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钠电池是锂电池的良好补充,产业化开始加快

作者: 沈阳蓄电池研究所新闻中心 来源:游家训团队 电新产业研究

钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,材料体系有一定变化,钠电池凭借能量密度和循环性能的优势,有望在储能和两轮车等市场获得商业应用。在车用动力电池领域,钠电池优秀的低温、快充、安全性是对锂电池的补充,但能量密度和循环性能差距较大,不过宁德时代提出了动力电池中采用锂电池和钠电池混配辅以BMS升级的方案,有望推动钠离子电池在交通领域应用。钠离电池作为一种新的路线,其核心的原材料供应更大宗和普遍,有助于摆脱电池上游战略资源瓶颈,能更好的满足未来TWh时代电池技术多样化需求,是锂电池良好的补充,预计其规模的应用可能在2023年左右或以后。

摘要

钠电池简介。钠电池工作原理与锂电池类似,同时生产设备也基本兼容。不过材料体系有较大变化,正极一般采用普鲁士白和层状氧化物,负极选用硬碳,集流体均采用铝箔,隔膜和电解液没有大的变化。性能方面,钠电池在低温性能、安全性、成本(大规模量产后)方面具备优势,能量密度和循环性能均介于锂电池和铅酸电池之间。

钠电池作为锂电池的补充,主要应用市场在储能等领域。钠电池的能量密度、循环寿命优于铅酸电池,同时具备较强的安全性和较低的成本。根据产业反馈,目前钠电池主要开始应用在储能和两轮车领域替代铅酸电池。在动力领域,钠电池优秀的低温和快充性能是锂电池的良好补充,但能量密度有一定差距,不过宁德时代提出在动力电池系统中将锂电池和钠电池混配并升级BMS的方案,可能会推动钠电池在车载市场应用。

钠电池对保障供应链安全有战略意义。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,且开发有一定难度,我国锂矿主要依赖进口,镍资源也主要在海外,资源供应可能是锂电池产业进一步壮大后将面临的潜在约束之一。而钠资源储量丰富、分布广泛,且更容易获取,钠电池的研发储备和产业化对保障我国电池产业战略资源供给安全具有重要意义。在未来TWh的电池生态中,钠电池应该会有一席之地。

产业化可能在未来几年。国内具有比较成熟的钠电池生产研发能力的企业主要是宁德时代、中科海纳、钠创新能源。宁德时代的第一代产品单体能量密度达160wh/kg,系统集成效率达80%,零下20度容量保持率90%,在常温下充电15分钟电量达到80%,综合性能优异。目前国内钠电池产业化刚起步,供应链还没形成,钠电池材料主要依靠电池公司自身研发。随着产品迭代和提升,电池产业应用可能进一步加快,根据宁德时代估计,钠电池规模应用可能在2023年左右或以后。

投资建议:继续推荐宁德时代,其余关注华阳股份(煤炭)、浙江医药(化工)、鼎盛新材(招商有色)。

风险提示:钠电池技术升级和推广低于预期、成本下降幅度低于预期。

1、钠离子电池简介

1.1钠离子电池工作原理

钠离子工作原理与锂离子电池类似。钠离子电池作为充电电池的一种,主要由正、负极、电解质、隔膜、集流体等组成。其工作原理是利用钠离子在正负极之间的可逆脱嵌从而实现充、放电的,与锂电池类似。

钠离子电池的分类。钠离子电池可分为钠硫电池、水系钠离子电池、有机钠离子电池、固态钠离子电池。钠硫电池主要以金属钠作为负极、非金属硫作为正极、β-A12O3陶瓷管同时充当电解质和隔膜,是目前唯一同时具备大容量和高能量密度的储能电池。截止2020年,全球从事钠离子电池工程化的公司超过20家,包括松下、丰田等。2017年,我国首家钠离子电池公司中科海钠成立,依托中国科学院物理研究所的技术,目前在技术开发和产品生产上都初具规模。

1.2 材料体系与锂电池有所不同

相比锂电池,钠离子电池材料使用有差异。

钠离子电池中,

正极材料:使用钠离子的活性材料,常见的包括普鲁士蓝、铜铁锰或镍铁锰层状氧化物,需具有良好的电化学性、化学稳定性、热稳定性、安全性,以此保证较高的理论比容量和电池循环寿命;

负极材料:由于钠的半径较大,并不能在石墨层中可逆的脱嵌,因此一般选择具备嵌入钠离子的能力强、体积变形小、扩散通道好、化学稳定性好等特点的硬碳材料。

电解质和隔膜:可以沿用锂电池体系中的材料,但电解液中的六氟磷酸锂需要换成六氟磷酸钠。

集流体:由于锂电池主要以石墨作为负极,铝箔作为负极集流体在低电位下易与锂形成合金,因此需使用铜集流体,而钠离子正负极均可使用价格较低铝箔作为集流体。

1.3 钠资源储量丰富,成本有望继续下降

钠资源储量丰富。钠资源储量丰富,地壳丰度可达2.74%,价格低廉且提炼简单。而锂储量仅0.0065%,主要分布于澳大利亚、南美地区。

钠离子电池对保障我国资源供给具有重要战略意义。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,且开发有一定难度,我国锂矿主要依赖进口,镍资源也主要在海外,资源供应可能是锂电池产业进一步壮大后将面临的潜在约束之一。而钠资源储量丰富、分布广泛,且更容易获取,钠电池的研发储备和产业化对保障我国电池产业战略资源供给安全具有重要意义。在未来TWh的电池生态中,钠电池应该会有一席之地。

钠离子电池成本有望继续下降。钠电池外形封装(圆柱、软包、方形)与锂电池相同,同时锂电池的生产设备大多可以兼容钠离子电池,原始设备成本支出与锂电池相当。材料中,除隔膜外,钠离子电池的正、负极、电解液、集流体的价格较锂电池材料低。

不过,由于钠离子电池制备工艺不够成熟、生产设备仍有待改善,生产效率较低且产品一致性及良品率均低,目前的生产成本明显高于锂离子电池。但未来当技术成熟实现规模化效应后,其降本空间更大。

2、钠电池作为锂电池的补充,主要应用市场在储能等领域

2.1 钠离子电池产品性能分析

有望逐步替代铅酸电池,是锂电池的良好补充。钠离子电池的能量密度、循环寿命优于铅酸电池,但低于锂离子电池。对比铅酸电池,同等容量的下,钠离子电池的体积小、重量轻,且能量密度超过铅酸电池的2倍以上。同时,相比于锂离子电池,钠离子电池的内阻比锂离子电池高,发生短路时发热量少温度较低,且在放电过程中可可放电至0V,因此钠离子电池较锂离子电池的安全性能更加优异。未来首先可能取代铅酸电池并逐步实现低速电动车、储能等领域的无铅化发展。

在钠离子电池储能与动力领域,国内企业中科海钠处于产品研发生产的领先地位。目前研发的产品覆盖了电动自行车、低速电动车、规模储能等领域,均可在零下20℃至55℃工作。中科海钠电池使用的技术路线是铜铁锰,生产的钠离子电池循环寿命约为4500次,与磷酸铁锂相当,优于锰酸锂和三元材料;能量密度高于145Wh/kg,与锰酸锂接近。钠创新能源致力于做镍铁锰正极材料(NaNi1/3Fe1/3Mn1/3Q2),即三元层状氧化物正极-硬碳负极体系的钠离子软包电芯,循环寿命约为5000次。

2.2 目前的商业化应用主要在储能和两轮车

储能是钠离子电池主要的应用场景。2021年6月,由山西新阳清洁新能源与中科海钠主导的1MWh钠离子储能系统在山西落地。其利用阳泉储量丰富、成本低廉的无烟煤作为前驱体,采用中科院全球首创的碳基负极材料生产技术和正极廉价原料加工工艺生产,具有成本最低、安全性能高、低温性能良好、循环寿命长等特点,可广泛应用于低速电动车、家庭储能、5G通讯基站等大规模储能装置。

钠离子电池打入两轮电动车市场。2021年7月7日,国内第二大电动两轮车爱玛科技在发布会上表示将使用钠离子电池搭载在未来旗下的电动两轮车上,其钠离子电池由钠创新能源提供。2019年,钠创新能源完成了吨级材料产线。目前1000-3000吨级产线基本建成试运营,3000吨可以对应百万辆爱玛电动车。

储能和两轮车市场适合钠电池,车用动力市场还需观察。钠电池规模化生产后成本低,同时安全性好,能量密度、循环寿命尚可,在储能和两轮车市场更有优势。

在动力领域,钠电池优秀的低温和快充性能是锂电池的良好补充,但能量密度有一定差距,不过宁德时代提出在动力电池系统中将锂电池和钠电池混配并升级BMS的方案,可能会推动钠电池在车载市场应用。

3、国内企业已经开始布局,大规模产业化可能在2023年以后

宁德时代电池产业优势雄厚,已经推出钠电池产品。公司已经发布第一代钠电池产品,单体能量密度达160wh/kg,系统集成效率达80%,同时零下20度容量保持率90%,在常温下充电15分钟电量达到80%,综合性能优秀。公司材料体系均为自身研发,采用普鲁士白(铁锰基氧化物,普鲁士蓝的升级版)和层状氧化物作为正极,硬碳作为负极(克容量350mah/g)。未来下一代钠电池能量密度目标突破200wh/kg。

中科海钠依托中科院物理所,钠离子电池技术领先。中科海钠成立于2017年,核心技术来源于中国科学院物理研究所清洁能源实验室,是国内首家专注于钠离子电池研发与生产的高新技术企业,公司拥有钠离子电池核心专利15篇,在钠离子电池全生产链各个环节已掌握具有完全自主研发的核心技术,目前已成功开发出的钠离子电池能量密度达到145Wh/kg。2021年4月,华阳股份全资子公司新阳能源与中科海钠合作,拟建设2000吨钠离子电池正极材料和2000吨钠离子电池负极材料项目。

钠创新能源团队源于上海交大,产品覆盖广泛。钠创新能源成立于2018年,其中,浙江医药参股40%,但不参与实际经营。公司核心团队源自上海交大马紫峰教授钠离子电池技术研发团队,首席科学家马紫峰教授发表钠离子电池相关文献16篇,公司拥有30余项发明专利,涵盖钠离子电池正极材料、电解液、电池的设计制造以及系统集成与管理等。公司核心产品包括铁基三元材料前驱体、铁酸钠基三元正极材料、钠电电解液、电芯及系统应用产品等。2021年7月7日,爱玛科技在经销商大会上发布钠离子电池,电池由钠创新能源负责,未来将搭载在自己的电动两轮车上。

大规模产业化可能在2023年以后。目前国内钠电池还没有形成大规模的产业链,电池企业处于前期的电化学体系积累阶段,材料主要依靠自身研发。未来随着产品成熟度持续提升,国内钠电池产业链可能逐步形成,根据宁德时代预计,可能在2023年以后。

投资建议

钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,材料体系有一定变化,钠电池凭借能量密度和循环性能的优势,有望在储能和两轮车等市场获得商业应用。在车用动力电池领域,钠电池优秀的低温、快充、安全性是对锂电池的补充,但能量密度和循环性能差距较大,不过宁德时代提出了动力电池中采用锂电池和钠电池混配辅以BMS升级的方案,有望推动钠离子电池在交通领域应用。钠离电池作为一种新的路线,其核心的原材料供应更大宗和普遍,有助于摆脱电池上游战略资源瓶颈,能更好的满足未来TWh时代电池技术多样化需求,是锂电池良好的补充,预计其规模的应用可能在2023年以后。

推荐与关注:

宁德时代:7月29日发布第一代钠离子电池产品,已经完成前期的电化学体系积累。

华阳股份(煤炭):间接持有中科海钠1.66%的股权。

浙江医药(化工):持有钠创新能源40%股权。

鼎盛新材(有色):钠电池中铜箔改用铝箔。

风险提示

1)钠电池技术升级和推广低于预期。钠电池的能量密度、循环性能还有待提升,如果技术无法持续升级,可能导致推广不及预期,下游应用空间比较有限。

2)成本下降幅度低于预期。钠离子电池理论成本会更低,但目前还没有进入大规模量产阶段,生产工艺和设备还不够成熟,因而成本还比较高。若成本下降幅度低于预期,可能导致大规模商业化应用低于预期。


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