鈉電池產(chǎn)業(yè)行動(dòng)方案分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)行動(dòng)方案

國家有關(guān)部門高度重視新型電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從加強(qiáng)行業(yè)管理、統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、支持技術(shù)創(chuàng)新、加快標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)等角度出發(fā)，采取一系列措施促進(jìn)新型電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。國內(nèi)碳酸鋰價(jià)格飆漲從碳酸鋰價(jià)格來看，自2021年8月至2022年3月，電池級(jí)碳酸鋰的價(jià)格幾乎呈直線上升，歷史最高與最低價(jià)格相差約10倍。價(jià)格易受地緣性影響，基于當(dāng)前鋰資源集中壟斷的情況，預(yù)計(jì)未來鋰價(jià)不僅會(huì)由實(shí)際市場(chǎng)供需決定，更易受到國際形勢(shì)等多重因素的影響。當(dāng)前鋰價(jià)的持續(xù)走高和鋰資源的供需緊張問題亟待解決。中國鈉離子電池市場(chǎng)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(chǎng)，主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殡妱?dòng)二輪車、低速車、儲(chǔ)能、電動(dòng)船舶以及電動(dòng)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(duì)于鋰離子電池并沒有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池相對(duì)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(shì)。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(shì)。從廢舊鋰電池回收退下來的梯次利用鋰電池價(jià)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(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)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(jì)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(duì)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(dòng)二輪車市場(chǎng)、家庭儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)能需求日益增長，低成本儲(chǔ)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(diǎn)。但在制備過程中存在配位水含量難以控制等問題，寧徳時(shí)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(shí)際應(yīng)用。鈉電池負(fù)極材料-軟碳：儲(chǔ)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(chǔ)鈉容量較低，而且沒有儲(chǔ)鈉平臺(tái)，限制了其實(shí)用性。近期研究表明，通過制備納米結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)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(chǔ)鈉容量。這些方法均為改性軟碳材料以提升其儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(dòng)，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(shí)軟碳或?qū)⒃阝c電負(fù)極市場(chǎng)分得更大份額。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。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。《指導(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。鈉電池正極材料-層狀金屬氧化不可逆容量損失、易吸水受潮層狀氧化物的苦惱：不可逆容量損失，惡化循環(huán)性能；易吸水受潮，惡化加工性能。晶格扭曲及相變的產(chǎn)生，導(dǎo)致不可逆的容量損失，惡化循環(huán)性能。由于層狀結(jié)構(gòu)氧化物通常為過渡金屬元素與周圍六個(gè)氧形成的MO6八面體結(jié)構(gòu)組成過渡金屬層，鈉離子位于過渡金屬層之間，形成MO6多面體層與NaO6堿金屬層交替排布的層狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)在鈉離子電池充放電過程中會(huì)發(fā)生晶格扭曲并產(chǎn)生相變，阻礙了鈉離子的傳輸擴(kuò)散，使得大部分鈉離子游離在材料的表面，與電解液發(fā)生副反應(yīng)，形成不可逆的容量損失，同時(shí)惡化循環(huán)性能，導(dǎo)致電池性能衰減甚至失效，從而帶來安全方面的隱患?，F(xiàn)有技術(shù)大部分采用摻雜極少量的變價(jià)金屬以達(dá)到改善材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性目的，如振華新材專利CN114975982A，鈉創(chuàng)新能源CN114005969A等。燒結(jié)后易產(chǎn)生殘堿，導(dǎo)致材料易吸水受潮，惡化加工性能。在層狀結(jié)構(gòu)氧化物制備過程中，考慮到鈉元素的流失，材料生產(chǎn)過程中往往會(huì)加入過量鈉鹽，導(dǎo)致材料燒結(jié)后鈉鹽殘留，主要以碳酸鈉和氫氧化鈉形式存在，簡(jiǎn)稱殘堿。如果鈉離子電池極材料的堿性過高，在加工過程中會(huì)導(dǎo)致材料易吸水受潮，在攪漿過程中黏度增加，容易形成果凍狀，導(dǎo)致加工性能變差。針對(duì)此問題，目前主要通過水洗、酸性氣體等工藝進(jìn)行改進(jìn)，如中科海納采用低溫二次燒結(jié)，使得層狀正極材料完全去除水分后，通過酸性氣體與層狀正極材料表面的殘堿反應(yīng)，降低材料表面的殘堿含量。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60℃的工作溫度區(qū)間，鈉離子電池可以在-40℃到50℃的溫度區(qū)間正常工作，-20℃環(huán)境下容量保持率近90%，高低溫性能更優(yōu)秀。安全性方面，得益于更高的內(nèi)阻，鈉離子電池在短路狀況下瞬間發(fā)熱量少，熱失控溫度高于鋰離子電池，具備更高的安全性。在針對(duì)過充過放、針刺、擠壓測(cè)試時(shí)，鈉離子電池的安全性表現(xiàn)也讓人滿意。倍率和快充性能方面，鈉離子電池具備更好的倍率性能，適合在快充、響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電等場(chǎng)景應(yīng)用。鈉離子電池有望在儲(chǔ)能、中低續(xù)航里程電動(dòng)車、工程車、小動(dòng)力等細(xì)分市場(chǎng)率先得到推廣應(yīng)用。鈉電池市場(chǎng)空間：儲(chǔ)能-2025年有望達(dá)到50．68GWh發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的主要場(chǎng)景是大型儲(chǔ)能，即大儲(chǔ)。區(qū)別于戶用的小功率儲(chǔ)能，大儲(chǔ)設(shè)備對(duì)一致性、儲(chǔ)能功率和循環(huán)壽命的要求較高，主流技術(shù)路線是磷酸鐵鋰電池，主要應(yīng)用在新能源電站、電網(wǎng)等場(chǎng)景。預(yù)計(jì)2023-2025年大儲(chǔ)裝機(jī)量分別達(dá)到99．8、169．0、282．4GWh。預(yù)計(jì)鈉電池在大儲(chǔ)市場(chǎng)的滲透率將逐年升高，2023-2025年分別達(dá)到1%、3%、8%，2025年對(duì)應(yīng)的大儲(chǔ)鈉電池需求量將達(dá)到22．59GWh。用電側(cè)儲(chǔ)能，主要包括工商業(yè)配儲(chǔ)、戶用配儲(chǔ)、通信基站配儲(chǔ)三大場(chǎng)景，目前的主流技術(shù)路線是磷酸鐵鋰電池。用電側(cè)儲(chǔ)能前景廣闊，預(yù)計(jì)2023-2025年鈉電池在工商業(yè)配儲(chǔ)、戶用配儲(chǔ)、通信基站配儲(chǔ)的滲透率將逐年升高，2025年對(duì)應(yīng)的鈉電需求量有望分別達(dá)到5．44GWh、18．33GWh、4．32GWh。預(yù)計(jì)2025年儲(chǔ)能對(duì)鈉電池的需求有望超50GWh。鈉電池市場(chǎng)空間：兩輪車-2025年有望達(dá)到11GWh兩輪車電池現(xiàn)狀：兩輪電動(dòng)車帶電量為0．6Kwh左右，對(duì)電池性能要求不高，但對(duì)于價(jià)格敏感。所有零件中，電池成本最高占比約25%-30%。故雖然鋰電相比鉛酸電池?fù)碛懈玫男阅埽捎阡囯娫牧瞎?yīng)短缺、價(jià)格持續(xù)上漲帶動(dòng)鋰電池成本增加，鋰電電動(dòng)車與鉛酸電動(dòng)車的發(fā)展仍處膠著狀態(tài)。鈉離子電池的性能更介于二者之間，在能量密度上低于鋰電池，高于鉛酸電池，而導(dǎo)電性好、充放電快、耐低溫性強(qiáng)等方面比鉛酸電池也更有優(yōu)勢(shì)，此外，鈉電池報(bào)價(jià)是鋰電池的75%-8