鈉離子電池行業(yè)深度報(bào)告巨頭入場搖旗鈉喊技術(shù)路線面臨分化

鈉離子電池行業(yè)深度報(bào)告-巨頭入場搖旗鈉喊技術(shù)路線面臨分化一、

鈉離子電池：新能源細(xì)分領(lǐng)域替代者1.1

鋰鈉同族，物化性質(zhì)有類似之處鋰、鈉、鉀同屬于元素周期表ⅠA族堿金屬元素，在物理和化學(xué)性質(zhì)方面有相似之處，理論上都可

以作為二次電池的金屬離子載體。鋰的離子半徑更小、標(biāo)準(zhǔn)電勢更高、比容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈉和鉀，因

此在二次電池方面得到了更早以及更廣泛的應(yīng)用。但鋰資源的全球儲(chǔ)量有限，隨著新能源汽車的發(fā)

展對(duì)電池的需求大幅上升，資源端的瓶頸逐漸顯現(xiàn)，由此帶來的鋰鹽供需的周期性波動(dòng)對(duì)電池企業(yè)

和主機(jī)廠的經(jīng)營造成負(fù)面影響，因此行業(yè)內(nèi)部加快了對(duì)資源儲(chǔ)備更加豐富、成本更低的電池體系的研究和量產(chǎn)進(jìn)程，鈉作為鋰的替代品的角色出現(xiàn)，在電池領(lǐng)域得到越來越廣泛的關(guān)注。1.2

綜合性能優(yōu)于鉛酸電池，能量密度是短板鈉離子電池與鋰離子電池工作原理類似。鈉離子電池遵循脫嵌式的工作原理，在充電過程中，鈉離子從正極脫出并嵌入負(fù)極，嵌入負(fù)極的鈉離子越多，充電容量越高；放電

時(shí)過程相反，回到正極的鈉離子越多，放電容量越高。能量密度弱于鋰電，強(qiáng)于鉛酸。在能量密度方面，鈉離子電池的電芯能量密度為

100-160Wh/kg，

這一水平遠(yuǎn)高于鉛酸電池的

30-50Wh/kg，與磷酸鐵鋰電池的

120-200Wh/kg相比也有重疊的范圍。

在循環(huán)壽命方面，鈉電池在

3000次以上，這一水平也同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出鉛

酸電池的

300

次左右。從能量密度和循環(huán)壽命考慮，鈉電池有望首先替代鉛酸和磷酸鐵鋰電池主打的啟停、低速電動(dòng)車、儲(chǔ)能等市場，但較難應(yīng)用于電動(dòng)汽車和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，在這兩大領(lǐng)域鋰電仍將是主流選擇。安全性高，高低溫性能優(yōu)異。鈉離子電池的內(nèi)阻比鋰電池高，在短路的情況下瞬時(shí)發(fā)熱量少，溫升較低，熱失控溫度高于鋰電池，具備更高的安全性。另一方面，鈉離子電池可以在-40℃到

80℃的溫度區(qū)間正常工作，

-20℃的環(huán)境下容量保持率接近

90%，高低溫性能優(yōu)于其他二次電池。倍率性能好，快充具備優(yōu)勢。依賴于開放式

3D結(jié)構(gòu)，鈉離子電池具有較好的倍率性能，能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電。在快充能力方面，鈉離子電池的充電時(shí)間只需要10分鐘左右，目前量產(chǎn)的三元鋰電池即使是在直流快充的加持下，將電量從

20%充至80%通常需要

30

分鐘的時(shí)間，磷酸鐵鋰需要

45

分鐘左右。二、

從幕后到臺(tái)前，坐擁資源和成本兩大優(yōu)勢2.1

資源端：克服鋰電瓶頸鋰電池面臨資源瓶頸，鈉資源相對(duì)豐富。鋰的地殼資源豐度僅為

0.0065%。隨著鋰礦資源勘探力度增加，2020年全球鋰礦儲(chǔ)量提高到

2100萬噸鋰金屬當(dāng)量，同比增長

23.5%；若按照每輛電動(dòng)車使用

50kg碳酸鋰測算且不考慮碳酸鋰的其他下游市場，當(dāng)前鋰儲(chǔ)量僅能夠滿足

20億輛車的需求，存在資源端的瓶頸。鋰價(jià)上漲帶來企業(yè)成本端的擾動(dòng)。從短期來看，由于

2021

年開始鋰的需求增長，而上游鋰礦供給有所收縮以及去庫存，鋰礦以及鋰鹽價(jià)格在

2020

年見底，2021年上半年價(jià)格回升幅度較大；從長期來看，鋰資源存在產(chǎn)能瓶頸引發(fā)市場對(duì)于鋰價(jià)中樞上移的預(yù)期。對(duì)于企業(yè)來說，長期穩(wěn)定的原材料價(jià)格對(duì)于自身的正常經(jīng)營意義重大，鋰價(jià)的持續(xù)上漲可能加速企業(yè)尋找性價(jià)比更高的替代品的進(jìn)程。中國鋰資源對(duì)外依存度較高。受制于提鋰技術(shù)、地理環(huán)境、交通條件等客觀因素，長期以

來中國鋰資源開發(fā)較慢，主要依賴進(jìn)口；近年來隨著下游需求增長以及技術(shù)進(jìn)步，中國鋰資源開發(fā)進(jìn)度有所加速。發(fā)展鈉離子電池具備戰(zhàn)略意義。中國大力發(fā)展新能源汽車的目的除了降低碳排放、解決環(huán)境問題之

外，減少對(duì)傳統(tǒng)化石燃料的進(jìn)口依賴也是重要原因之一。若不能有效解決資源瓶頸問題，發(fā)展電動(dòng)車的意義就會(huì)打一定折扣。除了鋰資源外，鋰電池其他環(huán)節(jié)如鈷和鎳也面臨進(jìn)口依賴以及價(jià)

格大幅波動(dòng)的難題，發(fā)展鈉離子電池具備國家層面的戰(zhàn)略意義。鈉離子電池已經(jīng)受到越

來越多國家的關(guān)注和支持。2.2

材料端：凸顯成本優(yōu)勢正極材料正極材料使用鈉離子活性材料，選擇呈現(xiàn)多樣化。正極材料是決定鈉離子電池能量密度的關(guān)鍵因素，

目前研究和有量產(chǎn)潛力的材料包括過渡金屬氧化物體系、聚陰離子（磷酸鹽或硫酸鹽）體系、普魯士藍(lán)（鐵氰化物）體系三大類。過渡金屬氧化物為當(dāng)前正極材料主流選擇。層狀結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物2

具有較高比容量以及其與鋰電池的正極材料在合成以及電池制造方面的許多相似性，是鈉離子

電池正極材料有潛力得到商業(yè)化生產(chǎn)的主流材料之一。磷酸釩鈉是研究的主流方向之一。目前業(yè)界研究最多材料的主要包括磷酸鐵鈉、磷酸釩鈉、

硫酸鐵鈉等，并通過碳包覆以及參入氟元素提升導(dǎo)電性以及容量。鈉創(chuàng)新能源將磷酸釩鈉作為重點(diǎn)

研發(fā)的鈉電池正極材料之一，中科院大連物化所已實(shí)現(xiàn)三氟磷酸釩鈉的高效合成和應(yīng)用。普魯士藍(lán)材料具有更高的理論容量。普魯士藍(lán)類材料，Na[()6]

(為

Fe、Mn、Ni等元

素)具有開框架結(jié)構(gòu),有利于鈉離子的快速遷移；理論上能夠?qū)崿F(xiàn)兩電子反應(yīng)，因此具有高的理論容量。

遼寧星空鈉電致力于

Na1.92FeFe（CN）6的產(chǎn)業(yè)化研究，理論容量高達(dá)

170mAh/g；

寧德時(shí)代采用普魯士白（Nan[Fe()6]）材料，創(chuàng)新性地對(duì)材料體相結(jié)構(gòu)進(jìn)行電荷重排，解決了

普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減這一核心難題。鈉離子電池在材料端擁有顯著的成本優(yōu)勢。由于碳酸鈉價(jià)格遠(yuǎn)低于碳酸鋰，并且鈉離子電池正極材料通常使用銅、鐵等大宗金屬材料，因此正極材料成本低于鋰電池。使用

NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉電池的正極材料成本僅為磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰電池正極材料成本的

40%，而電池總的材料成本較后者降低

30%-40%。負(fù)極材料無定形碳為鈉電池主流材料。無定型碳材料以其相對(duì)較低的儲(chǔ)鈉電位，較高的儲(chǔ)鈉容量和良好的循環(huán)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)而成為最具應(yīng)用前景的鈉離子電池負(fù)極材料。無定型碳材料的前驅(qū)體可分為軟碳和硬碳前驅(qū)體，前者價(jià)格低廉，在高溫下可以完全石墨化，導(dǎo)電

性能優(yōu)良；后者價(jià)格較高（10-20萬元/噸），在高溫下不能完全石墨化，但其碳化后得到的碳材料儲(chǔ)

鈉比容量和首周效率相對(duì)較高。以亞煙煤、煙煤、無煙煤為代表的煤基材料具有資源豐富、廉價(jià)易

得、產(chǎn)碳率高的特點(diǎn)，采用煤基前驅(qū)體制備出的鈉離子電池負(fù)極材料，儲(chǔ)鈉容量約

220mAh/g，首

周效率可達(dá)

80％，是目前最具性價(jià)比的鈉離子電池碳基負(fù)極材料；但該類材料存在微粉多、振實(shí)密度低、形狀不規(guī)則等特性，在電芯生產(chǎn)過程中不利于加工。電極集流體皆為鋁箔，成本更低。在石墨基鋰離子電池中，鋰可以與鋁反應(yīng)形成合金，因此鋁不能

用作負(fù)極的集流體，只能用銅替代。鈉離子電池的正負(fù)極集流體都為鋁箔，價(jià)格更低；使用

NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉電池的集流體（鋁-鋁）成本僅為磷酸鐵鋰/石墨體系

的鋰電池集流體（鋁-銅）成本的

20%-30%。集流體是除正極外，材料成本與鋰電池差異最大的環(huán)

節(jié)。電解液在溶劑層面，酯類和醚類電解液是最常用的兩種有機(jī)電解液，其中酯類電解液是鋰離子電池體系的主要選擇，因?yàn)槠淇梢杂行У卦谑?fù)極表面進(jìn)行鈍化且高電壓穩(wěn)定性優(yōu)于醚類電解液。目前主流的研發(fā)機(jī)構(gòu)依然沿用了酯類溶劑，針對(duì)不

同的正負(fù)極和功能配方有所不同，且

PC的用量占比高于鋰電池；其次，由于在醚類電解液中鈉離

子和醚類溶劑分子可以高度可逆地發(fā)生共插層反應(yīng)，且有效地在負(fù)極材料表面構(gòu)建穩(wěn)定的電極/電解

液界面，所以受到越來越廣泛的關(guān)注和研究；最后，水系電解液也是新的研究領(lǐng)域之一，以水為電解液溶劑替代傳統(tǒng)有機(jī)溶劑，更加環(huán)保安全且成本低。在電解質(zhì)層面，鋰鹽將換成鈉鹽，如高氯酸鈉（NaClO4）、六氟磷酸鈉（NaPF6）等。在添加劑層面，傳統(tǒng)通用添加劑體系沒有發(fā)生明顯變化，如

FEC在鈉離子電池中依然被廣泛應(yīng)用。其他隔膜方面，鈉離子電池和鋰電池技術(shù)類似，對(duì)孔隙率的要求或有一定差異。外形封裝方面，鈉離子電池也包括圓柱、軟包和方形三種路線。設(shè)備工藝方面，與鋰電池區(qū)別不大，有利于鈉電池沿用現(xiàn)成設(shè)備和工藝快速投入商業(yè)化生產(chǎn)。規(guī)?；a(chǎn)后成本有望低于

0.3

元/Wh。當(dāng)前由于產(chǎn)業(yè)鏈缺乏配套、缺乏規(guī)模效應(yīng)，鈉離子電池的

實(shí)際生產(chǎn)成本在

1元/以上；政策的支持和龍頭企業(yè)大力推廣有望加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，若達(dá)到當(dāng)前鋰電池的市場體量，成本有望降至

0.2-0.3

元/Wh，與鋰電池相比具備優(yōu)勢。三、

從理論到實(shí)踐，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度加快3.1

鈉離子電池重回舞臺(tái)，研究熱度升溫鋰電池商用化的順利進(jìn)行反向抑制了鈉離子電池技術(shù)路線的發(fā)展，當(dāng)時(shí)商用的鋰離子電池循環(huán)壽命能達(dá)到鈉離子電池的

10倍左右，兩種電池的產(chǎn)品性能表現(xiàn)相去甚遠(yuǎn)，鋰離子電池獲取了科學(xué)家和資本、產(chǎn)業(yè)的絕對(duì)關(guān)注。由于大規(guī)模儲(chǔ)能市場的場景逐漸清晰以及產(chǎn)業(yè)界對(duì)未來鋰資源可能面臨供給瓶頸的擔(dān)憂，鈉離子電池重新進(jìn)入人們的視野。之后十年時(shí)間，全球頂尖的國家實(shí)驗(yàn)室和大學(xué)先后大力開展鈉離子電池的研發(fā)，部分企業(yè)也開始跟進(jìn)。Faradion英國牛津大學(xué)主導(dǎo)的

Faradion公司成立于

2011年，是全球首家從事鈉離子電池研究的公司，15年

開發(fā)出電池系統(tǒng)，材料為層狀金屬氧化物和硬碳體系。之后多個(gè)國家也成立了相關(guān)機(jī)構(gòu)和公司。中科海鈉中科海鈉是國內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)的公司，公司團(tuán)隊(duì)主要來自于中科院物理化學(xué)研究所。2017年底，中科海鈉研制出

48V/10Ah鈉離子電池組應(yīng)用于電動(dòng)自行車；2018年

9

月，公司推出首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車；2019年

3月，公司自主研發(fā)的

30kW/100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站在江蘇省溧陽市成功示范運(yùn)行；2020年

9月，公司鈉離子電池產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，產(chǎn)能可達(dá)

30

萬只/月；2021

年

3月，公司完成億元級(jí)

A輪融資，用于搭建年產(chǎn)能

2000噸的鈉離子電池正、

負(fù)極材料生產(chǎn)線；2021

年

6

月，公司全球首套

1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在山西太原正式投入運(yùn)

營。在材料體系方面，正負(fù)極材料分別選用成本低廉的鈉銅鐵錳氧化物和無煙煤基軟碳，電芯能量密度已接近

150

Wh/kg,

循環(huán)壽命達(dá)

4000次以上，產(chǎn)品主要包括鈉電池以及負(fù)極、電解液等配套材料。鈉創(chuàng)新能源鈉創(chuàng)新能源由上海電化學(xué)能源器件工程技術(shù)研究中心、上海紫劍化工科技有限公司

和浙江醫(yī)藥股份有限公司共同發(fā)起成立，技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要來自于上海交通大學(xué)。2019年

4月，正極材

料中試線建成并滿負(fù)荷運(yùn)行；2020年10月，公司二期生產(chǎn)規(guī)劃基地建設(shè)；2021年

7月，公司與愛瑪電動(dòng)車聯(lián)合發(fā)布電動(dòng)兩輪車用鈉離子電池系統(tǒng)。在材料體系方面，公司在鐵酸鈉基三元氧化物方面研究較為深入，產(chǎn)品主要包括鈉電池以及鐵基三元前驅(qū)體、三元材料、鈉電電解液等。寧德時(shí)代寧德時(shí)代從

2015年開始研發(fā)鈉離子電池，研發(fā)隊(duì)伍迅速擴(kuò)大；2020年

6月，公司宣布成立

21C創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，中短期主要方向?yàn)殇嚱饘匐姵?、固態(tài)鋰電池和鈉離子電池；2021

年

7月，公司推出第一

代鈉離子電池，采用普魯士白/硬碳體系，單體能量密度高達(dá)

160Wh/kg；常溫下充電

15分鐘，電量可達(dá)

80%以上；在-20°C低溫環(huán)境中，也擁有

90%以上的放電保持率；系統(tǒng)集成效率可達(dá)

80%以

上，熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)超國家強(qiáng)標(biāo)的安全要求；公司表示下一代鈉離子電池能量密度研發(fā)目標(biāo)是

200Wh/kg以上。在系統(tǒng)創(chuàng)新方面，公司開發(fā)了

AB電池系統(tǒng)解決方案。

公司已啟動(dòng)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化布局，計(jì)劃

2023

年形成基本產(chǎn)業(yè)鏈。3.2

劍指儲(chǔ)能和低速車市場，潛在市場空間大預(yù)計(jì)

2025

年鈉離子電池潛在市場空間超

200GWh。鈉離子電池有望率先在對(duì)能量密度要求不高、成本敏感性較強(qiáng)的儲(chǔ)能、低速交通工具以及部分低續(xù)航乘用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)替代和應(yīng)用。

暫不考慮電池系統(tǒng)層面的改進(jìn)對(duì)應(yīng)用場景的拓展，2020年全球儲(chǔ)能、兩輪車和

A00

車型裝機(jī)量分別為

14/28/4.6GWh，預(yù)計(jì)到

2025年三種場景下的電池裝機(jī)量分別為

180/39/31GWh，

對(duì)應(yīng)

2025

年鈉離子電池潛