钠电池行业分析报告：钠电破晓成长可期

钠电池行业分析报告：钠电破晓，成长可期1.钠离子电池概述1.1钠电概况：几经波折，一朝破晓1.1.1工作原理：锂、钠同族，原理相似锂和钠在元素周期表中同属第一主族元素，具有相似的物理和化学性质。钠离子电池的结构及工作原理与锂离子电池基本相同，同属于“摇椅式电池”。钠离子电池的构成主要包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体。充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。和锂离子电池类似，按照制造工艺，钠离子电池主要分为圆柱、软包、方形、刀片形电池几大类。其主要差别主要体现在电池的内部装配结构及封装形式上。根据钠离子电池的技术特点，钠离子电池将首先从各类低速电动车应用切入市场，并随着产业的进一步发展，逐步切入到各类储能应用场景，如可再生能源的存储、数据中心、5G通信基站、家庭和电网规模储能等领域。1.1.2发展历程：一度停滞，重回热潮早在20世纪70年代末，钠离子电池与锂离子电池几乎同时开展研究，但是受当时研究广泛的石墨负极材料储钠能力的限制，钠离子电池的研究一度处于缓慢和停滞状态。直到2000年加拿大的Dahn等发现高容量的硬碳可作为储钠负极材料，钠离子电池重回研究者的视线，但当时产业界的关注重点集中于锂离子电池。2010年以来，由于锂资源供给的稀缺态势日益凸显，钠离子电池受到了国内外学术界和产业界的广泛关注，其相关研究更是迎来了爆发式增长。目前，钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段，国内外已有多家企业，包括英国FARADION公司，美国NatronEnergy公司，法国Tiamat，日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，以及我国的中科海钠、宁德时代、钠创新能源等公司，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。2018年6月，国内首家钠离子电池企业中科海钠推出了全球首辆钠离子电池(72V，80Ah)驱动的低速电动车，并于2019年3月发布了世界首座30kW/100kWh钠离子电池储能电站，2021年6月推出1MWh的钠离子电池储能系统，并在山西太原投运。国内在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用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，相关工作已经走在世界前列。1.2产业链现状：技术无虞，量产在即钠离子电池主要生产制备技术已基本成熟，处于量产的前夜。和锂离子电池相似，制备钠离子电池的原材料主要包括四大主材（正极材料、负极材料、电解液和隔膜）和关键辅材（极耳、集流体、粘结剂、导电剂、外壳组件等）。正极材料方面，目前投入研究比较多的包括层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝（白）等，其中层状氧化物正极材料的理论能量密度最高，有望率先商用；负极材料方面，现阶段技术路线以硬碳为主，软碳为辅；电解液方面，以六氟磷酸钠电解质为主；集流体方面，低成本铝箔替代铜箔正在不断推进中；隔膜材料可沿用锂电池隔膜体系。1.2.1关键材料：多路线并行，层状氧化物体系有望率先商用钠离子电池正极材料的技术路线主要有层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝(白)类、隧道氧化物类等，其中层状氧化物路线有望率先商用。层状氧化物正极材料结构类似于锂电池的三元材料，成品电池理论能量密度高于聚阴离子型材料，但依然存在结构相变复杂和循环寿命短等问题,提升层状正极材料的综合性能仍是目前钠离子电池的重要研究方向。聚阴离子类化合物结构类似于磷酸铁锂，具有开放的骨架结构和优异的倍率性能,但这类材料的电子电导较差,成品电池能量密度偏低，往往需要对其进行碳包覆改性，且目前生产成本较高。普鲁士蓝类材料因为具有稳定的三维骨架结构而具有较好的结构稳定性和倍率性能,生产成本也较低，然而依然存在结晶水难以去除、过渡金属易溶解、循环寿命低等问题。钠离子电池正极材料可通过固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法等多种方法来制备，其中以固相反应法最为常用。固相反应法也属于多组分固相固相烧结法，即在多组分固相烧结过程中通过离子扩散过程形成固溶体或者新的的化合物，具有工艺简单和成本低廉等优势，适用性较强。现阶段钠离子电池厂商在正极材料方面的布局以层状氧化物体系为主，产业化进程明显加快，包括中科海钠、宁德时代、钠创新能源、多氟多、蜂巢能源等。同时普鲁士蓝（白）和聚阴离子型两种路线随着各大厂商的持续推进，低能量密度等问题也有望逐步改善，成为钠离子电池正极材料的更多选择。参考锂离子电池的技术迭代历程，不同的正极技术路线有望长期存在，相互竞争，由于各自能量密度、成本的不同，各种技术路线有望在不同的使用场景得到充分的应用。具有无定形碳负极材料(包括硬碳和软碳)因资源丰富、结构多样、综合性能优异,被认为是最有应用前景的钠离子电池负极材料。石墨负极的成功开发推动了锂离子电池的商业化进程。然而，由于热力学原因，钠离子难以嵌入石墨间隙，不容易与碳形成稳定的插层化合物，因此石墨负极在碳酸酯电解液中几乎不具备储钠能力。目前已经报道的钠离子电池负极材料主要包括碳基、钛基、有机类和合金类负极材料等，目前商业化进展最快的为无定型碳基复合材料。软硬碳结合开发低成本、高性能负极材料是重要发展方向。无定形碳包括硬碳与软碳，软碳通过高温石墨化可以生成人造石墨，而硬碳难以石墨化。硬碳相比软碳能量密度和首效性能表现更好，而软碳在成本方面具有优势，以往的无定形碳在所有负极材料中占比约为4%。硬碳材料普遍展现出良好的储钠性能，但其前驱体一般为生物质或者人工合成树脂，成本较高，且产碳率较低，难以在激烈的竞争中凸显优势。中间相沥青（来自石油工业的废渣）可作为软碳前躯体，其成本较低，制备出的软碳具有更有序的结构，更少的缺陷和更短的层间距，但其比容量往往低于硬碳。鉴于硬碳和软碳各自的优势，将二者结合可为开发低成本和高性能的碳基负极材料提供良好的策略。现阶段钠电负极厂商技术路线以硬碳为主、软碳为辅。采用硬碳路线的主要负极厂商较多，包括日本可乐丽、佰思格、贝特瑞、多氟多、圣泉集团、元力股份等，采用软碳路线的相对较少，主要有华钠芯能、汉行科技等。产能规模方面，部分厂商已建成千吨级产线，万吨级产线还在建设中。与锂电池不同，钠离子电池可选用成本更低的铝箔代替铜箔作为集流体。在常见的集流体材料中，金银铜铝的单位体积相对电导率最高，但金和银属于贵金属，使用成本明显偏高；在锂电池中，由于锂离子Li+可以和铝箔反应从而腐蚀电池负极，而钠离子电池则不受此问题影响，且达到相同电导率时铝箔的成本约为铜箔的一半。参与布局钠离子电池用铝箔材料的厂商有鼎盛新材、东阳光、万顺新材、南山铝业等。在电解液材料方面，钠离子电池和锂离子电池的电解液成分基本相似。类似于锂电池的电解质材料主要为六氟磷酸锂，钠离子电池电解液的溶质主要为六氟磷酸钠。溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯共用，一般采用EC、DMC、EMC、DEC和PC等溶剂组成二元或多元混合溶剂体系，此外再加上特定的功能性添加剂。由于Na+相比于Li+具有较小的Stokes半径和去溶剂化能,因此理论上采用低盐浓度的电解液也可以得到足够的动力学性能。经实验测算，相同浓度的电解液溶质，钠电池中导电率比锂电池高出20%。现阶段布局钠离子电池电解液的厂商有多氟多、天赐材料、新宙邦、永太科技等。钠离子电池隔膜材料可沿用锂离子电池隔膜体系。在锂电池中所选用的隔膜体系通常是聚烯烃类的聚合物材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和PP-PE-PP复合膜；另外玻璃纤维隔膜（主要成分为二氧化硅和氧化铝等无机氧化物）也是实验室里使用较多的隔膜。玻璃纤维隔膜一般采用拉丝法制备，而聚烯烃材料一般采用相分离法或者延伸法制备。二者的共性是机械强度、电绝缘性好且具备丰富的孔道。锂离子电池所用的隔膜材料基本都可移植至钠离子电池体系。1.2.2电池制造：兼容现有锂电设备，有望快速推广钠离子电池的生产工艺可参照锂离子电池，其生产线和锂离子电池生产线基本类似，不同的地方在于钠离子电池可采用铝箔作为负极集流体，因此正负极可采用相同的铝极耳，相关工序（如极耳焊接工序）可以更加简化。钠离子电池的制造工序可基本分为三个部分，第一部分是前端电极制造工序，包括电极浆料制备、电极涂布、辊压、极片分切等；第二部分是中端电芯装配工序，包括电芯的叠片或卷绕、电芯装配、注液封口等，涉及设备为卷绕机、叠片机和注液机；第三部分是电池组装配工序，包括化成分容、模组装配、电池组装配及测试等。1.3竞争格局：锂电池龙头优势延续，创新型中小企业有望突围现阶段布局钠离子电池生产和制造的企业有两类，一类是传统的锂电池厂商切入钠离子电池，如宁德时代、鹏辉能源等，另一类是从“0”到“1”参与钠离子电池产业布局的创新型企业，如中科海钠、钠创新能源、传艺科技等。在钠离子电池商业化的进程中，由于钠离子电池和锂离子电池的结构和生产工艺相似，现有的锂电龙头企业有望保持长期优势；另外一些和科研院所合作，拥有技术优势的创新型企业有望在钠离子电池的市场化浪潮中脱颖而出，占据一定的市场份额。2.多因素驱动下，钠离子电池前景广阔2.1政策：钠离子电池是重点发展的新型电池技术之一钠离子电池是国家政策重点支持发展的新型电池技术之一。2021年4月，国家发改委和国家能源局联合发布《关于新型储能发展的指导意见》中，首次将钠离子电池列入其中。2022年3月，国家发改委、国家能源局在《“十四五”新型储能发展方案》中明确提出要推动多元化技术开发，要开展钠离子电池、新型锂离子电池等关键技术装备和集成优化设计研究，集中攻关。2022年7月，在工信部发布的《工业和信息化部关于印发2022年第二批行业标准修订和外文版项目计划的通知》中，我国首批钠离子电池行业标准《钠离子电池术语和词汇》（2022-1103T-SJ）和《钠离子电池符号和命名》（2022-1102T-SJ）计划正式下达。2.2趋势：有望替代铅酸电池，成为锂电池体系的重要补充2.2.1资源：钠元素储量远超锂元素，不受资源限制当前锂离子电池在消费类电子、新能源汽车、电网储能等领域发展势头强劲，但仅靠锂离子电池并不能全面改变传统能源结构，受锂资源储量（仅为17ppm）和分布不均（70%位于南美洲）的限制（特别是我国80%的锂资源依赖进口），锂离子电池难以同时支撑电动汽车和电网储能两大产业的发展。钠元素在地壳中储量约为23000ppm，为锂元素的一千多倍，且分布较为均匀，不受资源的限制。除了锂资源的问题，锂离子电池中的常用的其他元素，如钴、镍在地壳中的储量也比较低，相比之下，钠离子电池中常用的元素，如铁、锰、铝（正负极集流体）在地壳中的储量相对较高。这些特点有助于降低钠离子电池的材料成本，同时其规模化生产不受地理因素的限制，有利于钠离子电池的大规模推广应用。2.2.2成本：后期可下降至铅酸电池水平电池组由多个电芯经过串并联组成，其在组装过程中会产生设备、软件等使用成本，一般较为固定，而电芯成本属于变动成本。和锂离子电池一样，钠离子电池也是由正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材与集流体、粘结剂、导电剂、极耳和外壳组件等多种关键辅材组成的。从电池成本上来看，钠离子电池和锂离子电池的成本差距最大的组件为正极材料、和集流体。由于不使用价格较高的金属锂和使用低成本的铝箔作为集流体材料，钠离子电池物料成本有望大幅降低。正极材料方面，钠离子电池正极材料前驱体主要为碳酸钠，成本明显低于碳酸锂（截止2023年6月16日，碳酸钠的价格为2241.67元/吨，而碳酸锂的价格为30万元/吨）。集流体材料方面，根据同花顺iFIND的数据，近两年铜价维持在铝价格的3-4倍，钠离子电池采用铝箔作为集流体材料后，达到同样的导电效果所需成本有望达到铜箔的1/3。对于不同体系的钠离子电池，其生产工艺基本一致，同样规格或者容量的电芯成本差异主要来自电池原材料体系以及原辅材料用量的不同。根据中科院物理所胡勇胜团队在《钠离子电池科学与技术》中的测算，现阶段正极材料的预计成本可达到26.4~42.4元/kg；国内市场大多数无定型碳负极材料的成本为8~20万元/吨，煤基无定型碳材料可到达1.5万元/吨以下；由于原材料成本更低，规模化生产后的钠离子电池电解液可显著低于锂离子电池（目前国产锂电池电解液的主流成本为3~5万元/吨）；隔膜材料沿用锂电池隔膜体系，主流湿法隔膜成本为1.8~2.1元/m2，干法双拉隔膜成本为0.8~1.2元/m2。根据BatPaC电池性能和成本模型，现有规模和技术水平下，三种体系（正极材料分别为铜铁锰层状氧化物、普鲁士白类、镍铁锰层状氧化物）的钠离子电池理论BOM成本分别为0.26元/Wh、0.26元/Wh、0.31元/Wh。钠离子电池产业化处于起步阶段，后续成本有望降至铅酸电池水平。参照锂离子电池产业化的过程，钠离子电池的产业化过程可分为三个阶段:产业化初期、发展期和爆发期。产业化初期，钠离子电池在低速电动车和储能领域取得部分示范应用，通过材料和电池技术进一步优化制备工艺，并随着产业链的逐步完善，钠离子电池的总成本逐步下降至0.5-0.7元/Wh。在发展期，随着低速电动车行业的规范化和标准化，钠离子电池规模化效应逐渐显现，产品技术趋于成熟，总成本降至0.3~0.5元/Wh。通过新技术的使用和应用领域的拓宽，钠离子电池的性价比优势更加凸显，相关产业爆发式增长，总成本有望降至0.3元/Wh以下。目前主流的12V10Ah铅酸电池成本约为0.4元/Wh，由于铅酸电池经过长期的发展，成本下降空间极其有限。经综合折算，钠离子电池单位比能量下的成本未来将接近铅酸电池的水平，甚至会更低。2.2.3综合性能：略低于锂电池，但明显高于铅酸电池钠离子电池综合性能优于铅酸电池，未来将首先取代铅酸电池并逐步实现各类低速电动车和储能领域的无铅化。铅酸电池作为一种成熟的电池技术，经过长期的发展其能量密度、使用寿命等各方面提升空间已非常有限，而且由于铅酸电池中含有重金属铅，近年来面临着严格的环保压力。相比于铅酸电池，同等容量的钠离子电池体积更小，循环寿命更长，能量密度是铅酸电池的三倍以上，而且随着技术的进步和产业链的进一步完善，总成本有望降至铅酸电池水平，钠离子电池对铅酸电池的替代已成重要发展趋势。钠离子电池在安全性和成本方面占优，有望成为锂电池体系的重要补充。性能方面，近年来部分厂商发布的钠离子电池最高能量密度已接近锂电池水平，以宁德时代为例，2021年发布的第一代钠离子电池的能量密度达到160Wh。安全性方面，钠离子电池内阻高，短路时发热量小于锂电池，也不会出现锂支晶等问题，安全性方面显著高于锂离子电池。与锂离子电池相比，钠离子电池的能量密度和循环寿命低于锂离子电池，但是低温性能和耐过放电方面要优于锂离子电池。与铅酸电池相比，钠离子电池的能量密度、工作电压、循环寿命、安全性和环境友好性各方面要显著高于铅酸电池。基于以上特点，随着产业化的发展，将钠离子电池率先替代铅酸电池的市场份额，实现低速电动车和储能领域的无铅化，并有望在户用储能、工商业储能等对成本敏感、对安全性要求高的场合成为锂电池体系的重要补充。2.3市场：预计2030年出货量达347GWh据研究机构EVTank预测，2023年年底，全行业将形成13.5GWh的钠离子电池专用量产线产能；到2030年，钠离子电池的实际出货量或将达347GWh。照此推算，2024年至2030年期间，钠电池出货量复合增长将达到58.1%。2.3.1动力电池：有望在两轮电动车、A00级电动车等领域广泛应用钠离子电池在低速电动车领域前景广阔。低速电动车一般是指速度低于70km/h的纯电动车，主要涵盖电动自行车、电动三轮车、四轮低速电动车等。2023年2月，中科海钠与江淮新能源集团合作，在A00级短途车“思皓EX10花仙子”上首次实现了钠离子电池在样车上的装车，续航里程252km，电池容量为25kWh，电芯能量密度140Wh/kg，系统能量密度120Wh/kg，支持3C到4C的快充。宁德时代宣布公司钠离子电池产品将首装奇瑞新能源品牌iCAR的首款汽车，预计2023年第四季度上市，将采用钠离子和锂离子电池混装方案，电池品牌名为“ENER-Q”，但真正上车时间和具体搭载车型尚未公布。根据GGII的数据，现阶段两轮电动车使用的电池技术中，铅酸电池仍然占据主导地位，占据了约70%的市场份额。在新国标政策、绿色环保等因素推动下，两轮车中锂电的份额有望上升，但在锂电成本、安全技术门槛高于铅酸电池的背景下，两轮电动车的锂电化进程较为缓慢。相比于其他高端电动车车型，两轮电动车结构简单、对电池性能的要求相对较低、但对成本较为敏感。而钠离子电池各方面性能超过铅酸电池，规模化生产后成本将接近铅酸电池的水平，在两轮电动车领域拥有较大的市场潜力。基于近5年的两轮电动车销量数据，假设到2025年国内两轮电动车销量达到5000万辆，每辆两轮电动车带电量为1.3kWh，钠离子电池在两轮电动车的渗透率为20%，则两轮电动车领域对钠离子电池的需求量有望达到13GWh。A0级和A00级电动汽车是钠离子电池有望应用的另一重要领域。A00级和A0级小微车型对价格更敏感，对电池性能要求不高，具有价格优势的钠离子电池有望在此类车型中部分取代锂离子电池的市场份额。在部分高端电动车降价的背景下，A00级电动车增幅变缓，但市场仍不容小觑，A00级电动车所承载的功能和场景是主流电动汽车所不具备的，特有的便捷的代步功能是该车型发展的最大优势。假设到2025年A00级和A0级电动汽车的年销量达到300万辆，平均单车带电量为25kWh，钠离子电池的市场渗透率达到5%，则A0级和A00级电动汽车对钠离子电池的需求量有望达到3.75GWh。2.3.2储能电池：在户用储能、工商业储能等领域应用前景广阔当前新能源发电行业弃风、弃光问题严重。近年来，利用风能、太阳能、水能和潮汐能等可再生能源转化为电能的技术取得了快速发展，但由于其产生的电能会受到自然条件的限制，具有随机性、间歇性和波动性等特点。根据全国新能源消纳监测预警中心的数据，2023年4月份风电利用率为96.1%，光伏发电利用率为97.9%。弃风最严重的地区是蒙东，其4月份风电利用率仅为85.9%，弃光最严重的地区是西藏，其1-4月份光伏发电利用率仅为75.0%。需求叠加政策驱动，新型储能市场广阔。储能是新型电力系统的重要组成部分，对于新能源消纳和保障电力系统平稳运行有着不可替代的作用。近年来，政府部门相继出台《“十四五”新型储能发展实施方案》、《新型电力系统发展蓝皮书》等文件，鼓励支持钠离子电池、液流电池在内的新型储能产业发展。根据中关村储能产业联盟CNESA统计，2022年国内新型储能新增规模达到6.9GW，同比增长187.5%；新型储能累计装机规模达到12.7GW，同比增长121.7%。在所有电化学储能技术中，钠离子电池与锂离子电池的结构最为相似，但成本较低，有望成为锂电池体系的重要补充。根据国家能源局数据，从2022年新增装机技术占比来看，锂离子电池储能技术占比达94.2%，仍处于主导地位。目前进入储能应用的二次电池技术主要有铅酸电池、高温钠电池、全钒液流电池和锂离子电池等，然而上述电池技术都有各自的局限性，铅酸电池能量密度偏低（30~50Wh/kg），而且存在环保压力；高温钠电池需要在高温下运行（300~350℃），存在一定安全隐患；全钒液流电池初始投资成本偏高，且储能模块占用体积较大；锂离子电池受锂资源的限制难以同时支撑电动汽车和规模储能的发展。与锂离子电池具有相似工作原理和相似电池构件的钠离