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皇冠投注平台出租(www.hg8080.vip):钠离子电池热度飙升!产业化中有两类企业备受关注

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近期,钠离子电池赛道热闹了起来。


1月12日,星恒电源股份有限公司宣布推出钠离子电池超钠F17,计划将于2023年3月上市;1月10日,超威集团与璞钠能源正式发布钠离子新型电池。


得益于成本低、技术不难突破等原因,钠离子电池的研发与落地正在加速。


一、钠离子电池优势


钠离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质和隔膜等关键部件组成。钠离子电池 的工作原理和锂离子电池相似,都属于“摇椅式”。充电时钠离子从正极材料脱出后,经过 电解质嵌入负极材料中。与此同时电子则从正极经由外电路运动到负极,以维系整个系统 的电荷平衡。放电过程则与充电过程相反。其中钠离子电池正、负极材料体系为决定性因 素,电解质主要与正、负极材料体系进行选择匹配使用。


与锂电池相比,钠电池的优势在于:1)资源丰富和低成本:相比锂离子的稀缺性,钠离 子在地壳元素中的储能更丰富,因而成本低,可成为锂离子电池很好的补充,截至 2022 年 11 月数据,碳酸钠价格约为碳酸锂价格的 1/200,此外钠电池的正负极均采用铝箔,可进一 步降低成本;2)宽温性:在-40℃~80℃的温度范围内均有较好的容量保持率;3) 快充和倍率 性好:相同浓度的钠离子电池电解液比锂离子电池电解液具有更高的离子电导率,同时钠离 子在极性溶剂中具有更低的溶剂化能,使其在电解液中具有更快的动力学性质,具有更高的 电导率;4)安全性:钠电池可在零电压下保存及运输,无运输安全风险,在短路时,自发热 热量少,无起火/爆炸等隐患;5)生产:与锂离子电池具有类似的工作原理和材料构成,生产 经验和设备可以部分兼容.

二、电极材料技术分析:主流路线基本明晰


(1) 正极材料:层状氧化物是主流方向。 针对钠离子电池的两个痛点,电极材料是改进其能量密度、电压与循环性能的关键。只 有研发出适于钠离子稳定脱嵌的正负极材料,才能推进钠离子电池的实用化。已有的正极材 料主要包括层状氧化物材料、聚阴离子材料和普鲁士蓝/白类材料。其中,层状氧化物材料为 目前钠离子电池的主流方向。


三种钠电正极材料性能各具优劣,分别对应不同的应用场景,各家企业布局不同。 (1)层状氧化物:与锂离子电池三元材料均为一种嵌入或插层型化合物,二者生产工艺类 型相同,且产线可以共用,工艺成熟度相对较高。在性能方面,层状氧化物具有比容量高、 压实密度高等,结构利于储钠,但结构存在相变,导致循环性能和稳定性较差;此外,层状 氧化物极易与空气中的水和二氧化碳等物质反应,在晶体结构表面形成副产物,未来应用场 景偏向于动力和性能要求较高的领域。


根据钠离子的配位环境和氧的堆积方式,层状氧化物可分为 O3、P3、P2、O2 等,其中 O3 型材料和 P2 性材料的发展前景较好。O3 型材料(如 NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2 等)具有 更高的钠含量,能量密度更高,但由于钠离子迁移的扩散能垒高,故其循环寿命较差。P2 型 材料(如 Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2 等)循环寿命较好、空气稳定性较高,但比容量 略低。布局企业包括中科海纳、宁德时代、钠创新能源和 Faradian 等。


(2)聚阴离子:具有稳定的框架结构,使得该类材料具有优越的热稳定性、循环寿命和安 全性,但大质量的阴离子基团较多,导致材料的导电性和比容量较差,且能量密度较低,适 宜在混动车、不间断电源等领域应用。常见的聚阴离子材料有硫酸铁钠、磷酸铁钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、焦磷酸盐等。其 中硫酸根比磷酸根电负性强、工作电压更高,且硫酸盐系材料具有低成本的优势,但其易吸 潮分解使得材料的循环寿命比较差。钒基聚阴离子材料具有较高的工作电压(3.4~3.8V)和较 高的理论比容量,但由于钒成本较高且具有毒性,削弱了其作为钠离子电池材料的性价比优 势。布局企业包括众钠能源、钠创新能源和 Naiades 等。


(3)普鲁士蓝类:发展较晚,成本最低,能量密度较高,开放三维结构利于钠离子脱 嵌,安全性、倍率性好,但制备过程中难以控制配位水,导电性和循环寿命较低,合成条 件苛刻,且氰化物具有潜在毒性,目前主要的制备方法是共沉淀法和水热法,更适用于大 规模推广的场景,例如储能电站。布局企业包括宁德时代、星空钠电和 Natron Energy 等。


层状氧化物是目前研发进展最快的正极材料,有望率先实现量产。中科海纳作为聚焦层 状氧化物正极材料的代表公司,在技术研发方面进展迅速。层状氧化物的研发主要需要克服 复杂结构演变、不可逆相转变、传输动力学差、空气稳定性差等关键科学问题。中科海钠在 国际上首次发现 Cu2+/Cu3+氧化还原电对在含钠层状氧化物中高度可逆。基于此,公司设计 和制备出低成本、环境友好的 Na-Cu-Fe-Mn-M-O 层状氧化物正极材料(铜铁锰皆为廉价金 属),该正极材料的专利已经在中国、日本、美国、欧盟获得授权。


(2) 负极材料的改进:软碳、硬碳优劣不一 。碳基材料中首选无定形碳材料。目前可以作电池负极材料的碳基类材料主要包括石墨 类碳材料和无定形碳(硬碳和软碳)材料。在锂离子电池负极中常用的石墨材料,由于热力学 原因,无法与钠离子形成稳定的化合物,因此钠离子电池难以使用石墨作为负极材料。碳纳 米材料主要包括石墨烯、碳纳米管等,依靠表面吸附实现钠的存储,可实现快速充放电,但 存在库仑效率低、循环性差等问题使其难以获得实际应用。层间距较大的无定形碳材料因具 有较高的储钠容量、较低的储钠电位和优异的循环稳定性,成为最具应用前景的钠离子电池 负极材料。


无定形碳材料中首选硬碳材料。在碳基材料中,相比于石墨等软碳材料而言,硬碳材料 无法石墨化。硬碳材料的碳层排列规整度低于软碳材料,其层间可以形成较多的微孔以方便 钠离子的脱嵌。硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多性能优 势,同时具备碳源丰富、低成本、无毒环保等优势,与石墨电极相比,在冷启动和快速充电 模式方面也更具优势,是当前首选的钠离子电池负极材料。


硬碳作为负极材料时也存在部分缺点,如电极电位低、首圈库伦效率低和循环稳定性差 等,这对硬碳基负极材料的产业化应用造成了障碍。虽然对硬碳材料的储能机理有待进一步 确认,但是关于硬碳储钠性能的提升策略已经呈现了共通之处。硬碳材料储钠性能(倍率、 比容量、首圈库伦效率)提升的策略主要集中在以下几个方面:通过调控前驱体的合成及热 解过程调控硬碳的孔隙结构和层间距;与其他材料的包覆和复合、杂原子掺杂等来调控材料 的缺陷程度和层间距;电解液的调控和预钠化的处理。


(3) 电解液:溶剂类似,差异点在于钠电池主要采用六氟磷酸钠 。钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液类似,可以沿用现有锂离子电池的部分生 产装备与技术。NaPF6 和 NaClO4 是最常被研究的两种钠盐。NaPF6 直至 300℃几乎没有质 量损失,PC 基(碳酸丙烯酯)电解液中导电率最高。由于其合成原理与 LiPF6 相似,在制造 工艺方面可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备兼容,成为了钠离子电池电解液的主流 方向。NaClO4 拥有离子迁移速度快、热稳定性强、成本低等优势,但含水量高、易爆炸和 高毒性等不足影响了其实际应用。相对于传统的钠盐 NaPF6 和 NaClO4,含氟磺酰基团的钠 盐(NaTFSI,NaFTFSI,NaFSI 等)具有较高的热稳定性和无毒的特点,但是由于其阴离子对 于铝箔集流体具有腐蚀作用,所以很少被当作单独的钠盐来使用。

三、成本:量产后将具有突出的材料成本优势


当前钠电芯的材料成本约为 0.427 元/Wh,磷酸铁锂电芯的材料成本约为 0.627 元/Wh, 当碳酸锂价格降低至 20 万元/吨时,磷酸铁锂电芯的材料成本与钠电芯的材料成本相当。考 虑到制造工艺和设备十分相近,假设钠电池产业链成熟后,与锂电池的单位制造成本相同, 因此主要对比二者的材料成本。按照目前的材料价格和单耗,我们估算钠电芯的材料成本约 为 0.427 元/Wh,其中正极材料、负极材料和电解液占据较高比例;当大规模量产后,假设 材料能量密度提升带来单 GWh 材料消耗量、产业发展成本降低带来售价的下降,我们估算产业成熟后,钠电芯的材料成本约为 0.285 元/Wh;在目前碳酸锂价格约为 50 万元的情况 下,磷酸铁锂电芯的材料成本约为 0.627 元/Wh;当碳酸锂降价 30 万元/吨至 20 万元/吨时, 我们计算得到磷酸铁锂电芯的材料成本约为 0.438 元/Wh,与目前钠电芯的材料成本相当。


四、钠电池未来几年应用领域


1:替代铅酸电池(因为污染问题,国外已淘汰,国内还没),铅酸电池虽然成本很低,但是污染环保问题,加上循环次数只有几百次,且能量密度只有钠电池的五分之一,被大量替代是迟早的,最快的替代是在两轮电动车领域。按照目前国内铅酸电池的年产量200gwh左右,替代的空间在千亿级。


2:a00级(微型车),也就是对能量密度和循环次数要求不高的汽车领域,大概在续航300公里以内。但随着钠电池能量密度提升,预计3年内钠电池能量密度达到200wh/kg(相当于目前的磷酸铁锂),那么续航里程可以达到400公里以内,那么钠电池由于自身的天生优势可以进一步应用在ao级和a级车,实现对动力锂电池的一部分替代。更长远的固态钠电池的能量密度将达到250wh/kg,那么可以应用在600公里以内续航的电动车。这块长远来看起码也是有几千亿级市场。


3:储能,由于要实现2030碳达峰,2060年碳中和的宏伟目标,全球的能源革命开始,新能源行业风,光,储爆发,长期来说,这块行业甚至比新能源汽车行业更大,几万亿级别的市场。在储能领域尤其大储,对储能电池的能量密度要求相对低,更侧重与安全和循环次数,那么钠电池由于成本优势,安全性,低温性能占据电化学储能的一定份额。在储能领域目前钠电池的主要弱点是循环次数不如锂电池,但钠电池的聚阴离子化合物路线的循环次数将达到10000次以上(能量密度低于120wh/kg)预计将在2023年底或2024年初商业化。钠电池应用在电化学储能这块,中期来也有千亿级市场,长期来看是万亿级市场。


4:基站备用电源&通讯电源,这块应该可以快速替代一部分,市场空间百亿级。


五、产业化元年将开启,两类企业备受关注


由于钠离子储量为锂储量420倍,存量丰富、价格低廉,成本较锂电池可减低30%~40%,且钠电池安全性、高低温、快充性能更优异,因此在储能、两轮车等市场具备广阔应用空间。在锂资源短缺、价格大幅度上涨的情况下,钠离子电池获得政策力推、资本争相入局,相关企业纷纷开始布局钠离子电池产业,多家企业更是宣布电池及正负极、电解液材料量产在即,行业驶入发展快车道。目前,新规划的钠离子电池产能超过30GWh。


除了钠离子电池的产能规划已提上日程外,在原材料端,预计2023年也将形成万吨级规模的钠离子电池正极产能。其中仅容百科技、钠创新能源、美联新材远期规划近30万吨正极产能,满足近115GWh的电池装机需求。国内主要负极制造商均已开始布局,目前形成千吨级规模的钠离子电池负极产能。


在锂离子电池成熟产业链的基础上,钠离子电池产业化不断提速。以宁德时代为代表的锂离子电池龙头、以中科海纳为代表的科研创新公司和以传艺科技为代表的新兴企业都在加速推进钠离子离子电池产业化。

目前,国内钠离子产业化中有两类企业备受关注:


一类是以宁德时代为首的锂电龙头企业,具备规模化起量迅速、上下游客户结构稳定两大在位者优势,有利于其快速抢占钠电市场。


另一类是以中科海钠为首的专注于钠离子电池研发的新锐企业。其研发基础雄厚,涉及电池、正负极、电解液、隔膜等全领域,量产走在世界前列,具备先行开拓市场潜力。


目前,国内在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场应用推广等方面的工作正在全面展开,钠离子电池即将进入商业化应用阶段。长远来看,钠离子电池已具备量产技术,但大规模应用还需2~3年时间,且应用领域主要集中于储能、两轮车,动力电池仍以锂离子电池为主。


东吴证券表示,未来钠离子电池首先取代铅酸电池首先取代铅酸电池并逐步实现两轮车、后备/启停电源等领域的无铅化,并在大规模储能需求爆发对磷酸铁锂电池部分替代,预计钠离子电池2025年需求超100GWh,其中储能、两轮车、A级车需求分别为59、15、26GWh,对应正极、负极、电解液、隔膜、铝箔需求分别为24万吨、13万吨、16万吨、22亿平、8.5万吨。东吴证券预计,2023年为钠电产业化元年,实现小批量出货,2024年实现大批量量产,规模有望达到30GWh。


来源:​浩哥聊投资,未来智库,中国化工信息周刊

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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