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1、钠离子电池技术与产业初探1 .什么是钠离子电池一一原理与结构1.1. 发展历程钠离子电池的研发起步较早，产业化应用的速度不及锂离子电池，但近年来学术 研究和产业应用的热度持续上升。1979年法国的Armand提出了 “摇椅式电池”的概念，开启了锂离子和钠离子 电池的研究。到20世纪80年代后期，锂离子电池得到了快速地发展和 应用，其标志为1991年SONY公司成功进行了商业化应用。2010年以后， 中美日韩各国开始引领锂离子电池在动力领域 的发展。近年来，锂离子电池在 消费、动力和储能三大类领域得到了广泛的应用。而从20世纪80年代开始，钠离子电池的研究一直进展缓慢和停滞。直到2000年，硬碳
2、 负极材料的发现才使得钠离子电池迎来了转折。到2010年前后，钠离子电池的相关学术研究快速增加。到2020年，全 球已有二十多家企业致力于钠离子电池的研发，意味着钠离子电池正在逐步走 向产业化应用。1.2. 工作原理钠离子电池与锂离子电池均属于二次电池，其工作原理都是“摇椅式“。钠离 子电池在充电时，Na+从正极脱出，经电解液横穿隔膜嵌入负极，使正极处于高电 势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态；放电过程则与之相反，Na+从负极脱出, 经电解液 穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。理想的充放电情况 下，Na+在正负极材 料间的嵌入和脱出不会破坏材料的晶体结构，充放电过程发 生的电化学反应
3、是高度可逆的。以锂离子4.5V的电压窗口为基准，钠离子的电压窗口可达4. 2V,相对较宽， 可实现达到相对较高的能量密度，适合作为电荷载体。但钠离子的质荷比和离 子半径都比锂离子大，因而钠离子电池的质量能量密度和体积能量密度理论上 均不及锂离子电池。且钠离子半径较大，这意味着在电池的运行过程中，钠离 子在材料中的嵌入和脱出，对材料的结构稳定 性和动力学提出了更高的要求。1.3. 主要材料与锂离子电池相同，钠离子电池的构成同样主要包括正极、负极、隔膜、电解液 和集流体等，但在材料选择上二者存在较大差异。正极材料：由于离子特性的差异，直接将锂离子电池电极材料中的锂换成钠并不 合适， 因此寻找适合钠
4、离子电池的电极材料是锂离子电池走向实用化的关键。 目前具有潜在 商业化价值的有普鲁士白和层状氧化物两类材料，克容量可 达160mAh/g,与现有的 锂离子电池正极材料相当。负极材料：不同于锂离子，在碳酸酯电解质中不易实现石墨储钠，因此钠离子电 池的产业化也需要寻求新的负极材料。宁德时代开发了能够让大量的钠离子存 储和快速通行、具有独特孔隙结构的硬碳材料，克容量可达350mAh/g以上，具 备优异的循环性能，整体性能指标与锂电池的石墨相当。电解质：由于钠离子电池和锂离子电池的工作机理以及电解液体系相近，因此钠 电池电解液的开发可以遵循锂离子电池的经验和思路；但同样需要针对钠离子 的自身特点开展研
5、究和开发。隔膜：可以借鉴锂离子电池相对成熟的体系。集流体：因为低温下锂和铝会发生合金化反应，因此锂离子电池通常正极集流体 选择铝箔，负极集流体则选择铜箔；而钠离子电池正负极均可以选择成本较低 的铝箔。1.4. 生产工艺钠离子电池的生产工艺可以参照锂离子电池，生产线也与锂离子电池类似。差异之处主要在于钠离子电池可以采用铝箔作为负极集流体，因此正、负极的极 耳可以相同，极耳相关的生产工序可以更加简化。从产品封装形态上看，钠离子电池也锂离子电池类似，同样可分为圆柱、软包和 方形硬壳三大类。2 .为什么选择钠离子电池一一特性与优势2. 1.钠元素的资源丰富且分布广泛钠资源的丰度远高于锂元素，全球分布均
6、匀，价格低廉且稳定，无发展瓶颈。锂元素地壳中的含量只有0. 0065%,且资源分布不均匀，70%的锂分布在南美洲 地区。如果 按照锂电池现在的发展速度，暂不考虑回收，锂电池的应用将很快 受到锂资源的严重限制。随着锂离子电池在消费、动力和储能三大领域快速应用，锂离子电池的生产制造 达到了空前规模，并且各大锂电池生产商都在不断的扩大其产能，这导 致2021年以来锂资源需求紧张，价格大幅上涨。而钠资源非常丰富，其在地壳中的丰度位于第6位，且是钠分布于全球各地, 完全不受资 源和地域的限制，所以钠离子电池相比锂离子电池有非常大的资源 优势。此外，由于钠易获取且价格低廉，所以钠离子电池也具有很大的潜在价
7、 格优势。2. 2.钠离子电池的理论成本更低钠离子电池的材料成本与锂离子电池相比有30%-40%的下降空间。由于钠资源价格远低于锂资源，大大降低了钠离子电池正极材料的价格。此外， 钠电池的负极集流体可以使用铝箔而非锂电池需要使用的铜箔，进一步降低了钠离子电池的成本。 据中科海钠测算，钠离子电池（NaCuFeMnO/软碳体系）的 材料成本与锂离子电池（磷酸 铁锂/石墨体系）相比有30%-40%的下降空间。2.3. 钠离子电池在低温及安全性能等方面有优势随着研究的不断深入，钠离子电池的潜在优势被不断发掘。尤其是高、低温下性 能优异以及较高的安全性，为钠离子电池在储能和动力领域的应用奠定了良好 的基
8、础。宁德时代发布的第一代钠离子电池，电芯单体能量密度已经达到了 160Wh/kg； 常温下充 电15分钟电量达到80%,具备了快充能力；-20 C低温环境， 有90%以上的放电保持率；系统集成效率可以达到80%以上；热稳定性优异, 超越了国家动力电池强标的安全要求。总体而言，其第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的磷酸铁锂电池，但是， 在某些性能表现上，特别是低温性能和快充方面，具有明显的优势，特别适用 于高寒地区高功率应用场景。3.钠离子电池怎么样一一现状与前景3. 1.产业现状从目前全球钠离子电池产业化的进程来看，目前尚处于导入期；从产品参数上看, 中国处于领先地位。目前，国内外已有超过二
9、十家企业正在进行钠离子电池产业化的相关布局，并取 得了重要 进展，主要包括英国FARADION公司、法国NAIADES计划团体、美 国NatronEnergy公司、 日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，以及中国的 宁德时代、北京中科海钠、浙江钠创新能源、辽宁星空钠电等。3. 2.成本分析基于钠离子电池和锂离子电池相似的工作原理、结构和生产制造工艺等，二者的 成本结构 也基本相同，主要包括原材料成本、制造成本（包括人工成本、厂房、 设备、能源、质量/环境成本等）、管理费用及资金使用成本等。根据胡勇胜博士等测算，以NaCP10/64/165软包电池为例，在2020年大致 成本构成中原 材料占比约为
10、60%,其余成本占比约40%o在原材料成本中， 正极、负极材料（包括导电 剂、黏结剂和铝箔）、电解液和隔膜分别占比约32%、10%、18%和15%,剩余的25%为包括外壳组件、极耳等其他装配部 件。据此，对于NaCP 10/64/165软包电池，胡勇胜博士等核算正极分别为铜 铁镒层状氧化物、普鲁士白类和银铁镒层状氧化物时的B0M成本分别为 0.26 元/Wh、0.26 元/Wh 和 0.31 元/Wh。正极材料：正极材料的成本直接决定电池的成本。钠离子电池的各种正极材料当 前的 预计成本为：铜铁镒层状氧化物为28.8元/kg,普鲁士白类为26. 4元/kg,模铁镒层状氧化物为42. 4元/kg
11、。负极材料：钠离子电池负极材料一般为硬碳、软碳、复合碳等无定形碳材料。目 前国 内市场上无定形碳的成本为8-20万元/t,而中科海钠体系中负极所用 的煤基无定形碳材料成本预计低于1.5万元/t。电解液：钠离子电池电解质盐一般为NaPF6,电解液合成方法与LiPF6基本 相同，但 电解液盐浓度会更低；溶剂一般为EC、DMC、EMC、DEC和PC等溶 剂组成的二元或 多元混合溶剂体系。目前国产锂离子电池电解液主流成本 为3-5万元/t,钠离子电池 电解液规模化供应后与锂离子电池相比成本会更 低。隔膜：目前常用的隔膜主要为PP、PE、PP/PE以及PP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、 涂胶隔膜等。目前规
12、模化生产的隔膜孔径均远大于钠离子的溶化剂半径，满足钠 离子电池 的使用需求。目前国内7uni厚度的主流湿法隔膜成本为1.8 -2. 1元/m2,干法双拉隔 膜成本约为0.8T. 2元/n)2,使用陶瓷隔膜成本则 会高 50%以上。集流体：锂离子电池负极只能使用铜箔，而钠离子电池负极可以使用铝箔作为集 流体。目前市场上电池级别铜箔成本(80-90元/kg)约为电池级铝箔成本(24-30 元/kg)的 3 倍。极耳：钠离子电池正负极均可以使用铝极耳，相比较锂离子电池的铜镀镶极耳或 镇极耳成本有所降低；且铝极耳焊接工艺更简单，也可以降低部分制造成本。3. 3.应用前景目前钠离子电池初步应用于储能和低
13、速动力领域，随着宁德时代第一代钠离子电 池以及AB电池系统解决方案的推出，钠离子电池有望进一步拓展应用场景，从 储能走向动力。由于钠离子电池具有原料资源丰富、成本低、环境友好、高低温下性能表现好以 及安全性 好等优势，目前已被初步运用于储能和低速动力领域，未来有望逐步 在储能、低速两轮车和低速电动车领域逐步取代铅酸电池和磷酸铁锂电池。宁德时代第一代钠离子电池发布会上提出的AB电池解决方案，将钠离子电池与 锂离子电 池的集成混合共用，按一定的比例和排列进行混搭、串联、并联和集 成，通过BMS的精准 算法进行不同电池体系的均衡控制，既弥补了钠离子电 池在现阶段的能量密度短板，也发挥出了它高功率、低
14、温性能的优势。以此系统 结构创新为基础，为锂钠电池系统拓展更多 应用场景。宁德时代AB电池解决方案的发布，拓展了钠离子电池的应用场景；且宁德时代 宣布下一 代钠离子电池得能量密度可以达到200Wh/kg,进一步解决了钠离子 电池能量密度较低的 问题，使得钠离子电池有望从储能走向动力，应用在电动 汽车上。而据钛媒体称，集度汽车可能成为宁德时代第一代钠离子电池的首批 用户，在2023年完成产业的升级迭代。3. 4.产业链分析与锂离子电池类似，钠离子电池产业链也主要包括上游的原材料、中游的电芯及 电池以及下游的应用。与锂离子电池产业链的主要差异表现在上游正、负极材料 以及中游电池厂的技术能力。目前与钠离子电池产业链较为相关的上、中游公司主要包括：我们认为，随着技术逐步走向成熟，应用场景不断拓展，未来钠离子电池或从储 能逐步走向动力，并以其低成本和高性能对铅酸电池、磷酸铁锂电池实现替代。 此外，钠离子电池 的原料不同于锂，资源丰富且分布均匀，发展钠离子电池技 术路线有助于维持动力电池终端价格稳定，且随着钠离子电池的应用，成本存 在进一步下降的空间，下游的整车厂或因此受益。