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        沈陽蓄電池研究所主辦

        業務范圍:科研成果轉讓、技術難題的攻關、現場指導、新工藝的采用和推廣,蓄電池產品生產許可證企業生產條件審查的咨詢等。

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        鈉電池是鋰電池的良好補充,產業化開始加快

        作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:游家訓團隊 電新產業研究

        鈉電池工作原理與鋰電池類似,生產設備也基本兼容,材料體系有一定變化,鈉電池憑借能量密度和循環性能的優勢,有望在儲能和兩輪車等市場獲得商業應用。在車用動力電池領域,鈉電池優秀的低溫、快充、安全性是對鋰電池的補充,但能量密度和循環性能差距較大,不過寧德時代提出了動力電池中采用鋰電池和鈉電池混配輔以BMS升級的方案,有望推動鈉離子電池在交通領域應用。鈉離電池作為一種新的路線,其核心的原材料供應更大宗和普遍,有助于擺脫電池上游戰略資源瓶頸,能更好的滿足未來TWh時代電池技術多樣化需求,是鋰電池良好的補充,預計其規模的應用可能在2023年左右或以后。

        摘要

        鈉電池簡介。鈉電池工作原理與鋰電池類似,同時生產設備也基本兼容。不過材料體系有較大變化,正極一般采用普魯士白和層狀氧化物,負極選用硬碳,集流體均采用鋁箔,隔膜和電解液沒有大的變化。性能方面,鈉電池在低溫性能、安全性、成本(大規模量產后)方面具備優勢,能量密度和循環性能均介于鋰電池和鉛酸電池之間。

        鈉電池作為鋰電池的補充,主要應用市場在儲能等領域。鈉電池的能量密度、循環壽命優于鉛酸電池,同時具備較強的安全性和較低的成本。根據產業反饋,目前鈉電池主要開始應用在儲能和兩輪車領域替代鉛酸電池。在動力領域,鈉電池優秀的低溫和快充性能是鋰電池的良好補充,但能量密度有一定差距,不過寧德時代提出在動力電池系統中將鋰電池和鈉電池混配并升級BMS的方案,可能會推動鈉電池在車載市場應用。

        鈉電池對保障供應鏈安全有戰略意義。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,且開發有一定難度,我國鋰礦主要依賴進口,鎳資源也主要在海外,資源供應可能是鋰電池產業進一步壯大后將面臨的潛在約束之一。而鈉資源儲量豐富、分布廣泛,且更容易獲取,鈉電池的研發儲備和產業化對保障我國電池產業戰略資源供給安全具有重要意義。在未來TWh的電池生態中,鈉電池應該會有一席之地。

        產業化可能在未來幾年。國內具有比較成熟的鈉電池生產研發能力的企業主要是寧德時代、中科海納、鈉創新能源。寧德時代的第一代產品單體能量密度達160wh/kg,系統集成效率達80%,零下20度容量保持率90%,在常溫下充電15分鐘電量達到80%,綜合性能優異。目前國內鈉電池產業化剛起步,供應鏈還沒形成,鈉電池材料主要依靠電池公司自身研發。隨著產品迭代和提升,電池產業應用可能進一步加快,根據寧德時代估計,鈉電池規模應用可能在2023年左右或以后。

        投資建議:繼續推薦寧德時代,其余關注華陽股份(煤炭)、浙江醫藥(化工)、鼎盛新材(招商有色)。

        風險提示:鈉電池技術升級和推廣低于預期、成本下降幅度低于預期。

        1、鈉離子電池簡介

        1.1鈉離子電池工作原理

        鈉離子工作原理與鋰離子電池類似。鈉離子電池作為充電電池的一種,主要由正、負極、電解質、隔膜、集流體等組成。其工作原理是利用鈉離子在正負極之間的可逆脫嵌從而實現充、放電的,與鋰電池類似。

        鈉離子電池的分類。鈉離子電池可分為鈉硫電池、水系鈉離子電池、有機鈉離子電池、固態鈉離子電池。鈉硫電池主要以金屬鈉作為負極、非金屬硫作為正極、β-A12O3陶瓷管同時充當電解質和隔膜,是目前唯一同時具備大容量和高能量密度的儲能電池。截止2020年,全球從事鈉離子電池工程化的公司超過20家,包括松下、豐田等。2017年,我國首家鈉離子電池公司中科海鈉成立,依托中國科學院物理研究所的技術,目前在技術開發和產品生產上都初具規模。

        1.2 材料體系與鋰電池有所不同

        相比鋰電池,鈉離子電池材料使用有差異。

        鈉離子電池中,

        正極材料:使用鈉離子的活性材料,常見的包括普魯士藍、銅鐵錳或鎳鐵錳層狀氧化物,需具有良好的電化學性、化學穩定性、熱穩定性、安全性,以此保證較高的理論比容量和電池循環壽命;

        負極材料:由于鈉的半徑較大,并不能在石墨層中可逆的脫嵌,因此一般選擇具備嵌入鈉離子的能力強、體積變形小、擴散通道好、化學穩定性好等特點的硬碳材料。

        電解質和隔膜:可以沿用鋰電池體系中的材料,但電解液中的六氟磷酸鋰需要換成六氟磷酸鈉。

        集流體:由于鋰電池主要以石墨作為負極,鋁箔作為負極集流體在低電位下易與鋰形成合金,因此需使用銅集流體,而鈉離子正負極均可使用價格較低鋁箔作為集流體。

        1.3 鈉資源儲量豐富,成本有望繼續下降

        鈉資源儲量豐富。鈉資源儲量豐富,地殼豐度可達2.74%,價格低廉且提煉簡單。而鋰儲量僅0.0065%,主要分布于澳大利亞、南美地區。

        鈉離子電池對保障我國資源供給具有重要戰略意義。我國僅擁有世界鋰資源儲量的5.93%,且開發有一定難度,我國鋰礦主要依賴進口,鎳資源也主要在海外,資源供應可能是鋰電池產業進一步壯大后將面臨的潛在約束之一。而鈉資源儲量豐富、分布廣泛,且更容易獲取,鈉電池的研發儲備和產業化對保障我國電池產業戰略資源供給安全具有重要意義。在未來TWh的電池生態中,鈉電池應該會有一席之地。

        鈉離子電池成本有望繼續下降。鈉電池外形封裝(圓柱、軟包、方形)與鋰電池相同,同時鋰電池的生產設備大多可以兼容鈉離子電池,原始設備成本支出與鋰電池相當。材料中,除隔膜外,鈉離子電池的正、負極、電解液、集流體的價格較鋰電池材料低。

        不過,由于鈉離子電池制備工藝不夠成熟、生產設備仍有待改善,生產效率較低且產品一致性及良品率均低,目前的生產成本明顯高于鋰離子電池。但未來當技術成熟實現規?;?,其降本空間更大。

        2、鈉電池作為鋰電池的補充,主要應用市場在儲能等領域

        2.1 鈉離子電池產品性能分析

        有望逐步替代鉛酸電池,是鋰電池的良好補充。鈉離子電池的能量密度、循環壽命優于鉛酸電池,但低于鋰離子電池。對比鉛酸電池,同等容量的下,鈉離子電池的體積小、重量輕,且能量密度超過鉛酸電池的2倍以上。同時,相比于鋰離子電池,鈉離子電池的內阻比鋰離子電池高,發生短路時發熱量少溫度較低,且在放電過程中可可放電至0V,因此鈉離子電池較鋰離子電池的安全性能更加優異。未來首先可能取代鉛酸電池并逐步實現低速電動車、儲能等領域的無鉛化發展。

        在鈉離子電池儲能與動力領域,國內企業中科海鈉處于產品研發生產的領先地位。目前研發的產品覆蓋了電動自行車、低速電動車、規模儲能等領域,均可在零下20℃至55℃工作。中科海鈉電池使用的技術路線是銅鐵錳,生產的鈉離子電池循環壽命約為4500次,與磷酸鐵鋰相當,優于錳酸鋰和三元材料;能量密度高于145Wh/kg,與錳酸鋰接近。鈉創新能源致力于做鎳鐵錳正極材料(NaNi1/3Fe1/3Mn1/3Q2),即三元層狀氧化物正極-硬碳負極體系的鈉離子軟包電芯,循環壽命約為5000次。

        2.2 目前的商業化應用主要在儲能和兩輪車

        儲能是鈉離子電池主要的應用場景。2021年6月,由山西新陽清潔新能源與中科海鈉主導的1MWh鈉離子儲能系統在山西落地。其利用陽泉儲量豐富、成本低廉的無煙煤作為前驅體,采用中科院全球首創的碳基負極材料生產技術和正極廉價原料加工工藝生產,具有成本最低、安全性能高、低溫性能良好、循環壽命長等特點,可廣泛應用于低速電動車、家庭儲能、5G通訊基站等大規模儲能裝置。

        鈉離子電池打入兩輪電動車市場。2021年7月7日,國內第二大電動兩輪車愛瑪科技在發布會上表示將使用鈉離子電池搭載在未來旗下的電動兩輪車上,其鈉離子電池由鈉創新能源提供。2019年,鈉創新能源完成了噸級材料產線。目前1000-3000噸級產線基本建成試運營,3000噸可以對應百萬輛愛瑪電動車。

        儲能和兩輪車市場適合鈉電池,車用動力市場還需觀察。鈉電池規?;a后成本低,同時安全性好,能量密度、循環壽命尚可,在儲能和兩輪車市場更有優勢。

        在動力領域,鈉電池優秀的低溫和快充性能是鋰電池的良好補充,但能量密度有一定差距,不過寧德時代提出在動力電池系統中將鋰電池和鈉電池混配并升級BMS的方案,可能會推動鈉電池在車載市場應用。

        3、國內企業已經開始布局,大規模產業化可能在2023年以后

        寧德時代電池產業優勢雄厚,已經推出鈉電池產品。公司已經發布第一代鈉電池產品,單體能量密度達160wh/kg,系統集成效率達80%,同時零下20度容量保持率90%,在常溫下充電15分鐘電量達到80%,綜合性能優秀。公司材料體系均為自身研發,采用普魯士白(鐵錳基氧化物,普魯士藍的升級版)和層狀氧化物作為正極,硬碳作為負極(克容量350mah/g)。未來下一代鈉電池能量密度目標突破200wh/kg。

        中科海鈉依托中科院物理所,鈉離子電池技術領先。中科海鈉成立于2017年,核心技術來源于中國科學院物理研究所清潔能源實驗室,是國內首家專注于鈉離子電池研發與生產的高新技術企業,公司擁有鈉離子電池核心專利15篇,在鈉離子電池全生產鏈各個環節已掌握具有完全自主研發的核心技術,目前已成功開發出的鈉離子電池能量密度達到145Wh/kg。2021年4月,華陽股份全資子公司新陽能源與中科海鈉合作,擬建設2000噸鈉離子電池正極材料和2000噸鈉離子電池負極材料項目。

        鈉創新能源團隊源于上海交大,產品覆蓋廣泛。鈉創新能源成立于2018年,其中,浙江醫藥參股40%,但不參與實際經營。公司核心團隊源自上海交大馬紫峰教授鈉離子電池技術研發團隊,首席科學家馬紫峰教授發表鈉離子電池相關文獻16篇,公司擁有30余項發明專利,涵蓋鈉離子電池正極材料、電解液、電池的設計制造以及系統集成與管理等。公司核心產品包括鐵基三元材料前驅體、鐵酸鈉基三元正極材料、鈉電電解液、電芯及系統應用產品等。2021年7月7日,愛瑪科技在經銷商大會上發布鈉離子電池,電池由鈉創新能源負責,未來將搭載在自己的電動兩輪車上。

        大規模產業化可能在2023年以后。目前國內鈉電池還沒有形成大規模的產業鏈,電池企業處于前期的電化學體系積累階段,材料主要依靠自身研發。未來隨著產品成熟度持續提升,國內鈉電池產業鏈可能逐步形成,根據寧德時代預計,可能在2023年以后。

        投資建議

        鈉電池工作原理與鋰電池類似,生產設備也基本兼容,材料體系有一定變化,鈉電池憑借能量密度和循環性能的優勢,有望在儲能和兩輪車等市場獲得商業應用。在車用動力電池領域,鈉電池優秀的低溫、快充、安全性是對鋰電池的補充,但能量密度和循環性能差距較大,不過寧德時代提出了動力電池中采用鋰電池和鈉電池混配輔以BMS升級的方案,有望推動鈉離子電池在交通領域應用。鈉離電池作為一種新的路線,其核心的原材料供應更大宗和普遍,有助于擺脫電池上游戰略資源瓶頸,能更好的滿足未來TWh時代電池技術多樣化需求,是鋰電池良好的補充,預計其規模的應用可能在2023年以后。

        推薦與關注:

        寧德時代:7月29日發布第一代鈉離子電池產品,已經完成前期的電化學體系積累。

        華陽股份(煤炭):間接持有中科海鈉1.66%的股權。

        浙江醫藥(化工):持有鈉創新能源40%股權。

        鼎盛新材(有色):鈉電池中銅箔改用鋁箔。

        風險提示

        1)鈉電池技術升級和推廣低于預期。鈉電池的能量密度、循環性能還有待提升,如果技術無法持續升級,可能導致推廣不及預期,下游應用空間比較有限。

        2)成本下降幅度低于預期。鈉離子電池理論成本會更低,但目前還沒有進入大規模量產階段,生產工藝和設備還不夠成熟,因而成本還比較高。若成本下降幅度低于預期,可能導致大規模商業化應用低于預期。


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