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钠电池:未来八年年均复合增速近83%!

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一路飙涨的锂电池价格,带起来的是居然是钠电池风口。

为何这个节点谈起了钠电池?

其实钠电池的研究工作,与锂电池几乎是同时开始的。

早在20世纪70-80年代钠离子电池的研究工作锂离子电池就同时期萌芽。钠离子电池结构和原理类似锂电池,钠离子电池主要由两种不同的钠嵌入型材料(正极材料、负极材料)、电解液、隔膜等关键部件组成。

充电时,钠离子从正极材料中脱出,经过电解液,隔膜,最后嵌入到负极材料;与此同时,电子经外电路从负极流向正极放电过程则与充电过程相反工作原理和锂离子电池基本类似,也是一类“摇椅式电池”。

只是因为负极材料嵌钠能力较弱、钠电池能量密度较低,使得钠电池一直未能受到重视。

但供需紧张带动锂价高涨,使得具备成本优势的钠离子电池开始发力

数据来源Wind

此背景下,原料丰富且成本低廉的钠再次引起了市场的兴趣。

在元素周期表中,钠与锂是处于同一主族且具有相似物理化学性质的金属元素,地球上的钠资源储量非常丰富,钠资源地壳含量占2.75%(锂资源仅占0.0065%,丰度位于第6位,且分布于全球各地,可完全不受资源和地域的限制。所以在资源方面,钠离子电池比锂离子电池具有更大的优势。

根据iFinD数据,截止至2022.10.13,碳酸钠的价格仅2791.67/吨,与碳酸锂52.5万元/吨的价格相差甚远。而根据业内专业测算,量产后钠离子电池成本可以降到0.5-0.6/度,将比磷酸铁锂成本低40%左右。

资料来源:中科海纳官网

除了能量密度循环寿命受限外,钠离子电池其实有着不少优势。

相较磷酸铁锂电池,钠离子电池兼具快充性能、高低温性能、安全性优势。快充性能方面,钠离子斯托克斯直径更小,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。

资料来源:CATL官网

行业空间究竟有多大?

在储能、基站等对能量密度不敏感的固定式场景,钠离子则有着巨大市场潜力。

首先在快速发展储能领域,钠电池有望成为重要的技术路线之一电化学储能技术中,锂离子电池储能技术装机规模1830.9MW,功率规模占比高达99.3%;铅蓄电池储能技术装机规模2.2MW;液流电池储能技术装机规模10.0MW;其它电化学储能技术装机规模1.52MW

根据中国化学与物理电源行业协会储能应用分会发布2022储能产业应用研究报告》,预计到2025年,电化学储能累计装机或将达到40GW,到2030年实现碳达峰目标,新能源发电年装机量将保持年均100GW增量,电化学储能的年装机增量将保持在12GW15GW,预计到2030年,电化学储能装机规模将达到约110GW

中邮证券研究所预测,电化学储能的装机量将快于此,预计2025年电化学储能装机量将达到52GW2030年累计装机量将达到297GW,年复合增长率在58%其中钠电池预计2023年开始提升渗透率,2025年、2030年分别达到10%30%,需求量也由2023年的0.1GWh增至20252030年的2.7GWh17.8GWh

虽然在动力电池领域,因能量密度和使用寿命原因,钠离子电池无法完全取代锂离子电池,但同样有着巨大的需求量。

当前电动二轮车、A00,级均受到锂电池价格高企的影响,增长有所放缓,钠电池凭借着成本的优势,一方面对锂电池进行替代,另一方面通过低成本可以助力电动二轮车、A00级汽车的销售。

再加上钠离子电池有望对当前存量的铅酸蓄电池进行替代,预计2025年年为中国钠离子电池总需求量为61GWh,到2030年总需求将达到292GWh2022-2030年年复合增长率高达82.5%

数据来源:钠离子电池储能技术及经济性分析

国内钠电池商业化进展如何

国内钠电池进展迅速,已经进入商业化前夕。

2010年,中科院开始发现钠离子电池,成为国内最早涉及该领域的组织机构;2017年,国内首家专注于钠离子电池开发与制造的企业中科海纳成立;2018年,中科海纳首辆钠离子电池低速电动车亮相,同年,浙江钠创新能源有限公司注册成立;2019年,钠创新能源全球首条吨级铁酸钠基正极材料生产线完工,同年,中科海纳首座钠离子电池储能电站问世

2021年,中科海纳全球套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统成功投入运行,同时期,钠创新能源发布全球首套钠离子电池-甲醇重整制氢综合能源系统,而且宁德时代发布第一代钠离子电池,其能量密度可达160Wh/kg

2022年,钠离子电池消息更是频现

930日,华阳股份全球首批量产1GWh钠离子电芯生产线在山西阳泉正式投运,实现了钠离子电池从中试到量产的关键转换,钠离子电池产业化迎来新的里程碑。

108日中国能建安徽院中标三峡能源安徽阜阳南部风光储基地项目储能系统EPC总承包工程,该项目含30兆瓦/60兆瓦钠离子电池,是国内最大钠离子储能电池项目。

1011日中国电子技术标准化研究院发布钠离子电池行业标准征求意见通知,着手推进相关标准编制工作。硬碳方面,914日,杉杉股份硬碳负极率先实现自由化、产业化,填补国内技术空白,并已批量供货头部电池企业。

当前国内外各企业开始进行GWh 级产能规划,预计规划产能将集中在2023-2024 年投产。

值得关注的产业链环节和企业又有哪些?

当前钠离子产业链逐步完善,技术基本定型。

首先作为影响电池能量密度、循环寿命等关键组部件的正极材料方面钠离子电池主要的正极材料有过渡金属氧化物、普鲁士蓝,聚阴离子等。其中过度金属氧化物能量密度高,是当前钠离子电池的主流正极。普鲁士蓝具有较好的稳定性,但循环寿命较差,生产过程不环保。聚阴离子正极稳定性较强,但成本较高。

负极材料作为钠离子电池的核心部件之一,影响着电池首次库仑效率、倍率性能和循环耐久等特性。目前钠离子电池使用较多的负极是硬碳、软碳。硬碳是目前最适合钠离子电池的负极。同时,软炭材料具有液相热解的特性,并且相比于硬炭来说,软炭的比表面积较低。因此软炭材料可以作为硬炭材料的包覆层,减少电极材料与电解液的副反应,增大首次库伦效率。

电池内部沟通正负极桥梁电解液,是影响电池安全性的主要因素,对电池的能量密度、循环寿命以及倍率性能等也起着重要影响。目前最常用的电解液可以分为醚类电解液和酯类电解液其中酯类电解液安全性高,具有良好的导电性,是钠离子当前最常用的电解液溶剂。

集流体方面,相比于锂离子电池只能选择铜做集流体,由于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。

而在企业进展方面,国内企业已经纷纷布局钠电池,跑马圈地。

2022年,已成为钠电池产业化0-1质变的关键节点2023年,随着各大企业产能集中投产,行业舞台将正式拉开帷幕。

由于钠储量丰富,来源广泛,所以钠离子电池生产成本相对较低。
振华新材公告称,其钠离子电池正极材料含税销售价格约为每吨7万元,动力型磷酸铁锂正极材料含税市场价格为15.55万-16.28万元/吨;动力型中镍5系三元材料含税市场价格为34.30万-37.80万元/吨。
中科海纳评估称,与磷酸铁锂体系相比,钠离子电池材料的成本要低30%~40%。
钠离子电池具有明显的成本优势。在能源消耗较大的领域,如储能,具有很好的应用前景。
钠离子电池的不足也是显而易见的。
能量密度和循环寿命较低。
根据中科海纳公布的数据,目前,钠离子电池的能量密度在 140Wh/kg 左右,而磷酸铁锂和三元 811 锂离子电池分别约是 170Wh/kg,230Wh/kg。
钠离子电池的循环寿命在 2000 次左右,锂离子电池在 3000 次以上。
今年大热的锂矿行业,就是因为下游需求过多以及上游开发进程缓慢而造成的。
根据天齐锂业港股招股书内容,锂矿供给放量增速最高的阶段集中于2022年-2026年,年化增速超过25%;此后至2032年,将维持1.3%的低速增长。
从未来锂矿供给增量来看,尽管锂化学品生产不断增加,但2022年仍然会出现供不应求的状况,后续的供给错配转折将会出现在2023年。
锂矿价格的高居不下,对我国新能源汽车产业发展的推进也造成了一定的阻碍。
新能源汽车电池一旦出现故障,维修费用便会十分高昂。
这其中最大的原因是电池本身的成本较高。
作为新能源汽车的“三大件”之一,由于原材料锂矿价格高企,电池成本占到了总成本的40%~60%。
也就是说,一辆价值20万左右的电动车,电池成本就在8万到12万之间,这就是所谓的“电池刺客”。
如果钠离子电池替代锂电池部分储能以及中低端电动车的应用,这将极大改善锂矿上游需求,也将消除广大消费者对于电动车购买的疑虑,如此发展锂电池以及钠离子电池的关系是相互补充而不是完全竞争。

电池技术的发展正在加速 投资机会将不断涌现
从综合来看,可以预测电池的发展路线是先从液态开始,然后经过固/液混合,最终在10-15年的时间范围内实现全固体电池。
根据电池的能量密度,发展路线可以分为三部分:
能量密度在200 Wh/kg以下的电池主要用于储能,而钠离子电池、磷酸铁锂、锰酸锂电池是主要的选择。
电池的能量密度在200-300 Wh/kg之间,可以满足600公里的电动车和其它应用。
具有竞争力的技术包括磷酸铁锂,锰酸锂,锂电池,低成本,安全。
高能量密度电池(300-600 Wh/kg)能够满足长程电动汽车,电子飞机或者机器人的需要。
可能的技术是高镍三元和富锂正极与高容量纳米硅/碳或锂-碳复合负极相结合。
当然,固态电解质是提高安全性的必要条件,在高能量密度电池领域中,固态电池是一个强有力的竞争者。
如果能够显著提高锂/硫电池的循环寿命,那么对于那些关心成本、重量级能量密度、体积级能量密度和速率的应用,它也是非常有前景的。
随着我国不断加大对先进电池的研发投入,新电池技术必将在不久的将来得到迅速发展和广泛应用。
未来5年,电池将迎来一个新的时代。


第一部分:钠离子电池材料段梳理
一、钠离子电池正极:未定型
·普鲁士白:和容百科技合作,150-160Wh/kg,1+k圈
·层状氧化物:和振华新材合作,铁酸钠,120-130Wh/kg,2k~3k圈,3-4k圈(温和放电倍率 0.2-0.3C)
·聚阴离子材料:未作测试,类似于磷酸盐材料,材料比较稳定,寿命比较高,导电性能差,成本高
·价格:中科海纳(传艺科技)会低(Cu/Fe锰酸钠,预计15万元/吨);C:普鲁士白和层状氧化物 20万元/吨
·单耗:单GWh对应2600-2700吨。
*专家认为正极厂具备先发优势:虽然设备通用,但是参数调控需要时间积累。
二、钠离子电池负极定型--硬碳
·原料:硬碳1)品质好的是酚醛树脂;2)沥青或者用的是天然的高分子(花生壳等)
·热解温度:1000°C(低于石墨化)
·生产的核心难点:高温热解,碳化温度+材料的适用性会影响孔的结构
和软碳、石墨的对比:  
1)硬碳的层间距大于软碳的层间距大于石墨层间距→Na半径大,因此硬碳更适合
2)软碳是在2000°C石墨化但硬碳不可以
3)软碳的首次充放电效率更低
·克容量(mAh/g):硬碳~400左右;软碳300-350左右
·供应商:日本可力,贝特瑞,百思格,凯金
*可力做的比较好,贝特瑞国内领先
·价格:进口20万元/t,国产厂商是15万元/t
·单耗:单GWh对应1500t
三、钠离子电池负极电解液--溶质NaF6
·溶剂:EMC\DMC\EC\DEC
·6F添加比例:12%(初期控制在10%,少用一些可以降低成本),已经经过验证
·6F价格:实际由于量少,现在大概在50+万元-70万元/吨
·C直接买的化学试剂公司(天赐材料反馈可以按照已有的六氟磷酸锂的工艺来做)。
四、钠离子电池隔膜不变
五、钠离子电池集流体
12-13微米铝箔,鼎盛新材,单耗600-700t
·负极Cu箔全部替换成Al箔
· Al价值量double
六、钠离子电池辅材
·粘结剂:不变。层状氧化物和三元对水的敏感性一致;
·炭黑添加比例:1%~3%
·CNT:钠离子电池的成本考核而言,不太采用CNT。
七、钠离子电池设备不变
第二部分:钠离子电池材料段梳理
一、钠电成本拆分
·钠离子电池成本(样品)和锂三元电池(中镍,45万元)成本一致~0.7元/Wh
·远期:可控制在0.3-0.4元/Wh:
1、正极(10万元以内):物料角度
2、负极(3-5万元):能耗更低,制造成本比石墨更便宜;
3、电解液+Cu箔被Al箔替代的成本下降
*若锂价回落正常,铁锂可回落至0.5元/Wh(参照2020年)
二、中科海钠的进展
1、供应商是否具备独供协议?
现在没有,宁德时代·CATL现在定位和LG、BYD是对手,但是没有把中科海钠视为对手。
2、如何看待中科海钠的投放节奏比C快?
中科海钠的节奏是快的,量产出货也得一年,CATL真正和ZKHN比拼,因为锂电池和钠电池的产线一致,只需要转产即可。
3、高锂价是否会加快钠电的开发?
不管是锂电还是钠电,会随着市场的变化不断调整。
去年定2022年量很大,后面调整了,包括钠电池想GWh级别在2023年量产,但是实际上不会,但如果Li价持续上涨,因此会调配更多资源做修正,会不断做决策调整(每月调整)。
过去8个月钠电动作比之前几年的动作更快。如天然石墨的动作也是更快的,因为人造石墨化费用高,但是目前放缓了,因此锂价继续高,钠电就会加速,但是如果锂价回落,钠电就会一拖再拖,是一个不断修正的过程。
三、新技术相关
一、全钒液流电池:
成熟度高于钠电池,因为示范性项目数量高于钠电池项目(ZKHN只有100kWh的钠电项目),但是液流电池响应速度慢,适用于长时储能,想象空间小。
液流电池设备也贵,推荐火起来的原因是前段时间储能政策文件是三元不能用,钠硫不能用,只能用铁锂、钠、液流电池。
二、富Li锰基(xli2MnO3·(1-x)LiMnO2):【供货商:汉尧】
进度慢于锰铁锂但快于钠电池,虽然锰的相变和绝缘性还是有体现,寿命和倍率性能很差,但具体应用终端也是和三元混用(比例类似于锰铁锂,10~30%)。
三、PETCu箔:
·从去年评估到现在快接近两年了,供应商更多了。
·万顺新材:实际上也开始做符合Cu箔。
·当下比以前好的进展,在给客户送样和推荐这件事,但是客户没有明确的回复(没有定点,也没有订单),预计明年有机会上量。
·复合材料,焊接强度低有所优化。价格还是比Cu箔贵,现在复合Cu箔用还是会用,但是2025年不可能做到50%,还是作为中高端产品在应用,顺利的情况下明年有产品出来,说不准又会延后。
·送样厂商:金美、万顺新材双星新材,还没有送样过来,待check)
4.5微米Cu箔不能再往下做的原因是:做的很薄之后,强度很低,容易断带
复合Cu箔:高分子PET有4-5微米,两侧各镀上1微米的Cu(现在两侧各1微米是电池厂提出的需求,加起来2微米能够1-2C)。

©文章来源于公 众 号:钠电材料      

来源:锂电那些事
复合材料化学电源电路通用汽车电子新能源焊接材料控制
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首次发布时间:2023-06-21
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