鈉電池產(chǎn)業(yè)實(shí)施方案分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)實(shí)施方案

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》（簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見》是我國大規(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位專家組成的專家咨詢組，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》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)用未來的前景無疑將越來越廣闊。從電池的安全性來看，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、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、過充、過放、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》（簡(jiǎn)稱《指導(dǎo)意見》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見》是我國大規(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位專家組成的專家咨詢組，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》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)用未來的前景無疑將越來越廣闊?！吨笇?dǎo)意見》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，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)?！吨笇?dǎo)意見》還指出，近年來，我國儲(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。鈉電池負(fù)極材料-硬碳：首次庫倫效率和倍率性能是核心參數(shù)指標(biāo)性能短板：低的首次庫倫效率和差的倍率性是硬碳性能的短板，通過優(yōu)化工藝流程得到初步解決。首次庫倫效率：硬碳具有大的比表面積和大量缺陷，從而造成低的首次庫倫效率。而首次庫倫效率低反應(yīng)了電池在首次充放電過程中發(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倫效率是產(chǎn)業(yè)化必須解決的問題。目前在工藝流程上，可通過軟硬碳復(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)來說更容易。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，可通過軟硬模板結(jié)合法、堿活化、摻雜等來改善。鈉離子電池有望應(yīng)用于儲(chǔ)能和動(dòng)力兩個(gè)領(lǐng)域綜合鈉離子電池的電池容量性能、電池循環(huán)壽命和電池的安全性來看，未來鈉離子電池有望應(yīng)用于儲(chǔ)能和動(dòng)力兩個(gè)領(lǐng)域。在動(dòng)力領(lǐng)域，鈉離子電池將在兩輪車和電動(dòng)汽車兩個(gè)方面得到應(yīng)用。在兩輪車領(lǐng)域，由于鈉離子電池有有能量密度相對(duì)較低、安全性比較高的特點(diǎn)，因此有望實(shí)現(xiàn)在對(duì)鉛酸電池的逐步替代。其中電動(dòng)汽車方面，有望通過寧德時(shí)代發(fā)布的鈉離子電池與鋰離子電池集成系統(tǒng)的形勢(shì)得以應(yīng)用。在儲(chǔ)能領(lǐng)域，2021年07月15日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》提出加快飛輪儲(chǔ)能、鈉離子電池等技術(shù)開展規(guī)模化試驗(yàn)示范，以需求為導(dǎo)向，探索開展儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱及其他創(chuàng)新儲(chǔ)能技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。因此，在政策的推動(dòng)下，鈉離子電池有望加快應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)和發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能。全球范圍內(nèi)，我國鋰資源儲(chǔ)量有限全球可用鋰資源稀缺且分布不均，價(jià)格寡頭壟斷，易受地緣性影響。（一）全球可用鋰資源不足鋰是自然界密度最小的金屬，具有極強(qiáng)的電化學(xué)活性，具有儲(chǔ)能功能，其在地殼中含量僅約0．0065%，豐度居第二十七位，從資源總量來看其實(shí)并不稀缺，但受開采條件和提鋰技術(shù)的影響，許多估算的資源量無法轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)量，如全球已知最大的烏尤尼鹽湖（Uyuni）鋰礦床由于沒有經(jīng)濟(jì)可行的鋰鹽提取方法，其中大量的鋰資源量無法計(jì)入儲(chǔ)量。（二）全球鋰資源分布不均、寡頭壟斷全球鋰資源分布高度集中，形成寡頭壟斷局面，2020年，73%鋰資源分布在北美洲和南美洲，其他地區(qū)如大洋洲（8%）、亞洲（7%）、歐洲（7%）和非洲（5%）則分布較少。于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（發(fā)改能源規(guī)〔2021〕1051號(hào)）2021年四月下旬，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見》，主要目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能從商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展轉(zhuǎn)變。新型儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新能力顯著提高，核心技術(shù)裝備自主可控水平大幅提升，在高安全、低成本、高可靠、長壽命等方面取得長足進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)體系基本完善，產(chǎn)業(yè)體系日趨完備，市場(chǎng)環(huán)境和商業(yè)模式基本成熟，裝機(jī)規(guī)模達(dá)3000萬千瓦以上。新型儲(chǔ)能在推動(dòng)能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和過程中發(fā)揮顯著作用。到2030年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展。新型儲(chǔ)能核心技術(shù)裝備自主可控，技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)水平穩(wěn)居全球前列，標(biāo)準(zhǔn)體系、市場(chǎng)機(jī)制、商業(yè)模式成熟健全，與電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)深度融合發(fā)展，裝機(jī)規(guī)?；緷M足新型電力系統(tǒng)相應(yīng)需求。新型儲(chǔ)能成為能源領(lǐng)域碳達(dá)峰碳中和的關(guān)鍵支撐之一。企業(yè)重視產(chǎn)品和技術(shù)的研發(fā)投入，鈉離子電池技術(shù)得到一定突破鈉離子電池作為一種新的電池技術(shù)路線，吸引眾多鋰離子電池企業(yè)入場(chǎng)布局，其中布局鈉離子電池技術(shù)的公司就有寧德時(shí)代、鵬輝能源等等。從企業(yè)營業(yè)收入來看，寧德時(shí)代營業(yè)收入在2017-2021年間呈現(xiàn)逐年上升的走勢(shì)，其中2021年漲幅最大，主要是因?yàn)闃I(yè)務(wù)規(guī)模增長、產(chǎn)銷量提升帶動(dòng)營業(yè)收入相應(yīng)增長，而毛利率受部分原材料價(jià)格上漲的緣故，則處于不斷下降的狀態(tài)。鵬輝能源營業(yè)收入整體也處于不斷增長的狀態(tài)，但是增長幅度與寧德時(shí)代相比較低，其毛利率雖然整體處于下降趨勢(shì)，但是在2019年有明顯的上升趨勢(shì)，這主要受公司ETC業(yè)務(wù)快速增長，帶動(dòng)了企業(yè)毛利率的增長。從研發(fā)投入來看，寧德時(shí)代的研發(fā)投入從2018年的19．91億元增加到2021年的76．91億元，其中2021年研發(fā)費(fèi)用占總營業(yè)收入的比重達(dá)到了5．90%；鵬輝能源的研發(fā)投入整體處于小幅上升的狀態(tài)，到2021年研發(fā)投入為2．46億元，占總營業(yè)收入的比重達(dá)到了4．33%。由于兩家公司高度重視產(chǎn)品和技術(shù)工藝的研發(fā)，隨著鋰電池行業(yè)發(fā)展受限，對(duì)于作為替代品的鈉離子電池來說，將會(huì)受到企業(yè)的重視，大力推動(dòng)該產(chǎn)品的發(fā)展。從鈉離子電池研發(fā)情況來看，寧德時(shí)代為平衡資源、成本及碳足跡等潛在問題，開發(fā)鈉離子電池，目前，已經(jīng)發(fā)布了第一代鈉離子電池，為了充分發(fā)揮鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)，迎合市場(chǎng)的需要，該企業(yè)加大了研發(fā)投入力度，促進(jìn)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的建設(shè)，進(jìn)一步提高能量密度及綜合性能。鵬輝能源是基于鈉成本和資源優(yōu)勢(shì)，研發(fā)高性能鈉離子電池，目前，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)，未來將進(jìn)一步提升鈉離子電池的能量密度、循環(huán)壽命及低溫性能，實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。鈉電池負(fù)極材料：傳統(tǒng)石墨負(fù)極儲(chǔ)鈉能力差，硬碳/軟碳是相對(duì)更理想的鈉電負(fù)極材料理想的鈉離子電池負(fù)極材料應(yīng)當(dāng)盡量滿足：1）工作電壓低；2）比容量高；3）首周庫侖效率高；4）壓實(shí)密度高；5）電子和離子電導(dǎo)率高；6）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定（體積形變?。?，空氣穩(wěn)定；7）成本低廉和安全無毒等特點(diǎn)?，F(xiàn)有能夠用于鈉離子電池的負(fù)極材料主要包括：碳基材料、合金類材料、和金屬基復(fù)合物材料，其中碳基材料由于具有導(dǎo)電性好、成本低廉、無毒環(huán)保，成為鈉離子電池負(fù)極材料的首選。碳基材料主要包括石墨類材料、無定形碳材料（軟硬碳）、納米碳材料。其中，石墨負(fù)極在碳酸酯電解液中幾乎不具備儲(chǔ)鈉能力，在醚類溶劑中雖能使溶劑化的鈉離子共嵌到石墨層中，但其低的容量、高的電壓以及電解液參與反應(yīng)會(huì)降低實(shí)際電池的能量密度，因此石墨負(fù)極在鈉離子電池中難以使用。鈉電池電解液-添加劑：提升生產(chǎn)工藝，有望進(jìn)一步降本添加劑是指在電解液中具有特定功能的物質(zhì)，其含量較低，能明顯提升電池的電化學(xué)性能。按作用類型的不同可以分為：成膜添加劑、阻燃添加劑、過充保護(hù)添加劑等。在實(shí)際使用中，不同添加劑一般進(jìn)行混合使用來協(xié)調(diào)性能，凸顯效果。成膜添加劑會(huì)在溶劑分子之前發(fā)生還原反應(yīng)，在電極表面形成SEI膜，避免溶劑與電極直接接觸，提升電池的性能。常見的成膜添加劑主要有：氟代碳酸乙烯酯（FEC）、碳酸亞乙烯酯（VC）、亞硫酸乙烯酯（ES）和丁二酸二甲酯（DMS）等。據(jù)鈉離子電池中VC添加劑含量對(duì)電池性能的影響研究數(shù)據(jù)，VC添加劑用量不宜過低和過高，用量低時(shí)效果不顯著，用量過多則會(huì)導(dǎo)致形成過厚的SEI膜，降低電池首效。目前常用電解液的有機(jī)溶劑具有較強(qiáng)的揮發(fā)性和易燃性，阻燃和過充保護(hù)添加劑被用于增加安全性能。阻燃添加劑一般是含氟和磷的有機(jī)物，在高溫時(shí)能夠生成游離的含磷和含氟自由基，這些自由基會(huì)清除氫