鈉電池產(chǎn)業(yè)行動計劃分析

鈉電池產(chǎn)業(yè)行動計劃

2017年10月11日，《關(guān)于促進(jìn)儲能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（簡稱《指導(dǎo)意見》）正式發(fā)布?！吨笇?dǎo)意見》是我國大規(guī)模儲能技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展的首個指導(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，以及儲能技術(shù)的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進(jìn)，儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用未來的前景無疑將越來越廣闊。十三五期間，科技部通過國家重點研發(fā)計劃智能電網(wǎng)技術(shù)與裝備重點專項，對電池儲能相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)部署。其中，鈉基儲能電池技術(shù)作為重點支持方向之一，在高安全長壽命和低成本鈉基儲能電池的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究等項目系列成果推動下進(jìn)步顯著。國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲能技術(shù)試點示范《十四五新型儲能發(fā)展實施方案》正式印發(fā)，國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲能技術(shù)試點示范。方案提出，推動多元化技術(shù)開發(fā)。開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等關(guān)鍵核心技術(shù)、裝備和集成優(yōu)化設(shè)計研究，集中攻關(guān)超導(dǎo)、超級電容等儲能技術(shù)，研發(fā)儲備液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池等新一代高能量密度儲能技術(shù)。突破全過程安全技術(shù)。突破電池本質(zhì)安全控制、電化學(xué)儲能系統(tǒng)安全預(yù)警、系統(tǒng)多級防護(hù)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵材料、高效滅火及防復(fù)燃、儲能電站整體安全性設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)，支撐大規(guī)模儲能電站安全運行。鈉電中長期成本優(yōu)勢顯著成本優(yōu)勢顯著，鈉在地殼中具有更高的豐度，約占地殼儲量的2．64%，且廣泛分布在世界各地，原料端碳酸鈉提煉簡單、價格遠(yuǎn)低于碳酸鋰，碳酸鈉常年處于3000元/噸以內(nèi)水平，以2022年8月數(shù)據(jù)為例，兩者價差約170倍。再加之鈉離子電池可以使用較為便宜的鋁箔作為集流體材料，進(jìn)一步節(jié)約成本。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%。鈉電池正極材料：多路線推進(jìn)，層狀氧化物有望率先落地作為優(yōu)異的鈉離子電池正極材料需要具備以下因素：（1）較高的容量和氧化還原電勢；（2）對電解液適應(yīng)性強；（3）較好的離子和電子電導(dǎo)率；（4）在空氣中易于制備、保存、運輸以及低的成本；（5）較好的循環(huán)性能和倍率性能。目前，受到研究者廣泛關(guān)注的鈉離子電池正極材料主要包括層狀金屬氧化物、普魯士藍(lán)類化合物及聚陰離子型化合物。每種類型的材料都存在著一些特征缺點，層狀金屬氧化物結(jié)構(gòu)多變從而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差;普魯士藍(lán)循環(huán)穩(wěn)定性較差且材料高溫易分解，存在潛在危險;聚陰離子型化合物容量較低，導(dǎo)電性也較差。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）對部分鈉離子的消耗和由高比表面積、孔隙、缺陷和官能團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)部動力學(xué)性能，其中包括電子的導(dǎo)電性和離子的擴散速率。普遍認(rèn)為，相對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。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有優(yōu)勢鈉離子電池與鋰離子電池?fù)u椅式工作原理類似，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作。近幾年，鈉離子電池開始逐步進(jìn)入規(guī)?；囼炇痉峨A段。2018年6月，首輛鈉離子電池低速電動車問世；2021年6月，中科海鈉發(fā)布世界首個1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學(xué)儲能體系后，鈉離子電池開始在儲能領(lǐng)域嶄露頭角，有望推動新能源產(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。一是鈉元素儲備更豐富，鈉是地殼中儲量第六豐富的元素，地理分布均勻，成本低廉；而鋰資源在地殼中儲量僅為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，價格穩(wěn)定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會和鈉合金化，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)特性及儲存機制，鈉離子電池有相對穩(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)鏈不完善等問題，仍處于商業(yè)化探索和持續(xù)改進(jìn)中。預(yù)計未來隨著產(chǎn)業(yè)投入的加大，技術(shù)走向成熟、產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，高性價比的鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補充，尤其是在固定式儲能領(lǐng)域?qū)⒕哂辛己冒l(fā)展前景。鋰電池價格上漲，推動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)展的萌芽時期，到1979年法國的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)極儲鈉能力欠缺，對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)興時期。直至2021年7月，寧德時代發(fā)布第一代鈉離子電池，宣布計劃2023年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈，疊加鋰價在2021年底-2022年年初快速上漲，引發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈對互補、替代方案鈉離子電池的高度重視，涌現(xiàn)數(shù)十家推動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。近年來由于我國電動汽車產(chǎn)量快速增長，導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)能的提升，從而出現(xiàn)碳酸鋰價格飛漲的局面。數(shù)據(jù)顯示，我國磷酸鋰價格在2021年年末到2022年年初價格增長迅速，導(dǎo)致鋰離子電池原材料成本較高，價格上漲趨勢明顯，將使其在大規(guī)模儲能中的應(yīng)用受到限制。同時，鋰元素的地殼豐度只有0．0065%，我國鋰資源十分短缺，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，我國的鈉資源較鋰資源相對豐富，成本低廉。為了防止國外對鋰資源的壟斷，我國將大力發(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)的儲能電池發(fā)展受限問題。因為能量密度的短板，鈉離子電池的應(yīng)用尚出現(xiàn)在中高端的電動汽車上，在微型電動車及兩輪電動車上將率先應(yīng)用。數(shù)據(jù)顯示，近年來，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們的收入水平的提高，兩輪電動車的產(chǎn)銷量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，其中產(chǎn)量從2017年的3113萬輛增加到2021年的5443萬輛，銷售量從2017年的2943萬輛增加到2021年的4100萬輛。由于兩輪電動車產(chǎn)品價格較低，適合中、小型城市和縣鄉(xiāng)市場的用戶，未來市場空間廣闊，有利于促進(jìn)鈉離子電池需求量的增長。當(dāng)前電動兩輪車、A00級電動車受鋰離子電池價格上漲的影響，選擇性價比較高的鈉離子電池進(jìn)行替代，隨著電動兩輪車、A00級電動車的不斷發(fā)展，鈉離子電池的需求量向好發(fā)展，同時，鈉離子電池可利用廉價的鈉鹽取代鋰鹽作為電池關(guān)鍵原料，已經(jīng)成為新一代儲能電池研究的熱點，在快速發(fā)展的儲能領(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，我國鈉離子電池供給量和需求量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，其市場價格走勢不斷下降，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。從專利申請量來看，在2017-2021年間，中國鈉離子電池專利申請量整體上處于上升趨勢，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請量有小幅下降，較2019年減少33項，根據(jù)IP管家統(tǒng)計，2022年1-11月的申請量達(dá)到了1379項，可見，鈉離子電池逐步受到各方面的重視，未來市場占有率也將逐步提升。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