钠电池负极材料-软碳：储钠比容量较低中科院无烟煤技术赋予软碳负极新前景研究分析

钠电池负极材料-软碳：储钠比容量较低，中科院无烟煤技术赋予软碳负极新前景

近年来，财政部通过新能源汽车推广应用补助等政策，带动了新能源汽车动力电池产业蓬勃发展，推动新型电池产品技术水平迅速提高、成本迅速下降。钠电池负极材料-软碳：储钠比容量较低，中科院无烟煤技术赋予软碳负极新前景软碳成本低、产碳率高、电子传导性好，但较低的可逆容量严重制约了其在钠离子电池中的应用。制备软碳材料的前驱体主要包括石油化工原料及其下游产品，如煤、沥青、石油焦等，原料成本较为低廉。相比于硬碳，软碳中富含的sp2碳导致更高的电子导电性和倍率性能，但是直接碳化的软碳材料在钠离子电池中表现出较低的可逆容量，储钠容量较低，而且没有储钠平台，限制了其实用性。近期研究表明，通过制备纳米结构、设计多孔结构来有利于钠离子的快速传输；异相原子掺杂来增加其层间距、提高电导率和缺陷数量；预氧化策略可以有效抑制其石墨化，促进无序结构的形成，从而有效提升储钠容量。这些方法均为改性软碳材料以提升其储钠容量提供了理论基础。中科院无烟煤技术赋予软碳负极新前景。中科院物理所采用其作为前驱体，得到一种新型软碳材料。不同于来自于沥青的软碳材料，其在1600°C以下仍具有较高的无序度，产碳率高达90%，储钠容量达到220mAh/g，循环稳定性优异，最重要的是在所有的碳基负极材料中具有最高的性价比。以其作为负极和Cu基层状氧化物作为正极制作的软包电池的能量密度达到100Wh/kg，在1C充放电倍率下容量保持率为80%。未来随着更多研究成果的出现和低成本的驱动，如果能以低成本软碳为前驱体，成功制备出高性能的碳负极材料，将进一步促进钠离子电池的发展，届时软碳或将在钠电负极市场分得更大份额。从电池循环寿命来看，钠离子电池远高于铅酸电池行业内一般以钠/锂电池满充满放的循环次数来计算循环寿命。在使用的过程中，离子电池内部会发生不可逆的电化学反应导致容量下降，比如电解液的分解，活性材料的失活，正负极结构的坍塌导致锂离子嵌入和脱嵌的数量减少等等。通过科学实验表明，更高倍率的放电会导致容量更快的衰减，如果放电电流较低，电池电压会接近平衡电压，能释放出更多的能量。目前，钠离子电池的循环寿命远高于铅酸电池，距离锂电池还有些差距;低温挥发率较高，为85%;每月自放电率低于锂离子电池，为5%。随着生产技术的不断提升，钠离子电池未来发展前景广阔1、钠离子电池生产技术不断成熟，规模量产有望实现由于钠离子电池的结构和工作原理基本与锂离子电池相同，因此，钠离子电池可以借鉴锂离子电池的产业化经验，极大的简化钠离子电池的生产工序。但是由于钠离子半径要比锂离子大70%，导致钠离子电池能量密度不足，为此，相关企业纷纷加大研发投入力度，钠离子电池应用的关键问题被逐渐攻克，前期制约钠离子电池产业化的正负极材料均已实现技术突破，层状氧化物正极+碳基负极+有机电解液体系的钠离子电池即将迈入到商业化阶段，有望实现规模化生产。同时，钠离子电池的原材料成本相对于锂离子电池具有天然的优势，尤其是在碳酸锂价格处于高位的情况更为显著，锂离子电池成本居高不下将推动钠离子电池产业化进程的加速。2、钠离子电池前景广阔，跨界企业加速布局目前，我国锂离子电池受原材料影响价格猛涨，相关企业成本增加导致盈利减少，为此，锂电池相关企业选择性价比较高的钠离子电池来替代锂离子电池发展。在资源方面，我国钠资源储量丰富，分布广泛，与锂资源相比能很好的减少对国外资源的需求。在价格方面，由于钠离子电池正极用铜铁锰，负极用无烟煤做的碳，整体电芯成本低于锂电池，并不会像锂离子电池一样受到原材料价格波动影响，价格较为稳定。在性能方面，钠离子电池由于高安全性而受到行业重视。随着钠离子电池生产技术的不断提升，钠离子电池将拥有更广阔的发展空间，其应用范围在储能、电动汽车等领域不断拓展。在储能方面，随着未来钠离子电池的规模化生产，将逐渐替代锂离子电池在储能方面的应用，未来市场空间广阔。在电动汽车方面，新能源汽车作为政策驱动的产物，需求量不断增加，由于能量密度不足，钠离子电池能够在微型汽车方面得到加速应用。从电池的安全性来看，钠离子电池具有更好的热稳定性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，针剌时不冒烟、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。国家政策的支持将快速推动钠离子电池的发展钠离子电池，是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。随着我国新能源汽车呈现持续高速增长趋势，对锂离子电池需求较大，然而我国锂资源十分有限，必然会出现锂盐供不应求的局面。为此，我国将大力发展在资源和成本上都更有优势的钠离子电池，通过颁布多项政策来推动钠离子电池的产业化进程。在2022年发布的《十四五可再生能源发展规划》中，提出加强可再生能源前沿技术和核心技术装备攻关。研发储备钠离子电池、液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池、锂硫电池等高能量密度储能技术。在2021年发布的《关于在我国大力发展钠离子电池的提案》中，提到锂离子电池、钠离子电池等新型电池作为推动新能源产业发展的压舱石，是支撑新能源在电力、交通、工业、通信、建筑等领域广泛应用的重要基础，也是实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一。钠离子电池行业发展历程与锂离子电池工作原理相似，钠离子电池是主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，以钠离子嵌入化合物作为正极材料的一种可二次充电的电化学钠离子电池。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。以NaCuFeMnO/软碳体系的钠离子电池较磷酸铁锂/石墨体系的锂离子电池材料成本更低，可降低30-40%。从成本材料结构来看，锂离子电池正极材料成本占比最高，为43%，而钠离子电池的正极材料成本仅为26%。钠离子电池的制造和锂离子电池的制造完全兼容，可以沿用锂离子电池设备，目前钠电池产业链主要变化在正极材料。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;普鲁士类料，具有较妤的电化学性能，具备成本低、稳定性好等优点。但在制备过程中存在配位水含量难以控制等问题，宁徳时代、星空钠电和NatronEnergy是该路线的主要公司;聚阴离子型材料，稳定性和循环寿命好，化合物族类具有多样性，但是较低的本征电子电导率，限制了这类材料的实际应用。从电池容量性能来看，钠离子高于铅酸电池，低于磷酸铁锂电池与锂离子电池工作原理相似，钠离子电池是主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，以钠离子嵌入锂离子电池和铅酸电池，是目前市场上主流的二次电池技术，与钠离子电池工作原理相似。目前钠离子电池行业主要竞争产品为锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、铅酸电池以及梯次利用锂电池。通过计算钠离子正负极能量密度差异，可以得出在相同技术条件下，钠离子的能量密度约为锰酸锂电池和磷酸铁锂电池能量密度的0．7-0．8倍。企业重视产品和技术的研发投入，钠离子电池技术得到一定突破钠离子电池作为一种新的电池技术路线，吸引众多锂离子电池企业入场布局，其中布局钠离子电池技术的公司就有宁德时代、鹏辉能源等等。从企业营业收入来看，宁德时代营业收入在2017-2021年间呈现逐年上升的走势，其中2021年涨幅最大，主要是因为业务规模增长、产销量提升带动营业收入相应增长，而毛利率受部分原材料价格上涨的缘故，则处于不断下降的状态。鹏辉能源营业收入整体也处于不断增长的状态，但是增长幅度与宁德时代相比较低，其毛利率虽然整体处于下降趋势，但是在2019年有明显的上升趋势，这主要受公司ETC业务快速增长，带动了企业毛利率的增长。从研发投入来看，宁德时代的研发投入从2018年的19．91亿元增加到2021年的76．91亿元，其中2021年研发费用占总营业收入的比重达到了5．90%；鹏辉能源的研发投入整体处于小幅上升的状态，到2021年研发投入为2．46亿元，占总营业收入的比重达到了4．33%。由于两家公司高度重视产品和技术工艺的研发，随着锂电池行业发展受限，对于作为替代品的钠离子电池来说，将会受到企业的重视，大力推动该产品的发展。从钠离子电池研发情况