鈉電池合成端-能量密度與循環(huán)性能是目前局限產品快速迭代過程中分析

鈉電池合成端-能量密度與循環(huán)性能是目前局限，產品快速迭代過程中

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量快速增長，導致鋰離子電池產能的提升，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。鈉電池合成端-能量密度與循環(huán)性能是目前局限，產品快速迭代過程中雖然鈉元素在元素周期表內是僅次于鋰的堿金屬元素，理化性質相似，但較大的離子質量和離子半徑造成鈉離子電池的體積和質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，仍有進一步優(yōu)化的空間。持續(xù)研發(fā)靜待技術突破，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力學性能；而負極和電解液技術的進步有助于解決電池電解液易燃、負極處鈉枝晶生長易導致短路等影響安全性的問題。目前針對鈉電能量密度問題，寧德時代開發(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行混搭，集成到同一個電池系統(tǒng)里，通過BMS精準算法進行不同電池體系的均衡控制。這一方案雖彌補了鈉電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，但仍需持續(xù)研發(fā)改進能量密度，才能真正打破鋰電池競爭格局。國家政策的支持將快速推動鈉離子電池的發(fā)展鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，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業(yè)化進程。在2022年發(fā)布的《十四五可再生能源發(fā)展規(guī)劃》中，提出加強可再生能源前沿技術和核心技術裝備攻關。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。在2021年發(fā)布的《關于在我國大力發(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、建筑等領域廣泛應用的重要基礎，也是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的關鍵支撐之一。關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見2017年10月11日，《關于促進儲能產業(yè)與技術發(fā)展的指導意見》（簡稱《指導意見》）正式發(fā)布?！吨笇б庖姟肥俏覈笠?guī)模儲能技術及應用發(fā)展的首個指導性政策，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，委托中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國電科院、清華大學等具體負責相關研究工作。隨著《指導意見》的頒發(fā)與落實，以及儲能技術的迅猛發(fā)展、成本不斷下降、電力市場改革的推進，儲能技術與產業(yè)應用未來的前景無疑將越來越廣闊?！吨笇б庖姟窂拇龠M儲能技術與產業(yè)發(fā)展的總體要求、重點任務和保障措施三個方面提出了指導性意見，為全面促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展提供了政策依據(jù)。《指導意見》還指出，近年來，我國儲能呈現(xiàn)多元發(fā)展的良好態(tài)勢：抽水蓄能發(fā)展迅速；壓縮空氣儲能、飛輪儲能，超導儲能和超級電容，鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等儲能技術研發(fā)應用加速；儲熱、儲冷、儲氫技術也取得了一定進展。我國儲能技術總體上已經初步具備了產業(yè)化的基礎。加快儲能技術與產業(yè)發(fā)展，對于構建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源產業(yè)體系，推進我國能源行業(yè)供給側改革、推動能源生產和利用方式變革具有重要戰(zhàn)略意義，同時還將帶動從材料制備到系統(tǒng)集成全產業(yè)鏈發(fā)展，成為提升產業(yè)發(fā)展水平、推動經濟社會發(fā)展的新動能。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鈉離子電池。鈉離子和鋰離子電池研究均起始于20世紀70年代，由于儲能需求日益增長，低成本儲能電池技術的需求愈發(fā)緊迫，鈉離子電池研究在近十年內突飛猛進。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%。從成本材料結構來看，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備，目前鈉電池產業(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率，限制了這類材料的實際應用。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，產業(yè)化應用的速度不及鋰離子電池，但近年來學術研究和產業(yè)應用的熱度持續(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用較為廣泛的石墨負極儲鈉能力欠缺，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)硬碳負極具備優(yōu)異的可逆儲鈉能力，學界才繼續(xù)推進。到2010年，隨鋰離子電池研究和產業(yè)鏈建設趨于成熟，以及對鋰資源的擔憂，鈉離子電池的研究和產業(yè)化進程，進入復興時期。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年形成基本產業(yè)鏈，疊加鋰價在2021年底-2022年年初快速上漲，引發(fā)全產業(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量快速增長，導致鋰離子電池產能的提升，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用。數(shù)據(jù)顯示，近年來，隨著經濟的快速發(fā)展，人們的收入水平的提高，兩輪電動車的產銷量整體呈現(xiàn)上漲趨勢，其中產量從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，有利于促進鈉離子電池需求量的增長。當前電動兩輪車、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鍵原料，已經成為新一代儲能電池研究的熱點，在快速發(fā)展的儲能領域，鈉離子電池有望成為重要的技術路線之一。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。在產業(yè)鏈方面，上游的正極和負極以及電解液添加劑都需要培育新的供應鏈，在隔膜、集流體、電解液溶質以及生產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，主要應用領域為電動二輪車、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。由于鈉離子電池產業(yè)鏈不夠成熟，鈉離子電池的配方沒有經過足夠多的迭代，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。各細分領域，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)模應用，導致鈉離子電池上游供應鏈并不成熟，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，并且供應量不斷增加，進一步削減了鈉離子電池的市場可能性。目前國內主流的最為成熟的技術路線為：正極為鈉過度金屬氧化物，過度金屬為銅鐵錳或鎳鐵錳，負極為硬碳或無煙煤軟碳，電解液溶質為六氟磷酸鈉，電解液溶劑與目前鋰離子電池溶劑相同，正負極集流體均為鋁箔。鈉離子電池的主要競爭產品為錳酸鋰電池、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極能量密度差異，可以得出，在相同技術條件下，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，高工產研鋰電研究所認為鈉離子電池未來的應用領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域。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搖椅式工作原理類似，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作。近幾年，鈉離子電池開始逐步進入規(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儲能體系后，鈉離子電池開始在儲能領域嶄露頭角，有望推動新能源產業(yè)的進一步發(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特性及儲存機制，鈉離子電池有相對穩(wěn)定的電化學性能和安全性。另一方面，目前鈉離子電池在產業(yè)化進程中尚存在能量密度較低、循環(huán)壽命較短、配套供應鏈與產業(yè)鏈不完善等問題，仍處于商業(yè)化探索和持續(xù)改進中。預計未來隨著產業(yè)投入的加大，技術走向成熟、產業(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域將具有良好發(fā)展前景。隨著生產技術的不斷提升，鈉離子電池未來發(fā)展前景廣闊1、鈉離子電池生產技術不斷成熟，規(guī)模量產有望實現(xiàn)由于鈉離子電池的結構和工作原理基本與鋰離子電池相同，因此，鈉離子電池可以借鑒鋰離子電池的產業(yè)化經驗，極大的簡化鈉離子電池的生產工序。但是由于鈉離子半徑要比鋰離子大70%，導致鈉離子電池能量密度不足，為此，相關企業(yè)紛紛加大研發(fā)投入力度，鈉離子電池應用的關鍵問題被逐漸攻克，前期制約鈉離子電池產業(yè)化的正負極材料均已實現(xiàn)技術突破，層狀氧化物正極+碳基負極+有機電解液體系的鈉離子電池即將邁入到商業(yè)化階段，有望實現(xiàn)規(guī)模化生產。同時，鈉離子電池的原材料成本相對于鋰離子電池具有天然的優(yōu)勢，尤其是在碳酸鋰價格處于高位的情況更為顯著，鋰離子電池成本居高不下將推動鈉離子電池產業(yè)化進程的加速。2、鈉離子電池前景廣闊，跨界企業(yè)加速布局目前，我國鋰離子電池受原材料影響價格猛漲，相關企業(yè)成本增加導致盈利減少，為此，鋰電池相關企業(yè)選擇性價比較高的鈉離子電池來替代鋰離子電池發(fā)展。在資源方面，我國鈉資源儲量豐富，分