報告出品/作者：浙商證券、張雷、黃華棟、王婷

以下為報告原文節(jié)選

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1鈉離子電池：性價比突出，主流路線明晰

1.1鈉電池性價比突出，目前處于痛點(diǎn)攻堅期

鈉離子電池主要由正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜等關(guān)鍵部件組成。鈉離子電池的工作原理和鋰離子電池相似，都屬于“搖椅式”。充電時鈉離子從正極材料脫出后，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極材料中。與此同時電子則從正極經(jīng)由外電路運(yùn)動到負(fù)極，以維系整個系統(tǒng)的電荷平衡。放電過程則與充電過程相反。其中鈉離子電池正、負(fù)極材料體系為決定性因素，電解質(zhì)主要與正、負(fù)極材料體系進(jìn)行選擇匹配使用。

與鋰電池相比，鈉電池的優(yōu)勢在于：1)資源豐富和低成本：相比鋰離子的稀缺性，鈉離子在地殼元素中的儲能更豐富，因而成本低，可成為鋰離子電池很好的補(bǔ)充，截至2022年11月數(shù)據(jù)，碳酸鈉價格約為碳酸鋰價格的1/200，此外鈉電池的正負(fù)極均采用鋁箔，可進(jìn)一步降低成本；2)寬溫性：在-40°C~80°C的溫度范圍內(nèi)均有較好的容量保持率；3)快充和倍率性好：相同濃度的鈉離子電池電解液比鋰離子電池電解液具有更高的離子電導(dǎo)率，同時鈉離子在極性溶劑中具有更低的溶劑化能，使其在電解液中具有更快的動力學(xué)性質(zhì)，具有更高的電導(dǎo)率；4)安全性：鈉電池可在零電壓下保存及運(yùn)輸，無運(yùn)輸安全風(fēng)險，在短路時，自發(fā)熱熱量少，無起火/爆炸等隱患；5)生產(chǎn)：與鋰離子電池具有類似的工作原理和材料構(gòu)成，生產(chǎn)經(jīng)驗和設(shè)備可以部分兼容。

鈉離子電池技術(shù)實用化的痛點(diǎn)在于：1)鈉離子質(zhì)量比鋰離子重，電負(fù)性不及鋰，因而能量密度不及鋰。同類電極材料鈉離子電池的電壓比鋰離子電池低，因此鈉離子電池比容量低，能量密度也低。2)鈉離子體積更大，難以脫嵌，循環(huán)性能較差。鈉離子半徑比鋰離子大，因此導(dǎo)致鈉離子在剛性結(jié)構(gòu)中相對比較穩(wěn)定，難以可逆脫嵌。即使可以發(fā)生脫嵌，鈉離子嵌入脫出的動力學(xué)很慢，并且容易引起電極材料的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆的相變，從而降低了電池的循環(huán)性能。

1.2電極材料技術(shù)分析：主流路線基本明晰

(1)正極材料：層狀氧化物是主流方向

針對鈉離子電池的兩個痛點(diǎn)，電極材料是改進(jìn)其能量密度、電壓與循環(huán)性能的關(guān)鍵。只有研發(fā)出適于鈉離子穩(wěn)定脫嵌的正負(fù)極材料，才能推進(jìn)鈉離子電池的實用化。已有的正極材料主要包括層狀氧化物材料、聚陰離子材料和普魯士藍(lán)/白類材料。其中，層狀氧化物材料為目前鈉離子電池的主流方向。

三種鈉電正極材料性能各具優(yōu)劣，分別對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，各家企業(yè)布局不同。

(1)層狀氧化物：與鋰離子電池三元材料均為一種嵌入或插層型化合物，二者生產(chǎn)工藝類型相同，且產(chǎn)線可以共用，工藝成熟度相對較高。在性能方面，層狀氧化物具有比容量高、壓實密度高等，結(jié)構(gòu)利于儲鈉，但結(jié)構(gòu)存在相變，導(dǎo)致循環(huán)性能和穩(wěn)定性較差；此外，層狀氧化物極易與空氣中的水和二氧化碳等物質(zhì)反應(yīng)，在晶體結(jié)構(gòu)表面形成副產(chǎn)物，未來應(yīng)用場景偏向于動力和性能要求較高的領(lǐng)域。根據(jù)鈉離子的配位環(huán)境和氧的堆積方式，層狀氧化物可分為O3、P3、P2、O2等，其中O3型材料和P2性材料的發(fā)展前景較好。O3型材料(如NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2等)具有更高的鈉含量，能量密度更高，但由于鈉離子遷移的擴(kuò)散能壘高，故其循環(huán)壽命較差。P2型材料(如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2等)循環(huán)壽命較好、空氣穩(wěn)定性較高，但比容量略低。布局企業(yè)包括中科海納、寧德時代、鈉創(chuàng)新能源和Faradian等。

(2)聚陰離子：具有穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，使得該類材料具有優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、循環(huán)壽命和安全性，但大質(zhì)量的陰離子基團(tuán)較多，導(dǎo)致材料的導(dǎo)電性和比容量較差，且能量密度較低，適宜在混動車、不間斷電源等領(lǐng)域應(yīng)用。常見的聚陰離子材料有硫酸鐵鈉、磷酸鐵鈉、磷酸釩鈉、氟磷酸釩鈉、焦磷酸鹽等。其中硫酸根比磷酸根電負(fù)性強(qiáng)、工作電壓更高，且硫酸鹽系材料具有低成本的優(yōu)勢，但其易吸潮分解使得材料的循環(huán)壽命比較差。釩基聚陰離子材料具有較高的工作電壓(3.4~3.8V)和較高的理論比容量，但由于釩成本較高且具有毒性，削弱了其作為鈉離子電池材料的性價比優(yōu)勢。布局企業(yè)包括眾鈉能源、鈉創(chuàng)新能源和Naiades等。

(3)普魯士藍(lán)類：發(fā)展較晚，成本最低，能量密度較高，開放三維結(jié)構(gòu)利于鈉離子脫嵌，安全性、倍率性好，但制備過程中難以控制配位水，導(dǎo)電性和循環(huán)壽命較低，合成條件苛刻，且氰化物具有潛在毒性，目前主要的制備方法是共沉淀法和水熱法，更適用于大規(guī)模推廣的場景，例如儲能電站。布局企業(yè)包括寧德時代、星空鈉電和Natron Energy等。

層狀氧化物是目前研發(fā)進(jìn)展最快的正極材料，有望率先實現(xiàn)量產(chǎn)。中科海納作為聚焦層狀氧化物正極材料的代表公司，在技術(shù)研發(fā)方面進(jìn)展迅速。層狀氧化物的研發(fā)主要需要克服復(fù)雜結(jié)構(gòu)演變、不可逆相轉(zhuǎn)變、傳輸動力學(xué)差、空氣穩(wěn)定性差等關(guān)鍵科學(xué)問題。中科海鈉在國際上首次發(fā)現(xiàn)Cu2+/Cu3+氧化還原電對在含鈉層狀氧化物中高度可逆?；诖?，公司設(shè)計和制備出低成本、環(huán)境友好的Na-Cu-Fe-Mn-M-O層狀氧化物正極材料(銅鐵錳皆為廉價金屬)，該正極材料的專利已經(jīng)在中國、日本、美國、歐盟獲得授權(quán)。

(2)負(fù)極材料的改進(jìn)：軟碳、硬碳優(yōu)劣不一

碳基材料中首選無定形碳材料。目前可以作電池負(fù)極材料的碳基類材料主要包括石墨類碳材料和無定形碳(硬碳和軟碳)材料。在鋰離子電池負(fù)極中常用的石墨材料，由于熱力學(xué)原因，無法與鈉離子形成穩(wěn)定的化合物，因此鈉離子電池難以使用石墨作為負(fù)極材料。碳納米材料主要包括石墨烯、碳納米管等，依靠表面吸附實現(xiàn)鈉的存儲，可實現(xiàn)快速充放電，但存在庫侖效率低、循環(huán)性差等問題使其難以獲得實際應(yīng)用。層間距較大的無定形碳材料因具有較高的儲鈉容量、較低的儲鈉電位和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，成為最具應(yīng)用前景的鈉離子電池負(fù)極材料。

無定形碳材料中首選硬碳材料。在碳基材料中，相比于石墨等軟碳材料而言，硬碳材料無法石墨化。硬碳材料的碳層排列規(guī)整度低于軟碳材料，其層間可以形成較多的微孔以方便鈉離子的脫嵌。硬碳材料具備儲鈉比容量較高、儲鈉電壓較低、循環(huán)性能較好等諸多性能優(yōu)勢，同時具備碳源豐富、低成本、無毒環(huán)保等優(yōu)勢，與石墨電極相比，在冷啟動和快速充電模式方面也更具優(yōu)勢，是當(dāng)前首選的鈉離子電池負(fù)極材料。

硬碳作為負(fù)極材料時也存在部分缺點(diǎn)，如電極電位低、首圈庫倫效率低和循環(huán)穩(wěn)定性差等，這對硬碳基負(fù)極材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用造成了障礙。雖然對硬碳材料的儲能機(jī)理有待進(jìn)一步確認(rèn)，但是關(guān)于硬碳儲鈉性能的提升策略已經(jīng)呈現(xiàn)了共通之處。硬碳材料儲鈉性能(倍率、比容量、首圈庫倫效率)提升的策略主要集中在以下幾個方面：通過調(diào)控前驅(qū)體的合成及熱解過程調(diào)控硬碳的孔隙結(jié)構(gòu)和層間距；與其他材料的包覆和復(fù)合、雜原子摻雜等來調(diào)控材料的缺陷程度和層間距；電解液的調(diào)控和預(yù)鈉化的處理。

(3)電解液：溶劑類似，差異點(diǎn)在于鈉電池主要采用六氟磷酸鈉

鈉離子電池的電解液與鋰離子電池的電解液類似，可以沿用現(xiàn)有鋰離子電池的部分生產(chǎn)裝備與技術(shù)。NaPF6和NaClO4是最常被研究的兩種鈉鹽。NaPF6直至300°C幾乎沒有質(zhì)量損失，PC基(碳酸丙烯酯)電解液中導(dǎo)電率最高。由于其合成原理與LiPF6相似，在制造工藝方面可以與目前的鋰離子電池制造工藝和設(shè)備兼容，成為了鈉離子電池電解液的主流方向。NaClO4擁有離子遷移速度快、熱穩(wěn)定性強(qiáng)、成本低等優(yōu)勢，但含水量高、易爆炸和高毒性等不足影響了其實際應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)的鈉鹽NaPF6和NaClO4，含氟磺?；鶊F(tuán)的鈉鹽(NaTFSI，NaFTFSI，NaFSI等)具有較高的熱穩(wěn)定性和無毒的特點(diǎn)，但是由于其陰離子對于鋁箔集流體具有腐蝕作用，所以很少被當(dāng)作單獨(dú)的鈉鹽來使用。

1.3成本：量產(chǎn)后將具有突出的材料成本優(yōu)勢

當(dāng)前鈉電芯的材料成本約為0.427元/Wh，磷酸鐵鋰電芯的材料成本約為0.627元/Wh，當(dāng)碳酸鋰價格降低至20萬元/噸時，磷酸鐵鋰電芯的材料成本與鈉電芯的材料成本相當(dāng)?？紤]到制造工藝和設(shè)備十分相近，假設(shè)鈉電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，與鋰電池的單位制造成本相同，因此主要對比二者的材料成本。按照目前的材料價格和單耗，我們估算鈉電芯的材料成本約為0.427元/Wh，其中正極材料、負(fù)極材料和電解液占據(jù)較高比例；當(dāng)大規(guī)模量產(chǎn)后，假設(shè)材料能量密度提升帶來單GWh材料消耗量、產(chǎn)業(yè)發(fā)展成本降低帶來售價的下降，我們估算產(chǎn)業(yè)成熟后，鈉電芯的材料成本約為0.285元/Wh；在目前碳酸鋰價格約為50萬元的情況下，磷酸鐵鋰電芯的材料成本約為0.627元/Wh；當(dāng)碳酸鋰降價30萬元/噸至20萬元/噸時，我們計算得到磷酸鐵鋰電芯的材料成本約為0.438元/Wh，與目前鈉電芯的材料成本相當(dāng)。

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