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#研究报告#电池与电气系统(90):成本优势凸显,钠电池产业化加快

栏目:研究报告 作者:ZML 时间:2022-06-13 21:46:57

钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,主要在材料体系端有一定变化。目前产业化主要瓶颈在于中游材料的研发与产业链的搭建。在各大材料中,钠离子电池正极材料的选择与产业化尤为关键,其中层状金属氧化物正极有望成为行业主流路线。近几年,钠离子电池循环性能从100-200周提升至2000周以上,能量密度也逐步向磷酸铁锂电池靠近。在锂盐价格加速上涨的背景下,钠离子电池成本优势将进一步放大,其产业化进程有望加快。摘要钠离子电池介绍。钠离子电池工作原理与锂离子电池类似,其低温性能、安全性、成本(大规模量

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钠电池工作原理与锂电池类似,生产设备也基本兼容,主要在材料体系端有一定变化。目前产业化主要瓶颈在于中游材料的研发与产业链的搭建。在各大材料中,钠离子电池正极材料的选择与产业化尤为关键,其中层状金属氧化物正极有望成为行业主流路线。近几年,钠离子电池循环性能从100-200周提升至2000周以上,能量密度也逐步向磷酸铁锂电池靠近。在锂盐价格加速上涨的背景下,钠离子电池成本优势将进一步放大,其产业化进程有望加快。
摘要
钠离子电池介绍。钠离子电池工作原理与锂离子电池类似,其低温性能、安全性、成本(大规模量产后)方面具有优势或潜力,其能量密度和循环性能均介于锂电池和铅酸电池之间,可能更适合储能、两轮车等市场。在车用动力电池领域,由于能量密度和循环性能还不够强,目前还难以形成替代,不过宁德时代提出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。

钠电池与锂电差异主要在电池材料上。钠电池制造产线与锂电也基本兼容,变化主要在材料体系上。目前钠电池正极的主流是层状金属氧化物材料与普鲁士蓝类化合物。层状金属氧化物正极在循环性能、安全性能等方面更有优势,且在工艺流程、产线与当前的锂电三元正极兼容性较大,产业化上可能更具优势。普鲁士蓝类化合物能量密度更高,但循环性能一般且材料内部结晶水难去除,加上环保等问题,业内对该路线还在评估。钠电池负极主流选择是硬碳,在比容量、首次充放电效率、电位平稳性等方面均优于软碳,其比容量可达到350mAh/g以上。此外,电解液中的六氟磷酸锂将替换为六氟磷酸钠,负极集流体可以使用成本更低的铝箔,其他材料领域变化不大。

钠电池的成本优势凸显。钠电池在原理、制造设备、工艺know-how等方面总体比较接近锂电池,我们认为在材料体系成熟及产业化后,钠电池也将出现类似锂电池的成本下降曲线。大致测算,单GWh镍铁基钠电正极+集流体成本约1.66亿元,较NCM523体系与LFP体系分别下降76%、60%。即使考虑未来锂价大幅下跌,估算磷酸铁锂正极下降到3.5万元/吨(目前15万元/吨)时,铁锂电池成本才会与钠电体系的材料成本相当(放量后)。由于电动车、储能等市场的快速发展,全球碳酸锂供应链瓶颈短期难以很快化解,在这一背景下,钠电池的相对经济性就更加突出。

国内市场钠离子电池产业化加速。宁德时代、中科海纳、钠创新能源等企业相继推出性能优异的钠离子电池产品。从下游应用看,现有产品主要针对储能市场,在电动自行车、动力市场也有一些创新性的尝试,预计未来钠电池的产业化速度会进一步加快。而正极材料方面,钠电池正极的表面碱度(游离钠)含量较高,影响电池稳定性、循环性能,而在高镍三元正极中也存在相似的问题,三元正极企业通常通过对烧结、水洗流程方面的工艺改进来解决,因此具备较深工艺know-how的三元正极公司在钠电池正极材料上具备优势,其中,振华新材储备和投入比较早,已经经过多轮迭代和升级,积累深厚,当升科技、容百科技也有储备;天赐材料也具有六氟磷酸钠等配套电解液相关储备。

投资建议:宁德时代在电池上投入较大,振华新材过去长期布局层状氧化物正极,具备较快量产能力;当升科技、容百科技、中伟股份(有色联合)也有钠电正极相关储备,天赐材料(六氟磷酸钠)、鼎胜新材(铝箔,招商有色)也有相关产品。

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。
一、钠离子电池介绍
钠离子电池工作原理与锂离子电池类似。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,两者均属于摇椅式电池。主要系锂、钠同属于元素周期表IA族碱金属元素,都可以作为二次电池的金属离子载体。钠离子电池结构也主要由正、负极、电解质、隔膜、集流体等组成。从历史发展上看,两者均在上世纪七八十年代被发明,但由于锂的原子量比钠更低、离子半径更小,这使得在能量密度上,锂电池更占优势,也更早大规模商业化。

钠电池拥有更好的安全性能,低温性能优异。由于钠离子电池的内阻略微高于锂离子电池,因此在过充、过放、短路、针刺等安全性测试中均顺利通过(瞬间发热量少、温度升高较少),具有良好的安全性能。另一方面,当处于低电压时,锂离子电池的负极集流体(铜箔)较易发生氧化还原反应,从而导致电池整体的性能出现衰减甚至失效,因此在运输过程中,一般需要将锂电池的电量充到80%及以上,这在一定程度上也带来了安全问题和更高的运输风险。相反,钠电池正负极集流体均为铝箔,低电压下不会发生类似的化学反应,因此可以在其运输前将其电量完全放空,即在降低运输风险、保证运输安全的同时,又不会影响到电池后续的使用性能。

钠离子可能更适合储能领域。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,由于钠离子半径大于锂离子(钠离子半径0.102nm,锂离子半径0.076nm),所以移动速度慢于锂离子,造成其能量密度偏低,因此较难对锂电池形成替代。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交通领域应用。
二、钠离子电池材料体系发展
2.1正极材料决定钠离子电池性能

目前钠离子电池的性能主要取决于正极材料。相较于锂离子,钠离子半径和原子质量较大,导致其在电极中的嵌脱难度大,速度慢,容易导致正极材料的形态破坏。目前主流正极材料包括过渡金属氧化物材料、聚阴离子化合物材料、普鲁士蓝类化合物等。当前各类正极技术路线各具特点,根据使用场景的不同可能会影响其正极材料的选择。从目前各公司的钠电池产品正极材料的选择中,层状金属氧化物与普鲁士蓝类的占比较高。

金属氧化物材料可能成为主流。(NaxMO2( 0<x≤1,M 可为多种过渡金属元素))根据结构可以分为隧道型和层状。其中过渡金属可以使用钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和铜(Cu)等,其中锰和铁的使用较为普遍。通常当钠含量较低时( x<0.5),金属氧化物材料主要以隧道结构主,如(Na0.44MnO2)。隧道型氧化物是将不规则的多面体结构和独特的S形通道连接形成。相较与层状氧化物,隧道型氧化物具有稳定的结构,循环性能也较为稳定,但钠含量过低导致其可逆比容量较低,在实际应用中的意义相对较小。

层状金属氧化物的钠含量通常较高(x>0.5),为维持层状氧化物的稳定性和循环性能,通常引入活性或惰性元素进行掺杂或取代,并对元素的比例进行调节能够显著改善钠离子脱嵌过程中的相转变,进而获得稳定的晶体结构。目前主流掺杂元素有锰、铁、铜、镍、铝等元素。层状氧化物正极正在逐步成为钠电正极的主流选择,不同元素的掺混比例极大的影响了材料的克容量和稳定性。

聚阴离子化合物中阴离子通常采用磷酸盐、焦磷酸盐和硫酸盐等,而金属离子为铁、锰、钒等可变价态的金属离子。与过渡金属氧化物相比,聚阴离子多面体中的氧原子具有很强的共价键,使钠离子扩散方面表现出稳定的框架结构,从而具有较好的热稳定性、安全性和循环寿命,但也存在比容量较低和导电性偏低的缺点。常见的钠离子电池正极材料有磷酸钒钠等。根据行业反馈,该体系与磷酸铁锂电池在结构、电压平台等方面相似性较大,在钠离子电池发展初期为大部分企业的研发首选,产业化进程较快,但由于钒的毒性较大,且成本较高,相较于磷酸铁锂,性价比较低。

普鲁士蓝/白类化合物(PBAs)具有三维立体开放结构,使其具备稳定的结构和较大的间隙位置,可以允许碱离子的可逆脱嵌。具备电化学性能优异、成本低、稳定性好等优点,但由于含有氰基(CN)具有潜在毒性,可能带来环境污染问题。同时材料内存在结晶水、配位水,易造成铁离子氧化,影响可逆克容量和循环性能。宁德时代尝试采用中性配体参与过渡金属的配位,部分或完全取代配位水,从而降低甚至去除材料中配位水的含量,有望改善循环性能。
三元正极企业在钠离子层状金属氧化物正极的产业化上更具优势。目前主流的锂电三元正极与钠电池的金属氧化物正极均属于层状结构。两者在合成工艺上相似度较大,工艺中的条件控制可能更复杂(掺杂元素可能更多)。钠电正极在生产过程中考虑到钠元素的流失,往往会加入过量钠盐,导致材料烧结后钠盐残留,主要以碳酸钠和氢氧化钠形式存在,造成碱度过高。这会使得材料在在加工过程中易吸水受潮,在搅浆过程中黏度增加,容易形成果冻状,导致加工性能变差。表面碱性化合物还会形成不可逆的容量损失,同时恶化循环性能。如何有效降低碱度目前成为提高钠离子电池性能以及加速其产业化进程的主要瓶颈之一。

在锂电池正极生产流程中,也存在类似的碱度问题,主要依靠企业对烧结、水洗等工艺的know-how,在降低材料表面的碱度的同时仍保持较好的容量性能。三元正极企业纷纷披露相关钠电正极研发进展,其中,振华新材储备和投入比较早,已经经过多轮迭代和升级,积累深厚,当升科技、容百科技也有储备。

钠电池产业化对锰源的需求有一定拉动。无论是普鲁士蓝类正极还是层状金属氧化物正极,在综合考虑原材料成本与各金属元素化学性能后,锰铁基钠离子层状氧化物材料(如Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 等)和锰铁基普鲁士蓝材料(如Na1.8MnFe(CN)6等)可能成为主流的选择,两者均需要较大的锰金属用量。经测算,每GWH钠离子电池需要1800-2000吨钠电池正极材料,对应硫酸锰(假设为锰源)用量约1000-1500吨(根据正极材料的不同)。
2.2 硬碳可能成为钠离子负极的主流选择

负极材料可能成钠电池负极的主要选择。钠电池的主流负极材料包括碳负极材料、金属氧化物材料、合金材料和有机负极材料等。其中碳负极材料是目前最有希望走向商业化的选择,其可逆容量和循环性能均已接近商业化应用的要求,但目前主要瓶颈在于其生产成本较高。

碳负极材料主要分为软碳和硬碳。其中软碳又称为易石墨化碳材料,是指在2500℃以上的高温下能石墨化的无定型碳,常见的有石油焦、针状焦、碳纤维和碳微球等。软碳主要用作人造石墨原料,目前在锂电池中的使用已经很广泛,但用于钠离子电池负极时,由于钠离子的半径比锂离子要大很多,其在石墨层间脱嵌困难,导致储钠性能较差。硬碳又称为难石墨化碳材料,其在2500℃以上的高温条件下也难以石墨化,常见的硬碳有树脂碳、有机聚合物热解碳、碳黑及生物质碳等。硬碳作为钠离子负极材料在比容量、首次充放电效率、电位平稳性等方面均优于软碳,其比容量可达到350mAh/g以上。目前主流钠离子电池生产商也主要是采用硬碳作为负极材料。
2.3 钠电池产业化加速,电池铝箔有望受益

钠离子电池正负集流体均采用铝箔,可以大幅降低生产成本。集流体在电池中起到承载活性物质的作用,将电化学反应所产生的电子汇集起来导至外电路,从而实现化学能转化为电能的过程。传统锂离子电池中,负极集流体无法使用铝箔,锂与铝易发生合金化反应。而在钠离子电池中,没有这种问题,因此钠离子的负极集流体可以使用铝箔替代铜箔。目前市场上电池级别铜箔售价约为(100-110 元/kg)约为电池级铝箔(30-35 元/kg)的三倍,因此在集流体部分,钠离子电池成本相比锂电池将降低。

钠电池产业化加速,有望提升电池铝箔需求。锂离子电池中铝箔单GWh用量约为400-500吨,而在钠离子电池中,由于正负极集流体都可采用铝箔,在用量上相较于锂离子电池可能提升50%以上。根据鑫椤锂电数据,目前国内电池铝箔厂商主要有鼎胜新材、华北铝业、常铝股份、万顺新材等,其中鼎胜新材2021年国内市占率约40%。
三、锂盐价格上行,钠电池成本优势凸显
锂盐价格持续上行,钠离子电池产业化加速。新能源车、储能行业的快速发展,带来巨大的锂电池需求。自2021年起,锂盐(碳酸锂)价格开始进入上升期,2022年以来一度突破50万元/吨。锂盐价格的高速上行导致锂电池成本大幅上涨,经测算碳酸锂每涨价5万元/吨,估算铁锂、三元(5系)电池成本(考虑正极、6F)增长31、39元/KWh,一辆70KWh的车成本增加2170、2730元。锂的过度涨价从而对终端消费产生的负面影响目前已经有所显现。这也使得钠离子电池的原材料成本优势进一步放大,对比两者的碳酸盐成本,单吨售价差距已经突破200倍。

在过去几年,钠离子电池研究取得了较大的突破,循环性能从最初的100-200周提升至目前的2000周以上,能量密度也逐步向磷酸铁锂电池靠近。根据正极材料的不同,各个钠离子电池体系的研究均取得较大进展。目前从多个维度进行评判:

A、能量密度:普鲁士蓝/白类>=铁锰基层状金属氧化物>聚阴离子类(磷酸钒钠)
B、循环性能:聚阴离子类(磷酸钒钠)>铁锰基层状金属氧化物>普鲁士蓝/白类
C、成本:普鲁士蓝/白类<铁锰基层状金属氧化物<聚阴离子类(磷酸钒钠)
D、安全性能:铁锰基层状金属氧化物>聚阴离子类(磷酸钒钠)>=普鲁士蓝/白类

钠电池原材料优势凸显。相较于锂资源,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。且钠离子电池对保障我国资源供给具有重要战略意义。我国拥有世界锂资源储量的5.93%,目前已发现的储锂量540万吨,排在全球第五,且我国锂矿品味、开采规模和采选技术与国外相比仍有一定差距。这使得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。
钠电材料成本优势凸显,制造成本有望持续下降。钠电池材料体系的成本优势主要来自于正极与集流体,经测算,单GWh镍铁基钠电正极+集流体成本约1.66亿元,较NCM523体系、LFP体系分别下降76%、60%。即使考虑未来锂价大幅下跌,带动锂电正极价格回落,经测算当磷酸铁锂正极下滑到3.5万元/吨(目前15万元/吨)时,铁锂电池成本才会与钠电体系的材料成本相当(放量后)。

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。不过,由于钠离子电池上下游产业链不完善,制备工艺不够成熟导致产品良品率偏低,目前的钠离子生产成本仍高于锂离子电池。但未来随着钠离子电池上下游产业链完善后实现规模化效应后,其降本空间更大。
四、钠离子电池产业化正在加速
宁德时代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)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。同时宁德时代开发的AB电池解决方案,即将锂钠电池按一定的比例和排列进行混搭、串联、并联、集成,既发挥了高功率、低温性能的优势,还弥补了钠电池的能量密度短板,使得钠离子电池在动力领域的应用成为可能。

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150Wh/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。2021年12月23日,中科海钠宣布将与三峡能源、三峡资本以及安徽省阜阳市人民政府展开合作,建设全球首条钠离子规模化量产线:该产线规划产能5GWh,分两期建设,一期1GWh将于2022年正式投产,产品主要用于三峡能源的储能项目。

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14%,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40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。2021年11月,公司年产8万吨钠离子电池正极材料项目正式签约,建设包括铁酸钠三元正极材料前驱体及正极材料产线。

大规模产业化可能在2023年。目前国内钠离子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。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。在正极材料方面,由于钠电池正极的表面碱度(游离钠)含量较高,影响电池稳定性、循环性能,而在高镍三元正极中也存在相似的问题,三元正极企业通常通过对烧结、水洗流程方面的工艺改进来解决,因此具备较深工艺know-how的三元正极公司在钠电池正极材料上具备优势,其中,振华新材储备和投入比较早,已经经过多轮迭代和升级,积累深厚,当升科技、容百科技也有储备;天赐材料也具有六氟磷酸钠等配套电解液相关储备。
五、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,主要在材料体系端有一定变化。目前产业化主要瓶颈在于中游材料的研发与产业链的搭建。在各大材料中,钠离子电池正极材料的选择与产业化尤为关键,其中层状金属氧化物正极有望成为行业主流路线。近几年,钠离子电池循环性能从100-200周提升至2000周以上,能量密度也逐步向磷酸铁锂电池靠近。在锂盐价格加速上涨的背景下,钠离子电池成本优势将进一步放大,其产业化进程有望加快。

推荐与关注:宁德时代、振华新材、当升科技、容百科技、中伟股份(有色联合)、鼎胜新材(有色联合)。
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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。
文章来自#赚美了#,一个专注赛道股投研的平台,www.zhuanmeile.com
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