新能车前沿技术深度研究之二：钠离子电池.pptx

新能车前沿技术深度研究之二：钠离子电池.pptx

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,目录,3,钠电池介绍钠电池与锂电池的比较钠电池工艺及材料钠电池产业链分析,资料来源：

Electronicsweekly，方正证券研究所,钠离子电池原理与锂离子电池一致钠离子电池是摇椅式二次电池，与锂离子电池原理一致。

钠和锂属同一主族元素，在电池工作中均表现出相似的“摇椅式”电化学充放电行为。

钠离子电池在充电过程中，钠离子从阴极脱出并嵌入阳极，同时电子通过外部电路，嵌入阳极的钠离子越多，充电容量越高；放电时，发生相反的过程，回到正极的钠离子越多，放电容量越高。

与锂离子电池内部结构一致，钠离子置换锂离子。

与锂电池一样，钠电池主要由正极、负极、集流体、电解液和隔膜组成。

由于钠离子的半径比较大，因此阴阳极材料优先选择规律的层状结构，通过层间距的设计是钠电池性能表现的关键参数。

图表：

钠电池工作原理,4,资料来源：

方正证券研究所整理,钠电池发展历时五十多年，国内外没有明显差距,钠离子和锂离子电池研究均起始于20世纪70年代，由于储能需求日益增长，低成本储能电池技术的需求愈发紧迫，钠离子电池研究在近十年内突飞猛进。

图表：

钠离子电池发展历程,中科院在2010年开始研发钠离子电池，是国内早涉及该领域的组织机构,最早出现钠离子电池相关研究,交大发布国家首台钠离子电池储能系统,宁德时代7月发布钠电池，加速产业化,全球首家钠离子电池公司，英国Faradion公司成立,中科院发布软包电池示范,国内主要研发钠离子电池的公司中科海钠成立,首座100kWh钠电池储能示范发布,中科海钠发布第一辆钠离子电动车示范,2021年,2019年,2018年,2017年,2015年,2015年,2011年,2010年,20世纪70年代,5,资料来源：

CNESA，方正证券研究所,早期：

钠离子基础研究始于20世纪70年代，主要用于储能场景,20世纪70年代末期，人们对钠离子电池和锂离子电池几乎同时开展研究工作，但由于受到当时研究条件的限制以及锂离子电池的浓厚兴趣使得钠离子电池在早期研究处于缓慢和停滞状态，早期钠离子电池研究主要集中在钠硫电池。

钠硫电池最早由在美国福特公司工作的Kummer和Weber于1966年提出，早期的研究主要集中在电动汽车的应用上。

早期钠硫电池以其低成本和能量密度的明显优势，在大规模储能系统方面得到了广泛的研究和应用。

钠硫电池仍面临循环过程中容量衰减快、可逆容量低的关键挑战。

这些问题是由在充电/放电过程中形成的硫和含硫物质的低电子电导率引起的。

同时，不可避免地溶解的可溶性多硫化物严重穿梭于负极，参与氧化还原反应，在负极表面形成不溶性硫化物，导致库伦效率低和活性物质损失，这些问题都阻碍了钠硫电池的进一步发展。

图表：

2012年钠硫电池为全球电化学储能主流技术,钠硫电池,锂离子电池,其他,6,资料来源：

储能世界，方正证券研究所,图表：

电池级碳酸锂价格上涨至9万/吨,钠离子电池研究受到重视，主要由于：

1）铅酸电池环境污染不可避免：

其固态、气态污染可能可以消除，但无法避免水溶性铅重金属离子的污染；2）锂资源储量有限：

目前全球70%锂资源分布在南美洲，我国锂资源80%依赖进口，锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业的需求；3）钠离子电池成本优势：

目前电池级碳酸锂的价格已上涨至约9万元/吨，而钠容易获取，钠离子电池成本优势明显。

中期：

锂资源紧张局势凸显，钠离子电池研究开始受重视,图表：

2017年中国锂资源供应体系结构,澳大利亚锂辉石国内盐湖南美盐湖国内锂云母国内锂辉石,资料来源：

Wind，方正证券研究所,7,资料来源：

中国储能网，方正证券研究所,当前：

从实验室走向实用化阶段，已有多家企业布局国内钠离子电池技术研究现处于世界前列。

浙江钠创新能源制备了NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元层状氧化物正极-硬碳负极体系的钠离子软包电芯，能量密度达到100120Wh/kg，循环1000次后容量保持率超过92%。

依托中科院物理研究所技术的中科海钠公司已经研制出能量密度高于135Wh/kg的钠离子电池，平均工作电压为3.2V，在100%深度放电，循环1000次后容量保持率为91%，现已实现正、负极材料的百吨级制备及小批量供货，钠离子电芯也具备了MWh级的制造能力，并率先完成了在低速电动车和30kW、100kWh储能电站的示范作用。

海外也有多家企业布局钠离子电池：

1）英国Faradion公司较早开展钠离子电池技术的研发，其正极材料为镍、锰、钛层状氧化物，负极材料采用硬碳，且公司已研制出10Ah软包电池样品，能量密度达到140Wh/kg，电池平均工作电压为3.2V，在80%放电深度下的循环寿命预测可超过1000次；2）美国NatronEnergy采用普鲁士蓝材料开发了高倍率水系钠离子电池，2C倍率下的循环寿命达到10000次；3）日本丰田公司电池研究部在2015年宣布开发出了新的钠离子电池正极材料体系。

图表：

钠离子电池企业布局,8,全球主要钠电池制造企业的开发状态,9,资料来源：

中国储能网，公司官网，方正证券研究所,资料来源：

方正证券研究所,钠离子电池下游应用与磷酸铁锂有一定重叠由于能量密度限制，钠离子的应用场景更多是在储能、两轮车等领域。

钠离子电池与NCM呈互补关系，与LFP存在一定的替换关系。

宁德时代宣布的AB钠锂电池方案，可能会拓宽在乘用车领域的应用场景。

图表：

钠离子应用场景AB钠锂电池方案提供乘用车应用的可能钠离子电池,10,图表：

钠离子电池空间测算,钠电池的空间测算储能市场预计每年保持50%以上增速，假设产业链如期推进，偌全部采用钠电池，预计25年钠电池的潜在市场将达到272GWh。

资料来源：

方正证券研究所,11,目录,12,钠电池介绍钠电池与锂电池的比较钠电池工艺及材料钠电池产业链分析,资料来源：

中国储能网，中科海钠官网，方正证券研究所,13,钠离子电池能力密度70-200Wh/Kg，循环可达10000次能量密度来看，钠离子电池能力密度70-200Wh/Kg，与NCM锂电池240-350Wh/Kg的能量密度范围没有冲突，理论上高能量钠电池和LFP电池在同一水平，现阶段钠电池主要集中在130-150Wh/Kg区间。

循环来看，钠电池的理论循环可以达到10000次，现阶段在3000-4000左右，与LFP锂电池还有一点差距。

图表：

钠离子电池与铅酸、锂离子电池当前性能比较,资料来源：

CNKI储能用钠离子电池的发展，方正证券研究所,14,钠离子电池快充性能较锂离子电池更优钠离子对比锂离子：

1）斯托克斯直径更小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率，或者更低浓度电解液可以达到同样离子电导率，快充性能好；2）尽管钠离子较锂离子半径更大，很难嵌入电极晶体结构中导致其移动速率较慢，但该缺点可以通过改变负极材料特性而改善。

早在2017年合肥工业大学材料科学与工程学院团队就利用氯化钠模板法结合优化的碳源组成制备出的三位无定形碳材料，实现了对其微观孔隙与微观结构的有效调控。

图表：

钠与锂物理化学性质差异,资料来源：

中国储能网，方正证券研究所,图表：

2011-2021年全球发生多起储能电站爆炸事故,钠离子电池安全性较锂离子更高全球锂电池起火事故频出，电动车、储能起火事故频发，据不完全统计，2011-2021年全球共发生32起储能电站起火爆炸事故，其中26起事故采用三元锂离子电池。

钠离子电池电化学性能相对稳定，热失控过程中容易钝化失活，安全实验表现较锂离子电池更好。

目前，钠离子电池已通过中汽中心的检测，针刺时不冒烟、不起火、不爆炸，经受短路、过充、过放、挤压等实验也不起火燃烧。

对比锂离子电池起始自加热温度达到165，钠离子电池则达到260；且在ARC测试中钠离子电池最大自加热速度显著低于锂离子电池，这些均表明钠离子电池具有更好的热稳定性。

图表：

18650型钠离子电池安全性测试,资料来源：

新能源leader，方正证券研究所,15,钠电池成本分析,材料成本下降30-40%，现阶段成本在0.6-0.8元区间主要通过替换锂元素降本（正极和电解液），通过无烟煤降低负极成本，同时替换掉负极的铜箔之后，成本能有30-40%的材料降幅。

现阶段供应链不完整，同时生产工艺待提升，样品成本在0.6-0.8元左右，小规模以后物料价格0.6元/Wh，未来技术进一步成熟、规模进一步扩大，理论上能降到0.2-0.3元/Wh。

图表：

钠离子电池成本可较锂离子电池低30%-40%,钠离子电池成本Vs.锂离子电池成本,43%,11%,15%,13%,13%,5%,材料成本降低3040%,16,正极材料,负极材料,隔膜,集流体,电解液其他,注：

钠离子电池选用NaCuFeMnO/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体系资料来源：

中科海钠官网，方正证券研究所,钠离子电池成本能低-锂,我国80%的锂资源供应依赖进口，是全球锂资源第一进口国。

我国锂资源主要分为卤水型和矿石型，其中卤水型占比85%，而矿石型占比15%。

整体上我国盐湖锂资源品质和外部开发条件较差，导致开发难度大、成本高，供应能力较弱。

我锂已上升为战略资源，现阶段中国高度依赖进口，尤其是澳洲进口依赖度高。

现阶段澳洲已出现将锂产业链回迁本土、对锂资源出口限制的趋势，加之中澳两国关系恶化，战略角度看，必须确保锂资源供应安全，国内锂资源价值重估。

随着对锂离子电池需求的快速增长，锂资源的供应情况却变得越来越紧张。

近期电池级碳酸锂价格持续上涨至9万/吨，而碳酸钠价格仅数千元/吨。

图表：

电池级碳酸锂价格上涨至9万/吨,资料来源：

Wind，方正证券研究所,资料来源：

USGS，方正证券研究所,图表：

全球探明锂资源储量,中国,澳大利亚,智利,玻利维亚,阿根廷,美国,塞尔维亚俄罗斯,刚果,捷克,墨西哥,加拿大,17,钠离子电池成本能低-铜箔/负极,集流体：

锂电池以石墨为负极，铝制集流体在低电位下易与锂发生合金化反应而被消耗，因此锂电池负极集流体为铜箔。

钠离子电池正负极集流体均为铝箔，铝与钠在低电位不会发生合金化反应，因此钠离子电池可以选择更便宜的铝做集流体。

负极：

无定型碳材料（包括软碳、硬碳）是目前最有希望走向商业化的，其可逆容量和循环性能均已接近应用要求。

目前开发的无烟煤基无定型碳材料是性价比最高的钠离子电池负极材料，中科海钠采用无烟煤作为碳源前驱体，平均1800元/吨，用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。

图表：

锂离子电池各部分成本占比,正极材料负极材料电解液隔膜集流体其他资料来源：

中科海钠官网，方正证券研究所,18,目录,19,钠电池介绍钠电池与锂电池的比较钠电池工艺及材料钠电池产业链分析,资料来源：

钜大锂电，方正证券研究所,负极集流体：

铜箔铝箔,电解液：

六氟磷酸锂六氟磷酸钠/高氯酸钠溶剂：

碳酸丙烯酯（PC）,正极材料：

（不含锂）LFP/NCM铁锰铜/普鲁士蓝,负极材料：

石墨硬碳,隔离膜：

无变化,20,钠电池结构与工艺钠电池中不再有锂离子，除隔离膜外原材料均有变化，锂电池设备基本复用。

与锂电池结构一样，同样由正极材料、负极材料、集流体、隔离膜、电解液和壳体、顶盖组成。

正极材料进展较快的是，铜状氧化物的镍铁锰/铜铁锰体系和普鲁士化合物路线；负极材料进展比较快的是碳基材料；电解液主盐从六氟磷酸锂变成六氟磷酸钠；负极集流体可以从铜箔变为铝箔；隔离膜保持原先产品；电池厂产线可以完全复用，设备的小升级可以实现，基本没有额外固定资产投资。

图表：

钠离子电池结构正极集流体：

铝箔无变化,正极路线：

主要过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士化合物和非晶态材料四种路线,资料来源：

CNKI钠离子电池关键电极材料研究进展，方正证券研究所,正极主要有四种路线，重点关注过度金属氧化物和普鲁士化合物路线正极路线主要有：

过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士化合物和非晶态材料四种路线。

过渡金属氧化物是目前最受欢迎的正极材料，例如磷酸铁钠、锰酸铁钠、钛锰酸钠等，中科海钠、钠创新能源和Faradion是该路线的主要公司。

普鲁士类材料，具有较好的电化学性能，具备成