能技術(shù)的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場(chǎng)改革的推進(jìn)，儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來(lái)的前景無(wú)疑將越來(lái)越廣闊?！吨笇?dǎo)意見(jiàn)》從促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體要求、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施三個(gè)方面提出了指導(dǎo)性意見(jiàn)，為全面促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。《指導(dǎo)意見(jiàn)》還指出，近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)能呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)：抽水蓄能發(fā)展迅速；壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能，超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容，鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用加速；儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷、儲(chǔ)氫技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)總體上已經(jīng)初步具備了產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)。加快儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系，推進(jìn)我國(guó)能源行業(yè)供給側(cè)改革、推動(dòng)能源生產(chǎn)和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時(shí)還將帶動(dòng)從材料制備到系統(tǒng)集成全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，成為提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的新動(dòng)能。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有優(yōu)勢(shì)鈉離子電池與鋰離子電池?fù)u椅式工作原理類(lèi)似，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。近幾年，鈉離子電池開(kāi)始逐步進(jìn)入規(guī)?；囼?yàn)示范階段。2018年6月，首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車(chē)問(wèn)世；2021年6月，中科海鈉發(fā)布世界首個(gè)1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲(chǔ)能體系后，鈉離子電池開(kāi)始在儲(chǔ)能領(lǐng)域嶄露頭角，有望推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展和變革。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有一定優(yōu)勢(shì)。一是鈉元素儲(chǔ)備更豐富，鈉是地殼中儲(chǔ)量第六豐富的元素，地理分布均勻，成本低廉；而鋰資源在地殼中儲(chǔ)量?jī)H為0．002%，不到鈉的千分之一，且全球分布具有地域性。二是鈉離子化合物可獲取性強(qiáng)，價(jià)格穩(wěn)定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會(huì)和鈉合金化，因此鈉離子電池負(fù)極可使用鋁集流體而不必像鋰電池使用銅集流體，從而降低電池的成本和重量。三是鈉元素和鋰元素有相似的物理化學(xué)特性及儲(chǔ)存機(jī)制，鈉離子電池有相對(duì)穩(wěn)定的電化學(xué)性能和安全性。另一方面，目前鈉離子電池在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中尚存在能量密度較低、循環(huán)壽命較短、配套供應(yīng)鏈與產(chǎn)業(yè)鏈不完善等問(wèn)題，仍處于商業(yè)化探索和持續(xù)改進(jìn)中。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，高性價(jià)比的鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充，尤其是在固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己冒l(fā)展前景。鈉電池合成端-能量密度與循環(huán)性能是目前局限，產(chǎn)品快速迭代過(guò)程中雖然鈉元素在元素周期表內(nèi)是僅次于鋰的堿金屬元素，理化性質(zhì)相似，但較大的離子質(zhì)量和離子半徑造成鈉離子電池的體積和質(zhì)量能量密度僅為鋰離子電池的一半左右。目前鈉離子電池的能量密度大約為100-150Wh/kg，而鋰離子電池中，三元鋰電池能量密度較高，約為250Wh/kg左右，磷酸鐵鋰電池的能量密度偏低，但也有180Wh/kg左右，鈉電總體能量密度低于鋰電，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。持續(xù)研發(fā)靜待技術(shù)突破，提升鈉電性能。鈉離子電池正極材料的快速發(fā)展，有助于提升電池理論容量和動(dòng)力學(xué)性能；而負(fù)極和電解液技術(shù)的進(jìn)步有助于解決電池電解液易燃、負(fù)極處鈉枝晶生長(zhǎng)易導(dǎo)致短路等影響安全性的問(wèn)題。目前針對(duì)鈉電能量密度問(wèn)題，寧德時(shí)代開(kāi)發(fā)了AB電池系統(tǒng)解決方案，即鈉電池與鋰電池兩種電池按一定比例進(jìn)行混搭，集成到同一個(gè)電池系統(tǒng)里，通過(guò)BMS精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制。這一方案雖彌補(bǔ)了鈉電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，但仍需持續(xù)研發(fā)改進(jìn)能量密度，才能真正打破鋰電池競(jìng)爭(zhēng)格局。鈉電池在低溫、安全性方面具備優(yōu)勢(shì)鈉電整體性能與鋰電接近，能量密度稍遜，但低溫、安全和倍率性能突出。能量密度方面，在目前的技術(shù)條件下，鈉離子電池的電芯能量密度約為70-200Wh/kg，高于鉛酸電池的30-50Wh/kg，相較于三元鋰電的200-350Wh/k有所遜色，但與磷酸鐵鋰電池的150-210Wh/kg有重疊范圍，且尚有較大的技術(shù)進(jìn)步空間。低溫表現(xiàn)方面，相比于鋰離子電池-20℃到6