新能源前沿技術(shù)深度研究（一）：鈉離子電池專題報(bào)告吐故“鈉”新分庭抗“鋰”

新興能源增持細(xì)分行業(yè)評(píng)級(jí)新興能源增持細(xì)分行業(yè)評(píng)級(jí)6.21新能源前沿技術(shù)深度研究(一)相關(guān)報(bào)告新興能源《大尺寸電池迎拐點(diǎn)，新電池技術(shù)將落地》2022.06.19新興能源《CTP與CTC引領(lǐng)行業(yè)變革》2022.06.15新興能源《5月供應(yīng)改善明顯，6月需求有望躍升》2022.06.132022.06.11新興能源《政策點(diǎn)評(píng)《關(guān)于進(jìn)一步推動(dòng)新新型儲(chǔ)能獨(dú)立市場(chǎng)地位確立，市場(chǎng)機(jī)制進(jìn)一步完善》2022.06.10證書編號(hào)龐鈞文(分析師)03ascomS0880517120001石巖(分析師)068S519080001本報(bào)告導(dǎo)讀：商用的前夕。池充分受益：1)電池企業(yè)：目前來(lái)看國(guó)內(nèi)上市公司層面寧德業(yè)同樣取得不錯(cuò)進(jìn)展；2)材料層面一方面是負(fù)極集流體采用鋁箔使有效補(bǔ)充，部分替代。目前鈉離子電池的理論能量密度和循環(huán)性能的和投資價(jià)值。前瞻布局，綜合評(píng)價(jià)。目前鈉離子電池的技術(shù)路線較多，孰優(yōu)孰劣美，還在持續(xù)不斷例如水系鈉離子電池、固態(tài)鈉離子電池等新技術(shù)。博士后徐程超對(duì)于本文的貢獻(xiàn)請(qǐng)務(wù)必閱讀正文之后的免責(zé)條款部分行業(yè)專題研究證券研究報(bào)告股票研究行業(yè)專題研究2of2of30 1.1.基本概念與歷史背景：鋰電的“孿生兄弟” 3 1.3.2.電池裝配成組：裝配工藝和外觀分類與鋰離子電池相同.16 21 行業(yè)專題研究ofof01.技術(shù)簡(jiǎn)介：鈉電的前世今生1.1.基本概念與歷史背景：鋰電的“孿生兄弟”快速發(fā)展，但這些自然能源具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，以及較強(qiáng)的地理依賴性。為解決新能源發(fā)電在時(shí)間和空間上的局限，提高新能源的利用率，儲(chǔ)能技術(shù)的重要性日益凸顯。按照對(duì)電能的轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)存方式，儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能與電化學(xué)儲(chǔ)能。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能包括二次電池技術(shù)和超級(jí)電容器等，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快的特。圖1：新能源儲(chǔ)能技術(shù)二次電池，也稱可充電電池或蓄電池，是一種利用可逆化學(xué)反應(yīng)，能夠二次電池儲(chǔ)存能量的能力，用能量密度(也稱比能量)來(lái)體現(xiàn)，即單位質(zhì)量或體積的電池能夠輸出的總能量，它是比容量與平均放電電壓的乘積。比容量理論上由參與電極反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量和得失電子數(shù)決定，因此電荷載體的荷質(zhì)比越大，則電池的理論比容量越大。放電電壓理論上主要由正負(fù)極材料的電勢(shì)差和內(nèi)阻所決定，因此正極電勢(shì)越高、負(fù)極電勢(shì)越低、電池內(nèi)阻越小，則放電電壓越大。其次，電荷載體必須具有較好的輸運(yùn)能力和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)活性，這直接影響電池的倍率性能以及功率密度。最后，電極反應(yīng)的可逆性和副反應(yīng)等因素決定了二次電池的循離于二次電池的負(fù)極材料。早期鋰離子電池以金屬鋰或鋰合金為負(fù)極，過渡金屬鹵化物(如AgCl、CuCl、NiF2等)為正極，但此類正極材料導(dǎo)iS子電池的正極材料，且具有高電導(dǎo)率和電化學(xué)反應(yīng)活性，與金屬鋰配合為2.2V，具有實(shí)用價(jià)值。但金屬鋰的高度活潑性使得該電池事故頻行業(yè)專題研究4of4of30發(fā)，迫使人們將負(fù)極也改用嵌鋰化合物(如嵌鋰石墨)，這就是“搖椅式表1：各種電荷載體陽(yáng)離子(An+)的性質(zhì)對(duì)比參數(shù)Li+K+Mg2+Al3+CaZn2+相對(duì)原子質(zhì)量荷質(zhì)比ACoO2理論質(zhì)量比容量/mA·h·g-1ACoO2理論體積比容量/mA·h·cm-3----還原電位Eθ(An+/Aaq)(Vvs.SHE)還原電位Eθ(An+/Aaq)(Vvs.Li+/LiPC)0----Shannon’s半徑/?斯托克斯半徑(H2O)/?斯托克斯半徑(PC)/?----離子電導(dǎo)率(PC)/S·cm2·mol-1----去溶劑化能(PC)/kJ·mol-1---單質(zhì)金屬熔點(diǎn)/C地殼豐度/mg·kg-1：中國(guó)科學(xué)院物理研究所、國(guó)泰君安證券研究鈉離子電池的成本和倍率性能相對(duì)鋰離子電池具有優(yōu)勢(shì)。鈉與鋰處周期表同族，價(jià)電子數(shù)相同，化學(xué)性質(zhì)更活潑，由于鈉的原子質(zhì)量和半徑遠(yuǎn)大于鋰，故而鈉離子電池的能量密度顯然難以與鋰離子電池媲美，但鈉元素的自然界豐度是鋰的一千多倍，而且鈉離子的去溶劑化能遠(yuǎn)低于鋰離子。鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)問世于70年代，但二者的研究歷程略有不同。當(dāng)時(shí)率先出現(xiàn)的鈉二次電池是鈉硫電池，以單質(zhì)硫和金屬鈉為正負(fù)極，β-氧化鋁快離子導(dǎo)體為固態(tài)電解質(zhì)，工作溫度在300~350C。這種高溫鈉硫電池的能量密度較高(150~240Wh/kg)，循環(huán)提高鈉二次電池的安全性，人們對(duì)室溫鈉離子電池進(jìn)行了研發(fā)，采用了到層狀氧化物(NaxCoO2)和磷酸鹽(Na3M2(PO4)3,M為過渡金屬)的歷程。但到了80年代末期，鈉離子電池的研究遇冷，相關(guān)研究幾乎停滯。究其原因有三點(diǎn)：第一，難以找到合適的負(fù)極材料(能在酯類溶劑中高效儲(chǔ)鋰的石墨卻難以儲(chǔ)鈉)；第二，研究條件有限(系統(tǒng)水氧含量以用金屬鈉作為基準(zhǔn)電極開展材料評(píng)估實(shí)驗(yàn))；第三，鋰離子電池獨(dú)占鰲頭(大量的研究者把方向錨定在鋰離子電池上)。行業(yè)專題研究ofof圖2：鋰離子電池與鈉離子電池幾乎同時(shí)問世熱hg至2010年間，鈉離子電池的研究速度較為平緩，主要集中在少數(shù)幾個(gè)斷圖3：2010年后鈉離子電池研究進(jìn)入快車道行業(yè)專題研究ofof0客體堿金屬離子在宿主材料中的可逆脫出和嵌入，其中嵌入電勢(shì)較高的作為正極，嵌入電勢(shì)較低的作為負(fù)極，整個(gè)電池的充放電循環(huán)過程就是堿金屬離子在正負(fù)極之間的往返定向遷移過程，這種工作機(jī)制的電池就and也完全相同，主要都包括正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和集流體等。按照材料主體是否直接參與電化學(xué)反應(yīng)過程，可將它們分為活性材料與非活圖4：鈉離子電池工作原理與鋰電池類似表2：鈉離子電池主要構(gòu)件及種類活性材料類別類別正極材料氧化物類：層狀結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)隔膜E普魯士藍(lán)類P聚陰離子類：磷酸鹽、氟磷酸鹽、焦磷酸鹽、硫酸鹽、鉬酸鹽等復(fù)合材料集流體鋁箔負(fù)極材料碳基材料鈦基材料：鈦酸鹽、鈦基聚陰離子導(dǎo)電劑炭黑石墨粉納米碳：碳納米管、石墨烯等黏結(jié)劑非水溶：聚偏二氟乙烯(PVDF)電解質(zhì)材料液態(tài)電解質(zhì)：鈉鹽+有機(jī)溶劑水溶：羧甲基纖維素鈉(CMC)、海藻酸鈉(SA)、聚丙烯酸(PAA)等固態(tài)電解質(zhì)：聚合物、無(wú)機(jī)物無(wú)溶劑：聚四氟乙烯(PTFE)等：國(guó)泰君安證券研究行業(yè)專題研究ofof30鈉離子電池的活性材料包括正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)材料，它們直接參與電化學(xué)反應(yīng)，因此決定了電池的本征特性。由于鈉離子的半徑和電子結(jié)構(gòu)與鋰離子相差較大，導(dǎo)致兩者在反應(yīng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為上主線正極材料在充電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，放電時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)，一般具有較高的還原電勢(shì)。理想的正極材料應(yīng)滿足還原電勢(shì)高(但必須低于電解質(zhì)的氧化電勢(shì))、可逆容量大、循環(huán)性能穩(wěn)定、電子和離子電導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不怕空氣、安全性高、價(jià)格低廉。對(duì)于鈉離子電池而言，現(xiàn)有正極材料的理論比容量相對(duì)較低，因此成為電池整體容量的主要決定因素陰離子類、普魯士藍(lán)類、氟化物類、有機(jī)化合物類，其中前三種類型的成熟度最高，已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化初期。、聚陰離子類、普魯士藍(lán)類等隧道結(jié)構(gòu)氧化物。層狀氧化物的研究最早也最廣泛，相比于鋰離子電池TiNi性，其工作機(jī)理也更為復(fù)雜，常伴隨多種相變行為。層狀氧化物通式為前者的比容量較高但倍率、循環(huán)性能往往較差；后者的倍率、循環(huán)性能較好，但實(shí)際比容量略低。此外，層狀氧化物往往在空氣中易發(fā)生吸濕行業(yè)專題研究維孔道結(jié)構(gòu)，往往出現(xiàn)于低鈉含量的氧化物中，具有優(yōu)異的循環(huán)、倍率及水系鈉離子電池的研發(fā)中可能具有潛在的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。普魯士藍(lán)類：材料成本低，比容量較高，技術(shù)壁壘高普魯士藍(lán)類正極材料屬于過渡金屬的氰化配位聚合物，通式為的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)，以及開放的三維空間，使得該材料具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、嵌Mn等廉價(jià)金屬，原料易得、成本低廉。但在實(shí)際應(yīng)用中，材料的晶格水含量(包括結(jié)晶水和吸附水)以及空位缺陷密度會(huì)嚴(yán)重制約電池性能，導(dǎo)致其容量利用率、能量效率和循環(huán)壽命的降低。值得一提的是，最近釋放出劇毒的氫氰酸、氰氣等，而熱分解機(jī)理與晶格水、空位缺陷密切圖7：普魯士藍(lán)正極材料晶體結(jié)構(gòu)成本低廉ofof30聚陰離子類：安全性最佳，比容量太低，材料成本高聚陰離子類正極材料是指晶體框架由一系列四面體和多面體陰離子單離子。這類材料的陰離子多面體單元之間具有很強(qiáng)的共價(jià)鍵合，因此晶故而具有很好的循環(huán)壽命和安全性，而且其電壓平臺(tái)往往較寬。其次，過渡金屬離子的價(jià)電子局域化程度高，這種電子結(jié)構(gòu)容易利用強(qiáng)電負(fù)性元素的誘導(dǎo)效應(yīng)來(lái)提升材料的工作電壓。但也因?yàn)槠鋵拵短匦裕瑢?dǎo)致本征電子電導(dǎo)率很低，這極大限制了其倍率性能，必須通過添加導(dǎo)電劑或者納米化進(jìn)行改性。此外，該材料的比容量普遍較低。目前，最典型鉬酸鹽等新型聚陰離子材料也在研究中，這些體系在工作電壓、倍率性能上有所提升，但仍然存在實(shí)際比容量低、循環(huán)可逆性差等諸多缺陷。 過渡金屬氟化物具有類似氧化物的高還原電位，通過過渡金屬離子的化合價(jià)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)鈉離子的嵌脫，因此也是潛在的正極材料。這類材料的最大問題是電阻率太高，嚴(yán)重影響其倍率性能，而且實(shí)際比容量普遍很低。迄今為止，具有較大比容量的氟化物材料是鐵基氟化物，典型代表 某些具有豐富共軛體系和孤對(duì)電子的有機(jī)化合物可以發(fā)生可逆的氧化還原反應(yīng)，因此也可以用來(lái)開發(fā)正極材料。此類材料的優(yōu)點(diǎn)是：無(wú)需依但現(xiàn)階段還存在顯著缺陷：電導(dǎo)率普遍較低，且容易發(fā)生溶解。目前，主要有共軛體系導(dǎo)電聚合物(例如改性的聚苯胺、聚吡咯等)、共軛羰基化合物(例如芳烴衍生物的酚鈉、羧酸鈉)等。發(fā)生氧化反應(yīng)，一般具有較低的還原電勢(shì)。理想的正極材料應(yīng)滿足還原電勢(shì)低(但必須高于金屬鈉的沉積電勢(shì))、可逆容量大、循環(huán)性能穩(wěn)定、電子和離子電導(dǎo)率高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不怕空氣、安全性高、價(jià)格低廉。對(duì)于鈉離子電池而言，負(fù)極材料起著負(fù)載和釋放鈉離子的重要作用，其直接影響電池整體的動(dòng)力學(xué)性能，例如倍率性能、功率密度等。目前，鈉離子電池的負(fù)極材料主要分為五種類型：碳基材料、鈦基材料、合金材料、有機(jī)化合物類、其他體圖9：鈉離子電池負(fù)極材料碳基材料：軟碳硬碳各有千秋，石墨負(fù)極尚在研究納米碳材料。與其他堿金屬離子不同，鈉離子在碳酸酯類溶劑中難以對(duì)因此，在鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的石墨負(fù)極，在碳酸酯作溶劑的鈉離子電池中難以使用。其實(shí)在醚類溶劑中，石墨也能有效嵌脫鈉離子，但是材料具有較高的儲(chǔ)鈉比容量，也是目前最接近產(chǎn)業(yè)化的負(fù)極材料。按照墨化，硬碳在高溫下也難以石墨化。軟、硬碳差別在于微觀結(jié)構(gòu)中碳層熱塑性前驅(qū)體(石化原料及副產(chǎn)品)容易形成軟碳，熱固性前驅(qū)體(生工藝易于控制，但比容量不及硬碳；硬碳的比容量較高，但首周效率往一提的是，目前人們對(duì)硬碳材料的儲(chǔ)鈉機(jī)理仍未徹底弄清，還有較大的提升空間。納米碳材料主要有石墨烯、碳納米管，鈉離子主要以吸附的方式儲(chǔ)存在其表面和缺陷處，這類材料的理論比容量較大，但首周庫(kù)侖行業(yè)專題研究圖10：碳基負(fù)極材料及其充放電曲線鈦基材料：潛在優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，短期難以商用的還原電勢(shì)普遍較低，其化合物空氣穩(wěn)定，且不同晶體結(jié)構(gòu)的鈦化合物儲(chǔ)鈉電勢(shì)不同，因此被用來(lái)開發(fā)負(fù)極材料。目前，鈦基材料主要是一些鈦的氧化物和聚陰離子化合物。氧化物包括層狀的Na2Ti3O7、與鋰離子電池的硅基負(fù)極類似。這類材料的優(yōu)勢(shì)是理論比容量很高，且反應(yīng)電勢(shì)很低，因此有望制造高能量密度、高電壓的鈉離子電池。但是行業(yè)專題研究圖12：錫合金負(fù)極儲(chǔ)鈉機(jī)理及充放電體積變化有機(jī)化合物類：合成條件溫和，尚處研究階段有機(jī)負(fù)極材料的優(yōu)缺點(diǎn)與有機(jī)正極材料類似，目前種類主要包括：羰基chiff些過渡金屬氧化物、硫化物、硒化物、氮化物、磷化物也具有可逆儲(chǔ)鈉的電化學(xué)活性，這類材料往往同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)換反應(yīng)和合金化反應(yīng)，因此(3)電解質(zhì)材料：液態(tài)電解質(zhì)為主，形式與鋰電相同是維持電化學(xué)反應(yīng)的重要保障，不僅直接影響電池的倍率、循環(huán)壽命、液態(tài)電解質(zhì)：與鋰電類似，鋰鹽變鈉鹽液態(tài)電解質(zhì)常被稱為電解液，一般由溶劑、溶質(zhì)和添加劑組成。由于水最好還具有較低的粘度。因此，一般將高介電常數(shù)、高粘度的碳酸酯類和低介電常數(shù)、低粘度的醚類混合使用，故電解液高度易燃。溶質(zhì)主要為具有大半徑陰離子的鈉鹽，分為無(wú)機(jī)鈉鹽和有機(jī)鈉鹽，前者有六氟磷一般來(lái)說，有機(jī)鈉鹽的穩(wěn)定性更高，而無(wú)機(jī)鈉鹽的價(jià)格更便宜。目前有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要是六氟磷酸鈉，其具有相對(duì)最佳的電導(dǎo)率，但是對(duì)水高度敏感。添加劑在電解液中的含量在5%以下，主要是一些鈉：中國(guó)科學(xué)院物理研究所固態(tài)電解質(zhì)：面向固態(tài)鈉電，尚處研究階段固態(tài)電解質(zhì)材料主要包括三種類型：無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、聚合物固態(tài)電解質(zhì)、復(fù)合固態(tài)電解質(zhì)。由于避免了易燃易爆的有機(jī)溶劑，電池的安全性得到了實(shí)質(zhì)性提升，并且大大拓寬了電化學(xué)窗口，使得高電勢(shì)正極材料和金屬鈉負(fù)極的使用成為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外，由于正負(fù)極之間有剛性的固態(tài)電解質(zhì)阻隔，因而不再需要單獨(dú)設(shè)置隔膜，再配合雙極性電極工藝，電池的系統(tǒng)能量密度還能進(jìn)一步提升。此類材料目前面臨室溫電導(dǎo)率較低、界面阻抗很大等難題，其產(chǎn)業(yè)化尚需時(shí)日。1.2.2.非活性材料：隔膜、集流體、導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑它們并不直接參與電化學(xué)反應(yīng)，但是必不可少的輔助性材料，其與活性圖14：鈉離子電池非活性材料：中國(guó)科學(xué)院物理研究所行業(yè)專題研究極進(jìn)行物理分隔，避免二者直接接觸反應(yīng)，同時(shí)還要確保溶劑分子的浸潤(rùn)和滲透，允許溶劑化鈉離子的快速通過。理想的隔膜材料應(yīng)具有良好的電子絕緣性和離子導(dǎo)電性，機(jī)械強(qiáng)度高且厚度盡量薄，很高的化學(xué)惰性(既不與電解液反應(yīng)，也不與正負(fù)極反應(yīng))，良好的熱穩(wěn)定性。鋰離子電池中廣泛應(yīng)用的是聚烯烴類聚合物隔膜，例如(2)集流體：正負(fù)極均采用鋁箔性材料附著的基底構(gòu)件，約占電池重量的10~13%，用以匯集電極材料產(chǎn)生的電流，并對(duì)外釋放傳導(dǎo)。集流體雖不參與電極反應(yīng)，但卻是電極材料發(fā)揮性能的根本保障，其純度、厚度、應(yīng)力等參加工性能好且力學(xué)性能穩(wěn)定。在鋰離子電池中，正極集流體為鋁箔，負(fù)極集流體為銅箔，以避免低電勢(shì)條件下鋁與鋰發(fā)生合金化。在鈉離子電(3)導(dǎo)電劑：與鋰離子電池相同導(dǎo)電劑，其主要有三方面作用：減輕電極材料的自身極化，降低活性材料顆粒間以及與集流體之間的接觸(4)黏結(jié)劑：與鋰離子電池相同黏結(jié)劑的功能是將電極材料、導(dǎo)電劑、集流體三者結(jié)合，制成可供使用，其用量占比很少，但對(duì)電極性能有重要影響。用作黏結(jié)劑的材料須具有良好的穩(wěn)定性，易加工，成本低。鈉離子電池常用黏結(jié)劑海藻酸鈉(SA)、聚丙烯酸(PAA)、羧甲基纖維素鈉(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)等等。特殊性。氧化物類和聚陰離子類材料既可采用固相反應(yīng)法也可采用液相合成法，合成工藝基本與鋰離子電池的對(duì)應(yīng)材料相同，因此生產(chǎn)線可在的行業(yè)專題研究圖15：正極材料合成及電極制造工藝：中國(guó)科學(xué)院物理研究所碳原子鍵合方式直接決定其合成的無(wú)定形碳材料的微觀結(jié)構(gòu)，不同碳源前驅(qū)體即便采用完全相同的熱處理工藝，得到的無(wú)定形碳材料的結(jié)構(gòu)和在高溫下自發(fā)重排，容易石墨化，因而形成軟碳；熱固性前驅(qū)體(生物質(zhì)、樹脂聚合物等)碳鏈多為剛性較強(qiáng)的三維網(wǎng)絡(luò)，在高溫下只能局域重排，難以石墨化，因而易形成硬碳。碳化溫度與材料的缺陷濃度呈負(fù)較低的碳化溫度能保留較高的缺陷濃度，改善材料的電化學(xué)性能，但增圖16：碳源前驅(qū)體和溫度對(duì)碳基負(fù)極材料的影響行業(yè)專題研究硬碳前驅(qū)體電流密度/mA·g-1首周庫(kù)侖效率/%煙煤淀粉無(wú)煙煤次煙煤聚苯胺山竹果殼松果瀝青和酚醛樹脂植酸和大豆蛋白瀝青杏殼摩洛哥堅(jiān)果殼中間相瀝青海帶無(wú)煙煤無(wú)煙煤和氧化石墨煙煤柚子皮與鋰離子電池相同與鋰離子電池類似，鈉離子電池的生產(chǎn)同樣要經(jīng)歷制漿、涂覆、裝配、注液、化成等工藝。其中，裝配環(huán)節(jié)主要是將制完的正負(fù)極片通過隔膜夾層組合在一起，建立電池內(nèi)部的鈉離子通路，并隔絕正負(fù)極以防內(nèi)短路。裝配工藝沿用鋰離子電池技術(shù)，分為卷繞和疊片工藝，前者又分為圓柱卷繞和方形卷繞。此外，鈉離子電池產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝工藝也行業(yè)專題研究：中國(guó)科學(xué)院物理研究所2.橫向比較：鈉電vs鋰電、液流、鉛酸電池產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)，勢(shì)必將對(duì)其他二次電池技術(shù)產(chǎn)生不同程度的影響。首當(dāng)其沖的是鋰離子電池，以及市場(chǎng)關(guān)注度較高的液流電池和早已廣泛應(yīng)用的鉛酸電池。本節(jié)我們通過對(duì)鈉離子電池與以上三種電池圖18：鈉離子電池與鋰離子電池、液流電池、鉛蓄電池各有優(yōu)缺點(diǎn)國(guó)泰君安證券研究行業(yè)專題研究但循環(huán)壽命較差；磷酸鐵鋰正極電池循環(huán)壽命高，但能量密度較低；錳酸鋰正極電池工作電壓高，但能量密度和循環(huán)壽命都較差。此外，鋰離子電池在低溫下易發(fā)生嚴(yán)重的容量衰減，需要一套溫度控制系統(tǒng)，這將消耗電池系統(tǒng)至少5%的能量，且增加了制造成本。相比之下，現(xiàn)有鈉其次，從安全性看，由于鈉離子電池的熱失控起始溫度略高于鋰離子電池，因此電芯層面的安全性有所提升，但這兩種電池都需使用高度易燃的有機(jī)電解液，都存在熱失控情形下的爆燃風(fēng)險(xiǎn)。從目前的電芯穿刺等最后，從成本看，鈉離子電池能有效降低原材料成本。其一，活性材料(正極、電解質(zhì))中的鋰化合物整體被鈉化合物替代，鐵、錳等廉價(jià)金屬大量替代了正極中較貴的鈷、鎳等金屬；其二，金屬鈉不與金屬鋁形成低共熔合金，正負(fù)極集流體均可采用廉價(jià)的鋁箔，替代了原先鋰離子電池中較貴的銅制負(fù)極集流體；其三，由于鈉離子的斯托克斯半徑小于電池等新技術(shù)迭代。表4：鋰離子電池與鈉離子電池結(jié)構(gòu)性能互補(bǔ)鋰離子電池鈉離子電池正極材料三元材料錳酸鋰磷酸鐵鋰層狀氧化物聚陰離子普魯士藍(lán)負(fù)極材料石墨無(wú)定形碳電解液CDEC0.5mol/LNaPF6/EC+DMC+EMC+DEC+PC正、負(fù)極集流體正極鋁箔，負(fù)極銅箔正負(fù)極均為鋁箔隔膜PP/PEPP/PE(質(zhì)量)能量密度Wh/kg120Wh/kg160Wh/kgWh/kg90-130Wh/kgWh/kg工作電壓3.7V4.1V3.4V循環(huán)壽命快充性能安全性較差高、低溫性能-20C~60C高溫衰減嚴(yán)重且不可逆低溫性能較差-40~80C-40~55C-20~40C成本高較低較高較低較低低行業(yè)專題研究：中科海鈉官網(wǎng)、國(guó)泰君安證券研究酸鈉價(jià)格走勢(shì)對(duì)比鈉離子電池與液流電池具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，前者適用于小型靈活儲(chǔ)能，后者適用于大中型規(guī)模儲(chǔ)能。液流電池是一種液相(水相體系為主)的電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，其特點(diǎn)在于活性工作物質(zhì)溶解在電解液中，通過改變鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池等。液流電池的最大優(yōu)勢(shì)在于其水相體系的本征安全性，以及超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，特別適用于中大型的電化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)施，但缺點(diǎn)則是能量密度低、工作溫區(qū)窄，因此很難小型化或應(yīng)用于可耐受-40C的低溫，但本征安全性和循環(huán)壽命則不及液流電池。未來(lái)，鈉離子電池和液流電池在有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。例如，戶用和移動(dòng)式小型儲(chǔ)能設(shè)備對(duì)能量密度要求較高，適合使用鈉離子電池；大中行業(yè)專題研究20of20of30液流電池鈉離子電池正極硫酸氧釩硫酸鐵液溴層狀氧化物聚陰離子普魯士藍(lán)負(fù)極硫酸釩硫酸亞鉻金屬鋅無(wú)定形碳電解液H2SO4水溶液ZnBr2水溶液0.5mol/LNaPF6/EC+DMC+EMC+DEC+PC集流體碳極板鋁箔隔膜全氟磺酸樹脂PP/PE(質(zhì)量)能量密度50Wh/kg20Wh/kg>190Wh/LWh/kg90-130Wh/kgWh/kg工作電壓/V循環(huán)壽命/次快充性能安全性優(yōu)秀優(yōu)秀高、低溫性能5~45C-20~70C-40~55C-40~80C-40~55C-20~40C成本較高較低較高較低較低低鈉離子電池有望逐步替代傳統(tǒng)鉛酸電池，倒逼鉛炭電池等新技術(shù)研發(fā)。業(yè)閉環(huán)已高度完備，優(yōu)點(diǎn)是低成本、易回收、安全性好，缺點(diǎn)是能量密度小、循環(huán)壽命短、充電耗時(shí)較長(zhǎng)。目前，鉛酸電池仍然在不斷發(fā)展升級(jí)，最具代表性的是融合了超級(jí)電容器技術(shù)的“鉛炭電池”，其循環(huán)壽命高達(dá)3000次以上，具備快充能力，并且保留了原鉛酸電池的安全性等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度進(jìn)一步降低，且制造成本也相應(yīng)升高。相比之下，鈉離子電池的多數(shù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鉛酸電池，未來(lái)隨著成本進(jìn)一步降低，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池的逐步替代。同時(shí)，鈉離子電池的崛起可能會(huì)間接地加快傳統(tǒng)鉛酸電池向鉛炭電池升級(jí)迭代的進(jìn)程，未來(lái)的鉛蓄電池可表6：鉛蓄電池與鈉離子電池性能對(duì)比鉛酸電池鉛炭電池鈉離子電池正極二氧化鉛二氧化鉛層狀氧化物聚陰離子普魯士藍(lán)負(fù)極金屬鉛金屬鉛+多孔碳無(wú)定形碳電解液H2SO4水溶液0.5mol/LNaPF6/EC+DMC+EMC+DEC+PC集流體鉛合金板柵鋁箔隔膜多孔PE，吸液式超細(xì)玻璃棉PP/PE(質(zhì)量)能量密度35~55Wh/kg~40Wh/kg100-155Wh/kg90-130Wh/kg120-160Wh/kg工作電壓2V循環(huán)壽命快充性能差優(yōu)秀安全性優(yōu)秀優(yōu)秀高、低溫性能-40~60C-20~40C-40~80C-40~55C-20~40C成本低較高較低較低低行業(yè)專題研究21of21of303.產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀：群雄并起，百舸爭(zhēng)流家。由于技術(shù)路線的優(yōu)劣尚無(wú)定論，也無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此不同企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)本質(zhì)上就是不同技術(shù)路線的競(jìng)爭(zhēng)。雖然鈉離子電池的研究歷史長(zhǎng)達(dá)半個(gè)世紀(jì)，但其破。我們認(rèn)為，該產(chǎn)業(yè)在未來(lái)3年內(nèi)仍將處于導(dǎo)入期向成長(zhǎng)期過渡的階段。上游：原材料供給和電極材料合成，主要原材料包括純堿、鋁箔、錳礦電池系統(tǒng)構(gòu)建與集成等，涉及各類耗材和電子元器件。下游：終端應(yīng)用：國(guó)泰君安證券研究，厚積薄發(fā)，寧德時(shí)代先聲奪人為代表。行業(yè)專題研究22of22of30中科海鈉成立于2017年，是國(guó)內(nèi)首家專注鈉離子電池開發(fā)與制造胡勇勝研究員帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，歷經(jīng)10余年探索與積累，是少數(shù)擁有鈉離子電池全領(lǐng)域核心專利技術(shù)的電池企業(yè)之一，已推出多個(gè)放大生產(chǎn)、從材料到電芯、從單體電池到電池模塊、從電池組件到應(yīng)用端的全領(lǐng)域技術(shù)。鈉創(chuàng)新能源成立于2018年，由上海電化學(xué)能源器件工程技術(shù)研究藥股份有限公司共同發(fā)完成了百噸級(jí)前驅(qū)體和正極材料合作生產(chǎn)基地，目前正在建設(shè)萬(wàn)噸在創(chuàng)業(yè)板上市，是全球領(lǐng)先的鋰電芯、電池系統(tǒng)、電池回收二次利用等全產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)及制造能力。行業(yè)龍頭，寧德時(shí)代具有強(qiáng)大的資本優(yōu)勢(shì)、上下游整合能力和技術(shù)積累，有利于快速切入與鋰離子電池工藝相似的鈉離子電池賽道。制造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)業(yè)資源，有望在近兩年內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。賁安能源成立于2017年，是一家主要從事水系鈉離子電池研發(fā)和高科技跨國(guó)企業(yè)。公司在新加坡、中國(guó)及美國(guó)設(shè)有全球研發(fā)中心，開展水系鈉離子電池的材料、電芯和結(jié)構(gòu)的研發(fā)；在中國(guó)、美國(guó)及澳大利亞設(shè)有區(qū)域公司，負(fù)責(zé)電池材料的生產(chǎn)制造以及區(qū)域工業(yè)備電系統(tǒng)。其他涉足鈉離子電池研發(fā)制造的國(guó)內(nèi)企業(yè)還有星空鈉電、鵬輝能源、欣、漢行科技、眾鈉能源等。此外，長(zhǎng)城企業(yè)、長(zhǎng)安企業(yè)、廣汽集團(tuán)也都有相應(yīng)研發(fā)布局。不同企業(yè)選擇的電極材料體系各不相同，技術(shù)路行業(yè)專題研究23of23of30公司材料體系電池性能產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)中科海納工作溫度：-40C~80C(2C/2C)1、1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)正式投運(yùn)(2021)(2019)寧德時(shí)代白作溫度：-20C環(huán)境下保鈉創(chuàng)新能源正極：鐵基層狀氧、磷酸釩鈉工作溫度：-40C~55C動(dòng)雙輪電動(dòng)車(2021)池綜合系統(tǒng)(2021)產(chǎn)湖南立方氧化物1、發(fā)布第一代鈉離子電池產(chǎn)品，先用于儲(chǔ)能、2、制備5Ah軟包層狀氧化物鈉離子電池，能量密度130wh/kg。動(dòng)力儲(chǔ)能業(yè)務(wù)對(duì)應(yīng)子公司湖南鈉方新能源于11月成立，預(yù)計(jì)22年實(shí)現(xiàn)收入2.5億。(2021)賁安能源藍(lán)1、下屬中科賽諾與上海勘測(cè)設(shè)計(jì)院簽署2.5MW/6MWh水系鈉鹽電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供貨協(xié)在貴州正式啟動(dòng)；中標(biāo)海外20MWh水系鈉鹽KWKWh2)蘭察布風(fēng)光儲(chǔ)一體化基地示范項(xiàng)目(2021)品(400個(gè)變電站)，穩(wěn)定運(yùn)行。(2020)星空鈉電藍(lán)池生產(chǎn)線(2019)2、已經(jīng)獲得國(guó)網(wǎng)遼寧綜合能源的百億訂單(2019)：公司官網(wǎng)、國(guó)泰君安證券研究行業(yè)專題研究24of24of30初創(chuàng)企業(yè)，規(guī)模小而前瞻性強(qiáng)但是技術(shù)前瞻性很強(qiáng)。英國(guó)Faradion公司主推層狀氧化物正極。公司成立于2011年，是家商品化鈉離子電池企業(yè)，目前共擁有31項(xiàng)鈉離子電池專利，覆蓋電池材料、電池基礎(chǔ)設(shè)施、電池安全與運(yùn)輸?shù)?。公司?duì)產(chǎn)品的成本和能量密度十分重視，最終目標(biāo)是以鉛酸般的價(jià)格提供 (RNESL)以1億英鎊的價(jià)格收購(gòu)，后者還將投資2500萬(wàn)英鎊作子正極和硬碳負(fù)極，主要應(yīng)用于靜態(tài)儲(chǔ)能(電網(wǎng)調(diào)頻)和動(dòng)力汽車Altris普魯士藍(lán)正極。公司成立于2017年，是一家專注于鈉離子電池正極材料研發(fā)的初創(chuàng)企業(yè)，以鐵基普魯士藍(lán)為主。公司致力于探索新的合成工藝，研發(fā)和生產(chǎn)高質(zhì)量的普魯士藍(lán)正極材料，目前已經(jīng)具備量產(chǎn)能力，預(yù)計(jì)2023年后正極材料產(chǎn)美國(guó)NatronEnergy公司主推水系鈉離子電池。公司成立于2012的快速充電站)。目前，其鈉離子電池已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，在加利福尼亞州圣克拉拉運(yùn)營(yíng)著一條試點(diǎn)生產(chǎn)線。下一鏈。公司材料體系電池性能產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)工作溫度：-20C~60CC(10h)1、聯(lián)合AceOn將在尼日利亞建設(shè)1MW太陽(yáng)能儲(chǔ)能電站(2023)2、向印度、澳洲公司供應(yīng)鈉離子電池分別用于商3、與捷豹、路虎等企業(yè)成立聯(lián)盟，研發(fā)適用于電氣化車輛的12V電池(2018)行業(yè)專題研究25of25of30循環(huán)次數(shù)：5000次保持離子電池應(yīng)用測(cè)試(2021)s混合版的基于48V鈉離子電池供電的第四方程式瑞典Altris藍(lán)ik料產(chǎn)能將達(dá)到2000噸/年，對(duì)藍(lán)(2min)工作溫度：-20C~40C倍率性能：快充8分鐘(0-99%SOC)ClariosInternational公司建立戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，以利用Clarios公司在密歇根州現(xiàn)有的鋰離子電池Meadowbrook工廠的生產(chǎn)設(shè)施。2023年開始量產(chǎn)，年產(chǎn)600MW鈉離子電池。(2022)4、聯(lián)合雪佛蘭，開發(fā)固定式儲(chǔ)能系統(tǒng)車輛充電站。(2019)：公司官網(wǎng)、國(guó)泰君安證券研究4.未來(lái)發(fā)展：充分發(fā)揮鈉電資源稟賦和比較優(yōu)勢(shì)現(xiàn)有鈉離子電池的材料性能尚有較大的改良空間?？傮w而言，現(xiàn)階段的鈉離子電池的能量密度與理論值存在較大差距，而且其循環(huán)性能也需要進(jìn)一步提升。一方面，需要對(duì)活性材料進(jìn)行不斷改進(jìn)。另一方面，也需安全測(cè)試實(shí)驗(yàn)是在電芯層面，結(jié)果顯示雖安全性較高，但實(shí)際運(yùn)行后的行業(yè)專題研究26of26of30安全性則亟待觀察，不宜盲目樂觀。尤其是普魯士藍(lán)正極，其在熱失控技術(shù)研發(fā)和規(guī)模效應(yīng)缺一不可電極材料的種類、制造工藝等都未標(biāo)準(zhǔn)化，而前驅(qū)體也缺乏穩(wěn)定可靠的供應(yīng)鏈，這導(dǎo)致電極材料的良率、一致性偏低，實(shí)際成本較高，這只能通過持續(xù)的技術(shù)探索改進(jìn)。另一方面，生產(chǎn)設(shè)備的價(jià)格較高且折舊損耗規(guī)范市場(chǎng)秩序，促進(jìn)健康發(fā)展路線各不相同，孰優(yōu)孰劣存在較大爭(zhēng)議。目前，廠商主要是參照鋰離子電池，結(jié)合鈉離子電池特性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，制定適合各自企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范，并以此指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝、確保產(chǎn)品的良率和一致性，這導(dǎo)致了不同企業(yè)之間的產(chǎn)品性能和技術(shù)水平參差不齊。行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一制定，能起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用，是實(shí)現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)的必要4.2.1.水系鈉離子電池：本征安全的鈉離子電池液體系，因此無(wú)法從根本上規(guī)避爆燃風(fēng)險(xiǎn)，若將其替換為水溶液，不僅能大大提高安全性，還能簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，同時(shí)降低生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染。目前人們已經(jīng)報(bào)道y行業(yè)專題研究27of27of304.2.2.固態(tài)鈉離子電池：高能量密度鈉離子電池以固態(tài)電解質(zhì)材料替換液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)，能夠制造出固態(tài)鈉離子電池。劑，電池的安全性得到了實(shí)質(zhì)性提升，并且大大拓寬了電化學(xué)窗口，使得高電勢(shì)正極材料和金屬鈉負(fù)極的使用成為可能，繼而大幅提升全電池能量密度。此外，由于正負(fù)極之間有剛性的固態(tài)電解質(zhì)阻隔，因而不再需要單獨(dú)設(shè)置隔膜，再配合雙極性電極工藝，電池的系統(tǒng)能量密度還能進(jìn)一步提升。此類材料目前面臨室溫電導(dǎo)4.2.3.多客體共嵌負(fù)極：石墨作為普適性負(fù)極石墨負(fù)極在“多客體共嵌反應(yīng)”中同樣可以實(shí)現(xiàn)絡(luò)合鈉離子的有效嵌脫。G對(duì)石墨層間進(jìn)行有效嵌脫，故而難以使用石墨負(fù)極。事實(shí)上，在醚類溶劑中，鈉離子與醚氧原子形成配位鍵，能以配位離子的形式共同嵌入石墨層間。這種“多客體共嵌反應(yīng)”具有重要的啟發(fā)意義。一方面，這意味著石墨負(fù)極也可能作為鈉離子電池負(fù)極，從而與鋰離子電池共用材料產(chǎn)線，有利于規(guī)?；党杀?。另一方面，這為設(shè)計(jì)新一代多電荷離子電池圖24：多客體共嵌入反應(yīng)行業(yè)專題研究28of28of305.投資建議我們認(rèn)為在碳酸鋰價(jià)格居高不下的背景下，鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)將更為顯著，同時(shí)我們看到隨著新能源裝機(jī)規(guī)模帶來(lái)的儲(chǔ)能需求以及海外戶代碼公司環(huán)節(jié)布局寧德時(shí)代池開發(fā)出第一代商業(yè)鈉離子電池，預(yù)計(jì)2023