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钠电池行业简析

青岛幂加和私募基金管理有限责任公司 2022-07-28 本文章65阅读

核心观点

核心驱动力：全体系材料创新优化性能，元素成本+制造成本双向下降带来巨大降本空间，相比锂电池材料成本下降30%-40%。

核心矛盾点：材料体系尚未完全确定，产业化仍面临较大挑战。目前多种材料体系并行发展，性能仍待进一步提升。

现在正处于从0到1的关键节点：2023年各大钠电池企业中试线、规模产线陆续落地，将带来近10亿的市场空间。

应用方向：钠电池主要应用方向为储能，同时有望替代部分铅酸电池、锰酸锂与磷酸铁锂电池。

近期事件

① 2022年7月14日工业和信息化部发布了我国首批钠离子电池行业标准立项，赛西将联合中国科学院物理研究所、中科海钠、宁德时代等单位起草。

② 2022年3月21日，国家能源局发改委正式印发《“十四五”新型储能发展实施方案》，积极开展钠离子电池等关键储能技术研发。

③ 2021年7月29日，宁德时代发布了第一代钠离子电池和创新的锂钠混搭电池包。

钠锂本是同根生

1.原理相似：
钠与锂在元素周期表上属于同一主族。与锂离子电池（下文简称锂电池）一样，钠离子电池（下文简称钠电池）也是一种二次电池（充电电池），工作原理是摇椅式，依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。当钠电池充电时，钠离子从正极脱出，经过电解液和隔膜到达负极并嵌入，使正极电势高于负极，外电路电子从正极进入负极；放电过程则与之相反。

2.架构相似：
主要结构同样包括正极、负极、集流体、电解液和隔膜。

3.设备兼容：

正因为钠电池在架构方面与锂电池的高度相似，因此锂电的电池设计对于钠电池来说有很强的借鉴意义，二者可以实现在电池生产设备、工艺方面的兼容和产线的快速切换。这有助于加速钠电池的产业化进程。

由于钠原子半径比锂原子更大，钠离子在嵌入与脱出方面对材料的结构稳定性和动力学上都有更高的要求，锂电池用的石墨负极可以储锂，却不能储钠。

钠电池与锂电池的起点相同，但锂电池凭借在负极材料上的率先突破先进入了商业化阶段。在1980年代，锂电池石墨负极通过了性能测试，在90年代成功被索尼公司商业化，应用在便携式电子设备上，随着时间推移，人们发现了锂在能量密度上的优势，于是锂电池得以继续在动力电池和储能领域大放异彩。反观钠电池，在1980年代并没有找到适合储钠的负极材料，导致研究进展缓慢；直到2000年代在硬碳负极材料上取得了技术性突破，钠电池的发展得以顺利推行下去。

近年来二次电池需求持续提升，同时为了防范锂资源供给受到冲击，钠电池重获重视。中国作为锂电池生产大国，60-80%的锂电池由中国制造，但80%的锂资源仍依赖进口，全球70%的锂资源在南美洲，截至2022年7月碳酸锂价格仍维持在48万/吨左右的高位。为了防止锂资源卡脖子风险出现，不同技术路线的电池备受关注。如宁德时代于2021年发布了第一代钠电池，钠电池的产业化加速，有望在2023年落地商用，钠电池技术实现了从量变到质变。

近两年来，储能为钠电池打开了新的应用场景。储能电站对电池的安全性和成本要求较高，而钠电池技术的不断突破，使其具备了优良的安全性能、较低的成本、耐低温等优势，完美契合了储能电站的要求。目前，钠电池产品能量密度最高已达160Wh/kg，接近磷酸铁锂电池水平；同时，目前钠电池的性能和成本也能够匹配部分商用车以及中低速电动车等应用场景对其动力电池的要求，存在一定的替代需求。

1.正极的三条技术路线

正极材料与钠电池的能量密度、循环稳定性与安全性密切相关。目前是三条技术路线，分别是过渡金属层状氧化物、聚阴离子类化合物和普鲁士蓝类化合物。

从商业化应用的角度看，各家技术路线有所差异，采取层状氧化物路线的主要公司有中科海钠、钠创新能源和 Faradion。中科海钠在正极材料的最新创新是Cu基氧化物正极材料。

采取普鲁士蓝类路线的主要公司有宁德时代、星空钠电、Natron Energy等。其中宁德时代采用的普鲁士蓝类化合物——普鲁士白的特点是含钠量更高。

2.负极材料的技术路线选择：以无定形碳为主

目前的负极主流路线是无定形碳（软、硬碳）。除此之外，还有过渡金属化合物、合金类负极和有机化合物。其中金属化合物主要通过转化反应和合金化反应储钠，但循环过程中可能会造成体积膨胀，存在安全隐患。过渡金属化合物比容量偏低，有机化合物库伦效率低。

硬碳碳层排列规整度比软碳低，形成较多的微孔，方便钠离子的嵌入与脱出，储钠比容量高，循环相对稳定，但成本更高，国内企业与日本企业在硬碳上的产品力仍存在较大差距，国产价格8-15万元/吨，进口10-20万元/吨。

因此，低成本软碳材料和高性能硬碳材料形成中短期竞争格局，长期来看，硬碳将随规模效应减薄成本成为行业主流。目前中科海钠采取的是软碳负极，宁德时代采用的是硬碳负极。

3.集流体：铝箔替代铜箔增强低成本效应

由于钠电池负极不与铝发生合金化反应，可以使用成本相对低廉的铝箔。

4.电解液：沿用锂电池电解液体系

钠离子的stokes半径小，有望使用更低浓度电解液。目前添加剂仍属核心技术探索阶段。钠电池电解质包括水系、有机系和固态三类，其中常用的钠盐有：

NaPF 6 （六氟磷酸钠）：电化学性能比六氟磷酸锂更好，在PC基的电解液中导电率更高；相比于六氟磷酸锂，降本空间进一步打开。
NaCIO 4 （高氯酸钠）：离子迁移速度快，兼容性佳，成本低，但含水量高，易爆炸。

5. 正负极补钠剂：提升电池库伦效率与能量密度

由于钠电池在首次充放电的过程中会造成不可逆的钠损失，从而影响全电池的能量密度和库伦效率。此外钠离子原子半径较大，在负极碳层的嵌入与脱出也会造成钠损失，因此正极和负极均要补钠，对提升电池库伦效率与能量密度有显著作用。一般来说，正极补钠采用的是添加富钠物质，如钠的氧化物、有机钠盐的复配物等，负极补钠采用的则是钠粉添加剂等（如有磷化钠等）。

材料体系尚未完全确定，产业化仍面临较大挑战。

目前多种材料体系并行发展，正负极材料体系以及相配的电解液体系的性能仍待进一步提升，核心正负极等活性材料的规模化渠道仍然缺失。

制造工艺不成熟。

虽然钠电池与锂电池的生产设备兼容，但仍然存在区别，待进一步完善。

根据观研天下预测2025年钠电池渗透率达27%、民生证券预测20%、光大证券预测25%、海通证券和中金证券预测渗透率23%（2025年67.4GWh）的数据，机构普遍预测渗透率在20-30%之间，假设取中值25%， 2025年钠电池市场空间将达72GWh，市场规模为294亿元。

在EVTank、伊维经济研究院联合中国电池产业研究院共同发布的《中国钠离子电池行业发展白皮书（2022年）》中，根据钠电池电动二轮车、低速电动车、储能等应用场景对电池的需求量进行了测算。理论上，钠电池在100%渗透的情况下在2026年的市场空间可达到369.5GWh，其理论市场规模或将达到1500亿元。2025年的市场空间可达到290.1GWh，其理论市场规模或将达到1178亿元。

风险提示：
钠电池的实际运行效果须等2023年各大钠电池企业产能的实际落地情况，可能存在着实际运行效果和产业链配套不及预期的风险，同时也存在着下游储能需求放缓与新型储能技术不断迭代的威胁，需要我们时刻以发展的眼光看待产业链的最新变化。

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参考资料：
《工业和信息化部办公厅关于印发2022年第二批行业标准制修订和外文版项目计划的通知》，工业和信息化部，2022年7月14日；
《“十四五”新型储能发展实施方案》，国家发展改革委、国家能源局，2022年3月21日；
《中国钠离子电池行业发展白皮书（2022年）》，EVTank、伊维经济研究院联合中国电池产业研究院共同发布；
《钠离子电池科学与技术》（2020版），胡勇胜；
《储能深度系列：钠离子电池，锂资源不足的新解法》，中金公司，2022年5月24日；
《电力设备行业电池科技前瞻系列报告之二十三：凝望，钠破晓之晖》，中信建投，2022年7月18日；
《储能行业之钠电池研究报告：时机已至，花开在即》，中信证券，2022年7月15日；
《电力设备行业深度报告：钠离子电池厚积薄发，产业链加速布局》，兴业证券，2022年7月1日；
《钠离子电池：低成本优势，储能放量可期》，海通证券，2022年7月6日；

中科海钠、宁德时代等公司官网、Choice、Wind等。

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