鈉電如何設(shè)計

鈉離子電池專題1-多方發(fā)力趨勢已成n鈉離子電池具備替代鋰離子電池的條件：工作原理與鋰電池相同，性能指標與鐵鋰電池存在重疊區(qū)，上游礦源豐富易得，產(chǎn)線重置成本低；鈉電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的突破口，是鈉電專用正負極材料的開發(fā)，電池層級的重點是鈉電專用電池管理系統(tǒng)的開發(fā)，數(shù)據(jù)庫的完善和行業(yè)標準的制訂。n正極材料的開發(fā)，重點關(guān)注層狀金屬氧化物和聚陰離子聚合物類。層狀金屬氧化物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝與三元鋰相似，能量密度相對較高，但其循環(huán)穩(wěn)定性遜色于具有穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的聚陰離子聚合物類材料。聚陰離子型的問題是能量密度相對較低，可拓寬其在長循環(huán)儲能領(lǐng)域的應用。n全電極層級，可以通過補鈉技術(shù)和新型電解液優(yōu)化電池性能。正極補鈉劑在攪拌階段以添加劑的形式加入，補充首次充放電過程不可逆的活性鈉離子損失，在生產(chǎn)中易于實現(xiàn)；液相浸泡和噴涂負極補鈉技術(shù)，亦具備商業(yè)化應用的條件；此外，利用電解液有機組分的官能團對電極界面進行調(diào)控，亦可進一步優(yōu)化循環(huán)性能。n產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模初顯雛形，預計2023年鈉電正負極主材分別形成萬噸級和千噸級的有效產(chǎn)能，新規(guī)劃的鈉離子電池產(chǎn)能超過30GWh。n鈉離子電池電芯材料成本在0.45-0.5元/Wh左右，仍然存在較大的降本空間。n投資建議：鈉電主材性能和工藝局限的突破傳統(tǒng)鋰電正極材料的主要玩家，關(guān)注：容百科技、振華新材、當升科技；關(guān)注解決行業(yè)痛點問題，提供創(chuàng)新解決方案的行業(yè)龍頭：寧德時代。n風險提示：鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化進度不及預期；鋰離子電池或其他新技術(shù)持續(xù)迭代，鈉離子電池技術(shù)發(fā)展不及預期；下游需求釋放不及預期；測算結(jié)果基于一定假設(shè)導致的結(jié)果不確定性的風險；鈉離子電池的市場滲透率不及預期。2CONTENTS11）；5u正極材料：離子半徑上的差異意味著鈉化合物在晶格結(jié)構(gòu)與鋰存在區(qū)別，需要發(fā)掘或通過界u正極材料：離子半徑上的差異意味著鈉化合物在晶格結(jié)構(gòu)與鋰存在區(qū)別，需要發(fā)掘或通過界面和結(jié)構(gòu)調(diào)控實現(xiàn)兼具良好電性能和循環(huán)壽命：0.76?狀氧化物類（NaxMO2，對標三元鋰）、聚陰 離子型化合物材料（NaMPO4,對標磷酸鐵鋰）?鈉離子半徑大無法u電解液：主要溶劑由六氟磷酸鋰切換成六氟磷酸鈉，壁壘較低。u隔膜、集流體：隔膜孔隙大小為納米級別，離子半徑的差異可忽略與鋰電池通用；鈉與鋁無合金化反應，不6u其他添加劑：包括正負極添加劑，電解液溶劑，大體與鋰電池相同，通過開發(fā)新型輔材、或配方用量的調(diào)配6電芯設(shè)計：包括電池形態(tài)（圓柱、方形、軟包），正負極主材的選型，和輔材的搭配，電芯工藝：電芯產(chǎn)線工藝參數(shù)的優(yōu)化（關(guān)鍵是極片段和化成段）和know-how經(jīng)驗的積累。環(huán)為例，算上靜置時間，一天8次循環(huán)，獲取3000次循模組/系統(tǒng)集成：鈉電池在能量密度的表現(xiàn)遜色于鋰電池管理系統(tǒng)開發(fā)：?鐵鋰/三元充放電特性??鐵鋰/三元充放電特性池充放電曲線7u前驅(qū)體：鈉源主要為純堿等常見工業(yè)品，原NaMxO2：過渡金屬M可避免使負極硬碳：熱解溫度1000°C，低于石墨化溫度，能源損耗減少；通過前驅(qū)體優(yōu)選（如瀝青基）實過放電：無過放電特征，可放電濫用測試：針刺擠壓測試無起火、倍率性能：溶劑化結(jié)合能高，脫溶劑效率高，實現(xiàn)離子更快地遷移；低溫性能：-20°C容量保持率遠RNa：1.8?RNa：1.8?更大的原子質(zhì)更低的氧化還鈉電池降本空間大，安全性能優(yōu)異，且能夠拓展低溫應用，但是需要在能量密度上做出取舍，同時長循環(huán)產(chǎn)品的開發(fā)還需尋22循環(huán)壽命、u微觀u晶體構(gòu)型的有利于鈉離子的嵌入/脫出，循環(huán)壽命、u微觀uu摻雜、復合結(jié)u表面包覆、表資料來源：Recentadvancesinhighenergy-densityc擇范圍相較于鋰離子電池更廣（主要為Ni，Co，Mn，構(gòu)，主要分為O3（x=0.8~1）和P2（x=0.67~01.O代指，Na+被周邊氧離子包圍，占據(jù)八面體點位，P代指占據(jù)棱柱點位，下標3指ABCABC形式的層狀堆積，2指ABBAAB的堆積形式。2.O3結(jié)構(gòu)Na+的含量更多，因此容量相對更高，但是Na+的傳輸動力學相對P2結(jié)構(gòu)更差，且在脫嵌過程中易使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)3.若x<0.5，晶格結(jié)構(gòu)呈三維資料來源：ChemicalSocie++洗滌、干燥++煅燒溫度600-1100°C煅燒溫度600-1100°C?D50粒徑為0.5-2-30h層狀金屬氧20μm1.通過多離子摻雜對晶相進行調(diào)控，結(jié)構(gòu)中的TM-O鍵長發(fā)生改變，材料同時具備P2相和O3相，相界之間的復合有效抑制不可逆相變，+溫度、溫度、PH+一次一次資料來源：ChemicalSocie聚陰離子型化合物材料NaFePO4，對標磷酸鐵鋰，二者均有橄欖石型晶體結(jié)構(gòu)?NaFePO4晶體結(jié)構(gòu)?磷酸鐵鋰晶體1.NaFePO4的晶體結(jié)構(gòu)與鈷酸鋰結(jié)構(gòu)相同，且二者比容量較為接近2.NaFePO4晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但電壓較低（2.85V），但通過離子交換NASICON型聚陰離子型化合物NaxM2(XO4)3，相較層狀金屬?NASICON型聚陰離子型化合物晶等，典型代表為Na4V2(PO4)3，相較磷酸鐵鈉電壓更高穩(wěn)定，循環(huán)性能優(yōu)于層狀氧化物材料，同時，開放的三維通水+堿液+++2.釩源為氧化物釩源或偏釩酸鹽，成本較低；鈉源為氟化鈉、碳酸鈉、氫氧化鈉等；氟源?理論比容量1.材料優(yōu)化：摻雜、包覆；在Na42.工藝優(yōu)化：固相法；的鈉源、磷源、錳源、碳源通過球磨混合，碳層包覆以及氮摻雜均在燒結(jié)過程一步成型，簡化工藝，降低反應條件為常壓，溫度小于100°C，制備工藝簡單；原料為常見化工產(chǎn)品，成本低；廢料易于回收，減少環(huán)境污染。etc.),長期用于生產(chǎn)深藍色顏料，因為成本上具備優(yōu)勢，其在普魯士藍類Na2M[M‘(CN)6]*zH2O制備工藝（共沉淀法）。+++金屬+金屬M的鹽鹽鹽++1.晶格是具有開放的離子通道和寬敞間隙的三維剛性框架，2.含兩種不同的氧化還原活性中心：(如Na2Fe[Fe(CN)6]的M2+/3+和Fe2+/3+），理論比容量高（170mAh/g）。Fe?C≡N?Mn骨架破壞，可逆容量，倍率能力和循環(huán)穩(wěn)1.金屬M′的六氰基鈉鹽可選自Na4Fe(CN)6、Na3Fe(CN)6、2.溶劑可選自去離水、乙醇、異丙醇等；無機鈉鹽可選自NaCl、好好好好O3型：中；P3型：中差好中中好差層狀金屬氧化物生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝與三元鋰相似，能量密度相對較高，但其層狀的晶格結(jié)構(gòu)意味著循環(huán)性普魯士藍類正極兼具高能量密度和成本優(yōu)勢，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在缺硬碳Vs軟碳非碳材料，處在實驗室探索階段，暫不具備迅速量產(chǎn)的條件?層間距相對石墨大，無序度增加，儲鈉位點有限，層插在層間?無序度更高，儲鈉位點更豐富，鈉離子可吸附在表面，或存儲在結(jié)構(gòu)的缺陷位點，或?qū)硬?、填充進石墨?在低于100mV出現(xiàn)電壓平臺，最低工作電壓可達0.01V，比容量接近?屬于半導體導率低，倍率性能不?Na2C6H2O4，有機負極種類豐富，成本低，結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)較快的鈉離?活性物質(zhì)易在有機質(zhì)電硬碳生產(chǎn)工藝實例（貝特瑞淀粉前驅(qū)體.?硬碳負極3.交聯(lián)劑的選擇：采用有機交聯(lián)劑避免了無機交聯(lián)劑（氯化銨和硫酸銨)在高溫碳化過程分解并腐蝕碳化設(shè)備帶來的風險；此外，適宜的交聯(lián)劑亦可增大碳鏈之間的交聯(lián)反應4.燒結(jié)方式：需要在效率和化學反應質(zhì)量上做出權(quán)衡，提高加熱速度、降低保溫時間的同時，需要保證內(nèi)部脫氫充分，淀粉鈉離子電池硬碳負極存在首效較低的問題，造成正極活性物質(zhì)在首次充放電的大量損失，全電池能量密度下降。通過在電池激活前前添加額外鈉離子來補償活性鈉離子損失，以此提高首效，稱為正極補鈉劑：作為添加劑與正極活性物質(zhì)混合制成漿料，涂敷在鋁箔制成極片，組成電芯。在電池化成時被氧化，釋放鈉離子補充首次?添加NaCxNyHz型補鈉劑的Na3V2(PO4)32.需把控合適的添加比例，關(guān)注正極添加3.中南大學采用NaCxNyHz型補鈉材料，摻雜比例9%-17%wt，提高全電池能量密度約20-30%；電池生產(chǎn)工藝方面，可增加degassing設(shè)與鋰金屬不同，鈉難以形成穩(wěn)定的粉末，且活性高，無法在空氣中穩(wěn)定存放，使用鈉粉對負極進行預鈉化，存在較大風險和高昂的成本。?把熔融金屬鈉在礦物油中超聲分散的得到鈉金屬粉末，以己烷為溶劑，將鈉粉滴加到電極上，經(jīng)過干燥、滾壓，實現(xiàn)預鈉化。?金屬鈉與萘或聯(lián)苯反應生成活性多環(huán)芳香基?將電池負極裝配成半電池，在較低的電流密度下進行電循環(huán)，形成SEI膜，實現(xiàn)預鈉化程度的精準控制，SEI膜較為均勻和穩(wěn)定。更高，但是SEI成膜均勻性下降。資料來源：Recentadvanceso除了優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)，電解液的溶質(zhì)配比，關(guān)系著鈉離子的脫溶劑化電極/電解液的界面化學調(diào)控（NaPF6為電解質(zhì)+環(huán)醚電解液添加劑（全氟醚類(硫醚類、胺類或膦類)添加劑）R為鹵素取代基(F、Cl)X為氧族雜原子(O、S)?鈉鹽與環(huán)醚的最大配位數(shù)為Na+(THF?鈉鹽與環(huán)醚的最大配位數(shù)為Na+(THF)3.3，溶劑化結(jié)合能化結(jié)構(gòu)，鈉離子在電解液/SEI界面脫溶更快，離子遷移速?此外，環(huán)醚基電解液中，SEI膜中豐富的有機化合物（R-O-Na）具有更高的彈性和對機械變形的緩沖能力?功能添加劑配比為1～10％wt，酯類電解液在負極形成較可優(yōu)先在表面形成SEI膜，O族或N族雜原子的引入增大電?此外，C-F鍵電負性強，LUMO能級比酯類溶劑低，在低電位下會先還原，形成的SEI的無機成分較多，降低鈉離子在界面處的電荷轉(zhuǎn)移阻抗；同時增大SEI的機械強度，33噸噸7噸4噸噸噸42噸2層狀金屬氧化物噸7噸7噸4噸噸噸42噸2目前，鈉離子電池電芯的材料成本在0.45-0.5元/Wh左右，正負資料來源：Wind，隆眾資訊，鑫欏鋰電，《有色金屬加工》，吳羽化工官將在“十四五”相關(guān)規(guī)劃等政策文件中加強布局，從促進前沿技術(shù)攻關(guān)、完善配套政策、開拓市場《“十四五”新型導、超級電容等儲能技術(shù)，研發(fā)儲備液態(tài)金固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池等新一代高負極材料等正負極材料、電解液等主材和相研究，開發(fā)高效模塊化系統(tǒng)集成技術(shù)，加快《工業(yè)和信息化30MW/60MWh的鈉離子電池，共設(shè)元斯CES展，單個電池包容量在4.8-12.6kWh資料來源：各公司公告，各公司官網(wǎng)，鈉離規(guī)劃第二代鈉離子電池，預計在2023年安徽阜陽一期1GWh產(chǎn)線投產(chǎn)，預計2023年擴產(chǎn)至3-5GWh，2024年162023年底，河南生產(chǎn)基地預計將建成1GWh的鈉離子電池產(chǎn)能，廣2在江西維科產(chǎn)業(yè)園建設(shè)鈉電產(chǎn)業(yè)化基地，項目初期擬建2GWh鈉電池生產(chǎn)線速車和儲能市場，于2022年開工建設(shè)，202在鎮(zhèn)江新區(qū)謀劃落地首條硫酸鐵鈉萬噸級正極材料量產(chǎn)基地，計劃于2023年建成規(guī)劃23年鈉電層狀氧化物材料產(chǎn)能達成3.6萬噸/今年擬完成3000噸正極材料和5000噸電解液的投產(chǎn)料中試線，年產(chǎn)中試產(chǎn)品電池級鈉離子正極2022年，與七彩化學簽署《戰(zhàn)略合作協(xié)議》，擬一\二、三期分別擬建1\5\12萬噸生規(guī)劃建設(shè)年產(chǎn)10萬噸正極材料產(chǎn)能，兼容鈉產(chǎn)白預計2023年形成萬噸級規(guī)模的鈉離子電池正極硬碳/軟碳杉杉股份雜的第二代硬碳負極材料，比容量在330m硬碳負極材料，比容量可達400mAh/g左右44投資建議通過特殊微晶結(jié)構(gòu)前驅(qū)體，結(jié)合多原子摻雜進行修飾，形成有特殊外殼包裹的核狀結(jié)構(gòu)層狀金屬氧化物，在生產(chǎn)過程中通過煅燒工藝調(diào)節(jié)晶相，提高材料循環(huán)穩(wěn)單晶材料無晶界，避免了循環(huán)過程晶界開裂、顆粒破碎，內(nèi)?振華新材單晶正極Na1+aNi1xyzcMnx傳統(tǒng)方法制備普魯士藍類正極材料粉末，由于顆粒粒徑小、比表面積大、以及表面吉布斯自由能大，容易出現(xiàn)團聚問題，通過機械、離1.工藝直接采取普魯士藍類化合物的溶液（對固含量進行調(diào)控加入粘接劑、導電劑等輔料形成漿料（固含20％-60活性材料分n??產(chǎn)品分子式：Na1.61Mn[Fe(CN)6]0.92□0.08(BO3)0.42·0.06H2O。鈉離子電池模組方案，解決能量問題（AB電池）?整合鋰離子電池的高能量密度和鈉離子電池的快充和低溫應用，搭配A00/A0車型擁有較大優(yōu)勢?將兩種體系的電池混搭、集成至統(tǒng)一系統(tǒng)，BMS系統(tǒng)的供應商?截止2022年06月寧德時代對廣東例為64.8%，中試線年產(chǎn)鈉電正?容百：簽訂戰(zhàn)略合作暨長期供貨協(xié)議(2023年至2025年底)，容百計劃在2023年底建成鈉電正極材料3.6萬噸/年產(chǎn)能，2024年底建?持股振華新材約1.48%，公司沙新區(qū)中科星城，共建年產(chǎn)10萬噸?杉杉股份: