鈉離子電池專題

鈉離子電池專題1.鈉電工藝復(fù)用率超80%，短期看好層狀金屬氧化物路線1.1.鈉電三條路線各有優(yōu)劣，層狀金屬氧化物發(fā)展最成熟鈉離子電池組成與鋰離子電池類似，主要由正極、負(fù)極、電解液、隔膜幾大部分組成。目前，常用的鈉離子正極材料主要為層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類似物三類。其中，層狀過渡金屬氧化物與鋰電三元材料類似，聚陰離子化合物則更接近磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)，普魯士藍(lán)是鈉電新增路線。短期層狀過渡金屬氧化物材料走在產(chǎn)業(yè)化最前列。與其他兩種路線相比，層狀氧化物路線發(fā)展最為成熟，產(chǎn)業(yè)傳導(dǎo)路徑順暢，最先具備產(chǎn)業(yè)化基本條件。層狀過渡金屬材料基本無短板，電化學(xué)性能在三者中最為優(yōu)異，理論比容量最高（~240mAh/g）。且由于其合成方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原料來源廣，是最具潛力的鈉離子電池正極材料之一。包括中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源在內(nèi)的多家鈉離子電池公司優(yōu)先選擇此條電池路線。2022年末，中科海鈉1GWh鈉離子量產(chǎn)線投產(chǎn)，將帶領(lǐng)層狀過渡金屬氧化物材料成為最先產(chǎn)業(yè)化的鈉電材料。長(zhǎng)期三路徑或并行發(fā)展。長(zhǎng)期來看，其他兩路徑各有優(yōu)劣。聚陰離子化合物路線表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性、安全性和循環(huán)性，但其比容量低，導(dǎo)電性差，材料較貴。而普魯士藍(lán)化合物合成成本很低，比容量較高（~170mAh/g），快充性能優(yōu)異，但結(jié)構(gòu)中結(jié)晶水難以去除，存在一定的安全隱患。如果未來兩類材料限制因素得到改善，有望形成三足鼎立、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)新局面。1.2.層狀金屬氧化物路線無短板，制備工藝承襲鋰電三元比容量高，綜合性能無短板。層狀過渡金屬氧化物（NaxMO2）結(jié)構(gòu)同鋰離子三元材料類似，由過渡金屬層和堿金屬層交替排布。該路線比容量最高，壓實(shí)密度存在顯著優(yōu)勢(shì)，具備制備較高能量密度鈉離子電池潛能。與三元鋰電材料相比，大體積的Na+在層狀結(jié)構(gòu)中的脫嵌過程往往會(huì)對(duì)材料結(jié)構(gòu)造成不可逆改變（~23%），從而影響材料循環(huán)性能，需要通過元素?fù)诫s等方法加以改性。從材料角度，層狀過渡金屬氧化物材料無明顯短板，適用于各領(lǐng)域儲(chǔ)能需求。P2型層狀過渡金屬氧化物潛力亮眼。層狀過渡金屬氧化物以O(shè)3型（八面體型）和P2型（三棱柱型）為主流。O3型結(jié)構(gòu)容量保持率低，但Na+含量高，能量密度高。P2型結(jié)構(gòu)則與之互補(bǔ)，循環(huán)性能較好，而比容量受到限制。由于P2型結(jié)構(gòu)空氣穩(wěn)定性更好，在安全性、倍率性能上存在優(yōu)勢(shì)，未來可能成為兼具比容與安全的鈉電優(yōu)選路線。層狀金屬氧化物工藝易于放大，液相法與鋰電三元工藝大同小異。層狀金屬氧化物作為發(fā)展最為成熟的路線，制備過程簡(jiǎn)單，易于放大，從技術(shù)端向產(chǎn)業(yè)端傳導(dǎo)更順暢。目前產(chǎn)業(yè)化層狀金屬氧化物鈉離子電池工藝主要有液相法與固相法兩類，其中，除原材料和具體工藝參數(shù)外，液相法與鋰電三元正極材料制備工藝高度一致，鋰電設(shè)備復(fù)用率高，易于鈉離子電池的迅速產(chǎn)業(yè)化。固相法與液相法相比，無需前驅(qū)體制備步驟，但燒結(jié)溫度更高。1.3.聚陰離子材料高循環(huán)高成本，核心工藝復(fù)用鋰電高穩(wěn)定性聚陰離子材料短板在能量密度與成本。聚陰離子化合物結(jié)構(gòu)式為NaxMy[(XOm)n-]z（M為可變價(jià)態(tài)的過渡金屬，X為P、S、V、Si等元素）。該結(jié)構(gòu)中，X的氧多面體與過渡金屬通過共用頂點(diǎn)的方式構(gòu)成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，Na+儲(chǔ)存在這些框架之中。這種穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)賦予了這類電極材料高度結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)穩(wěn)定性，循環(huán)壽命可以做到10000次以上。其中，包括磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉在內(nèi)的NASICON（Nasuperionicconductor，Na+快離子導(dǎo)體材料）材料性能最為優(yōu)異，Na+傳輸速率達(dá)10-11cm2/s，比其他鈉離子正極快3-6個(gè)數(shù)量級(jí)。但龐大的陰離子基團(tuán)使其比容量低且電子導(dǎo)電性較差，需要加入大量的碳進(jìn)行包覆，而此工藝又拉低了其振實(shí)密度，使其全電池能量密度不盡理想。除此以外，所用到的釩元素較貴且有毒，難以體現(xiàn)鈉離子電池的低成本特性。主流制備工藝高度類似，新興球磨法賦予材料降本可能。目前，磷酸鐵鋰制備工藝主要包括以德方納米為首的溶膠凝膠法和大多數(shù)廠家所采用的高溫固相法。溶膠凝膠法工藝產(chǎn)品一致性更高，但對(duì)工藝要求較高，合成難度更大。高溫固相法則與之相反，設(shè)備和合成工藝簡(jiǎn)單，制備條件容易控制，但對(duì)產(chǎn)品批次的一致性則稍差。在鈉電生產(chǎn)工藝中，兩種方法具備與磷酸鐵鋰工藝相似性質(zhì)，而兩種方法均需用到高溫?zé)Y(jié)法。近期，中科院過程所采用新型一步機(jī)械法工藝，實(shí)現(xiàn)原位碳骨架構(gòu)建，強(qiáng)化界面反應(yīng)，將液相法的7天生產(chǎn)時(shí)間縮短至30分鐘，并已與中科海鈉合作，放大到商業(yè)26650圓柱電池中。該工藝為聚陰離子材料的降本提供了可能。1.4.普魯士藍(lán)成本低比容高，工藝與鋰電差異顯著普魯士藍(lán)類似物優(yōu)缺點(diǎn)兩極化。普魯士藍(lán)類似物結(jié)構(gòu)式為NaxM1[M2(CN)6]y□1-y·zH2O，M1和M2一般為過渡金屬元素，□為由于失去M2(CN)6基團(tuán)造成的空位，一般被結(jié)合水及間隙水占據(jù)。普魯士藍(lán)類似物具有開放的三維空間結(jié)構(gòu)，制備溫度低，比容量高，循環(huán)性能優(yōu)異，且原料成本遠(yuǎn)低于其他兩條路線。Na+在其中的擴(kuò)散速率高達(dá)到10-9~10-8cm2/s。但普魯士藍(lán)類似物中的結(jié)晶水難以去除（約15%），長(zhǎng)期使用可能影響電池循環(huán)穩(wěn)定性。一旦結(jié)晶水進(jìn)入有機(jī)電解液，將帶來短路風(fēng)險(xiǎn)。除此以外，普魯士藍(lán)路線中用到的氰化物有毒，生產(chǎn)制備存在安全隱患。普魯士藍(lán)類似物工藝放大難度大。普魯士藍(lán)類材料主流制備工藝為螯合劑輔助共沉淀法，通過加入螯合劑（如檸檬酸鈉），降低反應(yīng)速度，以形成完整晶體結(jié)構(gòu)，降低結(jié)晶水含量，增加鈉含量。但與其他兩條路線所采用的固體燒結(jié)工藝來說，普魯士藍(lán)工藝放大難度更大。且與現(xiàn)行鋰電生產(chǎn)工藝不同，普魯士藍(lán)類鈉電材料需要搭建全新產(chǎn)線。2.層狀金屬氧化物材料機(jī)會(huì)在錳端，2030年鈉電耗錳突破21萬噸2.1.層狀體系用錳確定，錳單耗980~1000噸/GWh層狀金屬氧化物路線中用錳確定。同NCM三元材料中確定的元素組成333、523、622、或811不同，目前，層狀金屬氧化物路線所用過渡金屬元素尚未定型，且占比各有不同。目前商業(yè)化鈉離子電池中常用過渡金屬元素包括錳、鐵、鎂、鈦、鎳、銅等諸多元素。其中，錳由于在地殼中含量豐富、價(jià)格便宜、價(jià)態(tài)多樣，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，在各商業(yè)體系中均不同程度使用到，為鈉電層狀體系最確定元素路線之一。2.2.電解二氧化錳與高純硫酸錳之爭(zhēng)：電解二氧化錳具成本優(yōu)勢(shì)電解二氧化錳與電池級(jí)硫酸錳為層狀金屬氧化物所需錳原料兩大主材。錳礦按品味可分為冶金用錳礦石與化工用錳礦石兩類，冶金用錳礦主要用于煉鋼和冶金行業(yè)，而化工用錳礦石中，用硫酸浸出錳礦石經(jīng)電解、除雜、氧化等工藝后則可用于制備各類高純錳化合物。鈉電所用到的錳原材料同三元前驅(qū)體或錳酸鋰所需原料類似。根據(jù)制備方法不同，層狀金屬氧化物可以通過電池級(jí)硫酸錳制備多元前驅(qū)體，再燒結(jié)而成，也可以直接通過電解二氧化錳直接燒結(jié)而成。例如，目前中科海鈉主要采用二氧化錳固相法直接燒結(jié)，而鈉創(chuàng)新能源則選取通過高純硫酸錳共沉淀的液相法進(jìn)行層狀金屬氧化物的制備。以中科海鈉銅鐵錳路線為例，錳礦單耗約為750~1000噸/GWh，電解二氧化錳單耗為1200~1600噸/GWh，硫酸錳晶體單耗為2000~2600噸/GWh。成本角度電解二氧化錳為最優(yōu)解。同液相法相比，固相法工藝流程更簡(jiǎn)單，但同時(shí)需要解決燒結(jié)時(shí)電池材料的一致性、均勻性問題。從成本角度，所需高純硫酸錳質(zhì)量是電解二氧化錳的1.7倍，而一般情況下電解二氧化錳價(jià)格僅為高純硫酸錳1.4~1.6倍。中短期電解二氧化錳固相法制備層狀金屬氧化物型鈉離子電池更具成本優(yōu)勢(shì)。此外，中科海鈉采用固相法率先量產(chǎn)也將為電解二氧化錳的需求提升提供確定性。2.3.2030年全球鈉離子電池需求達(dá)292GWh,耗錳量突破22萬噸2030年鈉離子電池全球市場(chǎng)耗錳量為22.5萬噸。鈉離子電池目前適用場(chǎng)景仍以儲(chǔ)能與兩輪車為主。在電動(dòng)兩輪車新國(guó)標(biāo)鉛酸改鋰需求背景下，鈉離子電池比錳酸鋰電池更具高能量密度與循環(huán)性能優(yōu)勢(shì)，無需與三元電池搭配使用，且成本不受鋰價(jià)波動(dòng)影響，預(yù)計(jì)在電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)將占據(jù)較大優(yōu)勢(shì)。根據(jù)鈉離子電池目前已披露擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃測(cè)算，至2025年，保守估計(jì)國(guó)內(nèi)鈉離子電池出貨量為30Gwh，全球出貨量為36GWh，全球耗錳量為2.8萬噸。至2030年，隨著鈉離子電池規(guī)模化程度提升，我們測(cè)算價(jià)格將降低至0.38元/wh，比磷酸鐵鋰電池低31%左右。因此，2030年鈉離子電池有望在儲(chǔ)能市場(chǎng)及兩輪車市場(chǎng)快速滲透，如在5G通信電站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等儲(chǔ)能市場(chǎng)，及在兩輪車市場(chǎng)替代鉛酸電池甚至錳酸鋰電池，假設(shè)鈉離子電池在全球儲(chǔ)能市場(chǎng)與電動(dòng)兩輪車市場(chǎng)的滲透率分別達(dá)到15%與40%，預(yù)計(jì)總耗錳量將達(dá)22.5萬噸，消耗電解二氧化錳35.6萬噸。3.鈉電拉動(dòng)錳加工端快速增長(zhǎng)，高純硫酸錳與EMD有望進(jìn)入景氣周期3.1.上游原材料錳礦消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以鋼鐵為主，電池需求占比低錳礦需求以鋼鐵為主，2030年電池耗錳量約占2.7%。當(dāng)前，錳下游消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以鋼鐵冶金為主，中國(guó)鋼鐵耗錳量占到約90%。根據(jù)測(cè)算，當(dāng)前二次電池產(chǎn)業(yè)占比僅0.3%，且主要以錳酸鋰電池為主。隨著三元鋰電池的快速發(fā)展、新型磷酸錳鐵鋰電池?cái)U(kuò)產(chǎn)計(jì)劃落地、及層狀金屬氧化物鈉離子電池率先量產(chǎn)，將拉動(dòng)上游錳礦需求。至2030年，二次電池錳消費(fèi)預(yù)計(jì)將提升至錳總消費(fèi)結(jié)構(gòu)的2.7%。3.2.2030年EMD需求超過100萬噸，鈉離子電池為其第一大需求拉動(dòng)因素電解二氧化錳中長(zhǎng)期受鈉離子電池及錳酸鋰?yán)瓌?dòng)，2030年鈉電需求突破30萬噸。近年受下游電動(dòng)二輪車市場(chǎng)需求拉動(dòng)，錳酸鋰電池需求量上漲，電解二氧化錳產(chǎn)量隨之提升。與錳酸鋰電池1000次循環(huán)相比，120wh/kg級(jí)的鈉離子電池目前循環(huán)性能已經(jīng)達(dá)到4000次及以上，因此，鈉離子電池除了可以同錳酸鋰電池一樣應(yīng)用于小動(dòng)力領(lǐng)域外，也可以應(yīng)用到對(duì)循環(huán)要求較高的儲(chǔ)能領(lǐng)域，具備更廣闊的市場(chǎng)空間。如果鈉離子電池采用固相法制備，中長(zhǎng)期預(yù)計(jì)將超越錳酸鋰電池對(duì)電解二氧化錳的快速拉動(dòng)作用，在2030年帶來36.4萬噸的電解二氧化錳需求，電解二氧化錳市場(chǎng)總需求超過100萬噸。電解二氧化錳行業(yè)向好，2018-2021年間龍頭企業(yè)穩(wěn)步擴(kuò)產(chǎn)。當(dāng)前，EMD供應(yīng)格局較為集中，湘潭電化和南方錳業(yè)兩大龍頭企業(yè)市占率接近60%。電解二氧化錳通過電解錳礦石直接制備，電解為其關(guān)鍵技術(shù)壁壘。與高純硫酸錳相比，電解二氧化錳行業(yè)技術(shù)難度更大，擴(kuò)產(chǎn)周期更長(zhǎng)（1-1.5年），萬噸投資額高達(dá)1億元。2018年起受下游需求拉動(dòng)，電解二氧化錳毛利潤(rùn)水平持續(xù)增長(zhǎng)，以南方錳業(yè)為例，近5年實(shí)現(xiàn)單噸毛利潤(rùn)翻倍增長(zhǎng)。電解二氧化錳龍頭廠商開展一輪擴(kuò)產(chǎn)風(fēng)潮，湘潭電化近5年平均擴(kuò)產(chǎn)節(jié)奏為1萬噸/年，南方錳業(yè)通過收購寧波大錳后，憑借匯元錳業(yè)一躍成為中國(guó)最大電解二氧化錳供應(yīng)商，年產(chǎn)能達(dá)到15萬噸。但目前，電解二氧化錳廠商對(duì)需求是否持續(xù)呈觀望態(tài)度，未來擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃很少。3.3.高純硫酸錳主要受三元拉動(dòng)，企業(yè)堅(jiān)定擴(kuò)產(chǎn)步伐高純硫酸錳主要增速在三元電池端，預(yù)計(jì)2030年需求接近80萬噸。高純硫酸錳是鋰電NCM三元材料主要原材料之一，受鋰電需求拉動(dòng)，高純硫酸錳近年需求快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2030年，假設(shè)NCM電池滲透率為60%，三元電池對(duì)高純硫酸錳需求量接近80萬噸，2020-2030年復(fù)合增長(zhǎng)率37%。高純硫酸錳擴(kuò)產(chǎn)正當(dāng)時(shí)。當(dāng)前高純硫酸錳競(jìng)爭(zhēng)格局較為分散，受三元鋰電確定性需求拉動(dòng)，多家企業(yè)已經(jīng)開啟擴(kuò)產(chǎn)步伐。如原高純硫酸錳龍頭大龍匯成2023年將擴(kuò)產(chǎn)至20萬噸/年，欽州代表南海化工也將在2023年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)10萬噸高純硫酸錳產(chǎn)線建設(shè)。當(dāng)前，高純硫酸錳主流工藝分為電解錳錳片直接酸溶制備及錳礦粉溶解提純法兩大類。電解錳制備法工藝簡(jiǎn)單，但利潤(rùn)直接受錳片價(jià)格影響。2021年受電解錳供給側(cè)改革、西南地區(qū)限產(chǎn)限電影響，電解錳價(jià)格暴漲，原材料成本占高純硫酸錳成本的80%以上，迫使多家廠家停產(chǎn)或轉(zhuǎn)產(chǎn)。因此，高純硫酸錳短期會(huì)面臨結(jié)構(gòu)性緊缺風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，全球最大電解金屬錳企業(yè)寧夏天元?jiǎng)t宣布建設(shè)年產(chǎn)100萬噸高純硫酸錳項(xiàng)目，建成投產(chǎn)后，寧夏天元錳業(yè)將成為國(guó)內(nèi)及至全球最大的高純硫酸錳生產(chǎn)企業(yè)。寧夏天元穩(wěn)定的原料供給、簡(jiǎn)單的后續(xù)處理工藝將對(duì)其利潤(rùn)起到支撐作用，疊加高純硫酸錳投產(chǎn)周期短（約半年），預(yù)計(jì)將快速對(duì)高純硫酸錳行業(yè)格局造成沖擊。4.鈉離子電池正極產(chǎn)業(yè)鏈布局順暢，推動(dòng)上游龍頭新能源轉(zhuǎn)型4.1.鈉離子電池企業(yè)陸續(xù)中試落地2022年年底將是鈉離子電池第一個(gè)量產(chǎn)節(jié)點(diǎn)。2021年下半年以來，鈉離子電池企業(yè)如雨后春筍般陸續(xù)成立。包括湖南立方、眾鈉能源在內(nèi)的部分企業(yè)率先完成中試，送樣客戶滿意度高，并開始下一步量產(chǎn)線建設(shè)。預(yù)計(jì)2022年年底將是鈉離子電池量產(chǎn)的里程碑，包括中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源在內(nèi)的第一批量產(chǎn)鈉離子電池將受到市場(chǎng)檢驗(yàn)。4.2.鋰電正極企業(yè)伺機(jī)而動(dòng)鋰鈉可互切加速鈉電產(chǎn)業(yè)鏈布局。鋰電正極龍頭已開始探索鈉離子電池。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已有超過10家正極材料企業(yè)著手研發(fā)鈉離子電池技術(shù)，或公開表示具備鈉離子電池技術(shù)儲(chǔ)備。走在產(chǎn)業(yè)化前列的包括容百科技、振華新材和邦普循環(huán)，其中，容百科技已具備噸級(jí)正極供應(yīng)能力，振華新材和邦普循環(huán)則進(jìn)入中試階段。鈉電與鋰電產(chǎn)線便捷切換無疑為鋰電廠商的探索敞開大門，鈉電產(chǎn)業(yè)鏈布局得以加速推進(jìn)。4.3.重點(diǎn)企業(yè)分析鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈同鋰離子電池高度類似，關(guān)鍵格局變化在上游。錳深加工行業(yè)或重新洗牌，電解二氧化錳龍頭迎來新增長(zhǎng)。4.3.1.

湘潭電化公司煥發(fā)電解二氧化錳新生，延鏈布局鞏固龍頭優(yōu)勢(shì)。公司是湘潭市國(guó)資委下屬控股企業(yè)，于2007年在深圳證券交易所上市。湘潭電化作為電解二氧化錳行業(yè)歷史最悠久的企業(yè)，已在行業(yè)深耕60多年，具備多型號(hào)電解二氧化錳研發(fā)與生產(chǎn)豐富經(jīng)驗(yàn)，在一次電池型二氧化錳品控上具備較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。2017年起，受錳酸鋰市場(chǎng)拉動(dòng)，電解二氧化錳需求放量，公司積極將主營(yíng)產(chǎn)品電解二氧化錳從一次電池領(lǐng)域拓展到二次電池領(lǐng)域，帶動(dòng)了公司整體營(yíng)收快速增長(zhǎng)，EMD產(chǎn)能利用率從2015年60%迅速提升到90%及以上。錳酸鋰型二氧化錳在毛利上也具有較大優(yōu)勢(shì)，2021年單噸毛利達(dá)到2200元/噸，實(shí)現(xiàn)公司歷史最佳。目前，公司電解二氧化錳年產(chǎn)能達(dá)到12.2萬噸，上游錳礦資源已取得一個(gè)采礦權(quán)（5萬噸/年）一個(gè)探礦權(quán)（儲(chǔ)量62.77萬噸）。湘潭電化同時(shí)積極向電解二氧化錳下游布局，2021年尖晶石型錳酸鋰電池毛利達(dá)到8238元/噸，試生產(chǎn)效果良好，在一期2萬噸完全投產(chǎn)后，將視市場(chǎng)增加1萬噸