中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鈉電池對(duì)比鋰電池各有優(yōu)劣，此前因?yàn)槟芰棵芏仁芟藓图夹g(shù)突破較慢導(dǎo)致商業(yè)化進(jìn)度慢于鋰電池。2020年以來(lái)，伴隨儲(chǔ)能需求加速和鋰電池成本提升、供應(yīng)鏈安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，鈉電池獲政策、產(chǎn)業(yè)、資本重點(diǎn)加持，預(yù)計(jì)商業(yè)化漸行漸至，中期規(guī)?；蜻_(dá)百億。
鈉電池的緣由、空間及格局
緣由：鋰電池之外的選擇。鈉電池與鋰電池的工作原理相同，作為嵌脫式二次電池，依靠鈉離子在電池正負(fù)極之間的移動(dòng)來(lái)充放電。鈉電池的封裝形態(tài)與制造工藝也與鋰離子電池差異不大，均可分為圓柱、軟包和方形硬殼三種形態(tài)，經(jīng)過(guò)極片制造和電池裝配裝備完成。然而，與鋰電池相比，鈉電池有更好的倍率性能，適應(yīng)溫域更寬，供應(yīng)鏈安全性更高，不足在于能量密度低于鋰電池，且產(chǎn)業(yè)鏈商業(yè)化尚在初期。
鈉離子電池工作原理
空間：商業(yè)化漸行漸至，中期規(guī)模或達(dá)百億級(jí)別。鈉電池與鋰電池幾乎同時(shí)起步，但由于能量密度限制及負(fù)極材料研發(fā)瓶頸，商業(yè)化進(jìn)度慢于鋰電池。2020年以來(lái)，伴隨儲(chǔ)能需求高企+鋰電成本大幅提升+供應(yīng)鏈安全問(wèn)題日益嚴(yán)重，鈉電池獲得政策、產(chǎn)業(yè)、資本重點(diǎn)支持?？紤]鈉電池性能參數(shù)，預(yù)計(jì)后續(xù)在儲(chǔ)能、二輪車、低速電動(dòng)車上滲透率有望逐漸提升。目前，包括寧德時(shí)代、中科海鈉在內(nèi)多家公司已經(jīng)提出2022-2023年實(shí)現(xiàn)中試、產(chǎn)能落地的目標(biāo)，預(yù)計(jì)2023年開(kāi)始產(chǎn)業(yè)商業(yè)化漸行漸至，預(yù)計(jì)到2025年國(guó)內(nèi)市場(chǎng)或達(dá)百億元級(jí)別。
格局：產(chǎn)業(yè)初期，格局未定。鈉電池因其結(jié)構(gòu)與鋰電池相似，其產(chǎn)業(yè)鏈也大體相同。主要差異在于：1.正極材料采用過(guò)渡金屬層狀氧化物體系、聚陰離子體系、普魯士藍(lán)類似物等鈉離子電池正極材料；2.負(fù)極材料以碳類為主，如硬碳、軟碳等；3.負(fù)極集流體采用鋁箔；4.電解液電解質(zhì)采用六氟磷酸鈉等鈉鹽。以目前鈉電池材料成本測(cè)算，理論上鈉電池長(zhǎng)期成本能做到0.3元/Wh左右，具備一定性價(jià)比。目前，鈉電池尚且處于產(chǎn)業(yè)化初期，各環(huán)節(jié)參與公司除原有鋰電池對(duì)應(yīng)公司外，也有一些單純做鈉電池業(yè)務(wù)的新參與者，尤其在一級(jí)市場(chǎng)項(xiàng)目居多，短期來(lái)看雖然部分公司鈉電池參數(shù)領(lǐng)先，但整體格局確定尚早。
鈉電和鋰電材料體系異同
作為載流子，鈉離子和鋰離子的相似性相對(duì)較高。所以研究鈉電材料體系的構(gòu)建，從電解質(zhì)出發(fā)較為適宜。鈉離子電池的電解質(zhì)體系包括電解液、固體電解質(zhì)等。和鋰電池電解液類似，有機(jī)體系的鈉離子電池電解液得到了廣泛的研究。在鈉鹽的選擇上，以六氟磷酸鈉為代表的鈉鹽體現(xiàn)了較高的離子電導(dǎo)率，在部分溶劑體系下甚至超過(guò)了對(duì)應(yīng)的鋰鹽，接近或達(dá)到 10E-2 S/cm。鈉離子電池有機(jī)電解液的溶劑選擇和鋰離子電池類似，均采用高成熟度的碳酸酯類。同時(shí)，也有研究者著手開(kāi)發(fā)新型有機(jī)溶劑如醚類溶劑等。
鈉離子電池有機(jī)電解液除了鈉鹽-溶劑的組合外，還有鈉鹽-離子液體的研究方向。離子液體的成本等問(wèn)題影響了其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。部分研究者也在推進(jìn)水體系鈉離子電池電解液的研究工作。水系電解液的離子電導(dǎo)率高，但是電化學(xué)窗口窄，對(duì)電池能量密度影響較大。鈉離子電池的固體電解質(zhì)材料體系開(kāi)發(fā)是重要的科學(xué)研究方向。鑒于鈉的離子半徑相當(dāng)程度大于鋰，固體電解質(zhì)的開(kāi)發(fā)難度也更高。部分硫化物體系固體電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率超過(guò)10E-3S/cm。
和鋰電活性物質(zhì)類似，鈉電正負(fù)極材料也有插層類、相變類的基本區(qū)分；高容量、高電勢(shì)差、高電導(dǎo)、高循環(huán)穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)特性好、成本低等是共性需求。各類軟碳、硬碳材料，以及氧化石墨烯等碳材料的碳層間距更合適，不同程度可以儲(chǔ)鈉。其中，硬碳材料容量較高、對(duì)鈉電壓較低、循環(huán)穩(wěn)定性好，而且易于規(guī)?；?。同時(shí)，提升首次循環(huán)效率的缺陷工程、表面工程工作也在進(jìn)行。其他插層類鈉電負(fù)極材料，如對(duì)鈉電壓較低的過(guò)渡金屬氧化物等，也得到了一定程度研究。鈉離子電池有相變類型負(fù)極材料的研究工作。和鋰離子電池硅基、磷基負(fù)極類似，鈉離子電池有錫基、磷基負(fù)極，而且體現(xiàn)了較高的儲(chǔ)鈉容量。最后，和鋰金屬負(fù)極類似，研究者也在進(jìn)行鈉金屬負(fù)極甚至無(wú)負(fù)極鈉電池的研究。有效控制鈉金屬負(fù)極溶解-沉積的難度較大，需要電池材料體系的深度優(yōu)化。
和鋰電既有聯(lián)系又有區(qū)別，鈉電的層狀結(jié)構(gòu)正極過(guò)渡金屬中心離子有更豐富的選擇，包括錳、鐵、鎳、銅、鈦、 釩、鉻、錳等等，還可能和部分主族金屬共摻雜；對(duì)應(yīng)的細(xì)分晶體結(jié)構(gòu)也比較多樣。研究者還需要減少乃至避免過(guò)渡金屬離子溶解進(jìn)入電解液、晶體結(jié)構(gòu)和晶胞參數(shù)的大幅變化等。在商業(yè)化進(jìn)程中的典型選擇包括銅鐵錳酸鈉、鎳鐵錳酸鈉、鎳錳鎂鈦酸鈉以及部分復(fù)雜多元層狀氧化物等。鈉基聚陰離子多面體和過(guò)渡金屬離子多面體可以形成具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)鈉正極材料，過(guò)渡金屬中心和聚陰離子中心元素都有繁多的種類選擇。
各類鈉電正極材料的實(shí)際容量在幾十到200mAh/g以上范圍，對(duì)鈉電壓在2到4V以上范圍。除了對(duì)能量密度有直接貢獻(xiàn)的容量-電壓特性需要關(guān)注外，鈉離子的有效擴(kuò)散和各類（成分、價(jià)態(tài)、物相結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)）穩(wěn)定性也很重要。和鋰電材料體系性能提升（主要指能量密度）的瓶頸類似，鈉電能量密度提升的主要瓶頸也在正極材料。
從鈉和鋰的相似性出發(fā)，綜合上述活性物質(zhì)和輔助組元材料體系的比較與選擇情況，我們可以得出基本結(jié)論：短中期內(nèi)商業(yè)化的鈉離子電池，選擇硬碳（為主的）負(fù)極，層狀氧化物、普魯士藍(lán)-普魯士白或聚陰離子正極，有機(jī)碳酸酯-鈉鹽電解液、隔膜和鋁箔集流體的材料體系是最合理的。遠(yuǎn)期看，產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的大門也未對(duì)鈉金屬電池、固態(tài)鈉電池等關(guān)閉。
鈉電特點(diǎn)
從鋰資源端來(lái)看，全球鋰資源可開(kāi)采儲(chǔ)量，僅夠13億輛電動(dòng)汽車使用，中國(guó)鋰資源僅占全球6%，且大多數(shù)鋰資源集中于青海、四川、西藏等區(qū)域，開(kāi)發(fā)利用困難。供不應(yīng)求下，鋰電池主要原料碳酸鋰價(jià)格過(guò)去一年已經(jīng)上漲了11.4倍。
碳酸鈉的成本是碳酸鋰的1/170，近10年來(lái)碳酸鈉價(jià)格維持在1000-4000元/噸，相比鋰資源受限，鋰電成本持續(xù)攀高，發(fā)展無(wú)資源限制的鈉離子電池，可以保障我國(guó)儲(chǔ)能戰(zhàn)略發(fā)展的安全性和獨(dú)立性。
成本優(yōu)勢(shì)是鈉的核心關(guān)注點(diǎn)。依托層狀氧化物或普魯士藍(lán)/普魯士白正極和硬碳負(fù)極，以低成本為特色的鈉離子電池，其BOM成本較低，在0.3元/Wh附近，而且因?yàn)樘妓徕c廉價(jià)，BOM成本波動(dòng)不大。未來(lái)，隨技術(shù)進(jìn)步與成熟化，規(guī)模效應(yīng)體現(xiàn)等原因，鈉電的成本有一半甚至更多的下降空間。各類物料的成本變化對(duì)鈉離子電池企業(yè)的影響較小，電池企業(yè)的盈利能力更穩(wěn)定是大概率事件。
鈉電安全性較好。從電池材料的熱穩(wěn)定性區(qū)間來(lái)看，鈉離子電池電解液和負(fù)極與鋰離子電池類似或稍好；正極普遍優(yōu)于三元，和磷酸鐵鋰互有勝負(fù)。電池在放電狀態(tài)下，鋰電不耐過(guò)放，過(guò)放甚至?xí)?dǎo)致負(fù)極側(cè)的銅箔溶解、沉積到正極表面乃至引發(fā)內(nèi)短路，而鈉離子電池鋁箔的穩(wěn)定性高，使得0V狀態(tài)儲(chǔ)存、運(yùn)輸成為可能。
鈉電倍率性能尚可。對(duì)于鈉離子電池，其倍率性能的基本原理和鋰離子電池一致。對(duì)于普魯士藍(lán)體系和層狀氧化物體系，5C的放電倍率下容量保持率均在1C的90%以上；對(duì)于聚陰離子體系，部分細(xì)分方向超高倍率放電能力優(yōu)異。如果能量密度提升，則鈉離子電池的倍率性能一定程度上承壓。前述能量密度達(dá)到或超過(guò)磷酸鐵鋰的鈉電，對(duì)應(yīng)的倍率性能在0.5C或以內(nèi)。所以，和鋰離子電池相比，鈉離子電池的倍率性能不構(gòu)成瓶頸。
鈉電循環(huán)壽命不低但需要進(jìn)一步提升。電池循環(huán)壽命和循環(huán)的條件非常相關(guān)。鈉離子電池總體循環(huán)壽命不及鋰離子電池。有研究者證實(shí)，采用普魯士藍(lán)-硬碳-電解液體系的鈉離子電池1.5C條件下循環(huán)700次，容量保持率約有90%。采用層狀氧化物-硬碳-電解液體系的鈉離子電池在1C倍率下循環(huán)4000次，容量保持率還有80%。高循環(huán)壽命和高能量密度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)也有一定挑戰(zhàn)。高能量密度鈉離子電池的循環(huán)壽命需要進(jìn)一步提升。前述兩個(gè)高能量密度鈉電在較低倍率下的循環(huán)壽命在200次左右。鈉離子電池的循環(huán)壽命仍有提升空間。
綜上所述，“常規(guī)”鈉離子電池立足成本優(yōu)勢(shì)潛力，和磷酸鐵鋰性能指標(biāo)各有所長(zhǎng)；高能鈉離子電池可能在能量密度上超過(guò)鐵鋰，但技術(shù)成熟度較低，綜合性能占優(yōu)難度很大，不確定性較高。鈉離子電池相比于鉛酸電池性能（除極限安全性外）全面勝出，而且充分發(fā)展后成本差距也可以有效縮小。
鈉電池專利布局
鈉離子電池專利規(guī)模增大。2010 年以來(lái)，以中文或英文申請(qǐng)的處于有效、實(shí)質(zhì)審查和公開(kāi)狀態(tài)的鈉離子電池專利數(shù)共有近 3000 個(gè)。主要申請(qǐng)量在中國(guó)，也有相當(dāng)數(shù)量在美、日、歐、韓、世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織。近年來(lái)，鈉離子電池的專利申請(qǐng)基本呈遞增趨勢(shì)。鈉離子電池專利的主要申請(qǐng)人包括多個(gè)車企、電池企業(yè)、材料企業(yè)、科研院所。鈉離子電池專利的主題內(nèi)容廣泛，電池材料、單體、系統(tǒng)均有涉及。
鈉離子電池專利的申請(qǐng)地分布
鈉離子電池專利的年份-規(guī)模分布
綜上所述，鈉離子電池專利內(nèi)容豐富，布局者眾多，最關(guān)鍵的內(nèi)容是電池材料，尤其是正極材料。以當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的正極材料比容量、對(duì)鈉電壓等性能指標(biāo)，結(jié)合負(fù)極性能推斷，鈉離子電池單體的能量密度達(dá)到磷酸鐵鋰水平仍有相當(dāng)難度；電池材料層面的技術(shù)路線確定、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、成本控制等內(nèi)容還需要大量工作加以夯實(shí)。
重點(diǎn)案例：中科海鈉-國(guó)內(nèi)鈉電池先驅(qū)，產(chǎn)品領(lǐng)先
產(chǎn)業(yè)鏈朋友圈逐步擴(kuò)大，投資方股東實(shí)力較強(qiáng)。中科海鈉成立于2017年2月，是中科院物理所的科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目，也是國(guó)內(nèi)第一家專注于鈉離子電池研發(fā)和生產(chǎn)的公司。2022年4月，華為旗下的哈勃投資注資中科海鈉，中科海鈉朋友圈進(jìn)一步擴(kuò)大，股東包括國(guó)科嘉合、中科創(chuàng)星、梧桐樹資本、海松資本等多家知名機(jī)構(gòu)。在產(chǎn)業(yè)鏈布局方面，中科海鈉已經(jīng)和華陽(yáng)股份、多氟多達(dá)成深度合作，負(fù)極材料使用粉碎后碳化的華陽(yáng)股份無(wú)煙煤，電解液供應(yīng)則與多氟多合作密切。
中科海鈉融資情況
電芯生產(chǎn)計(jì)劃全國(guó)領(lǐng)先，與下游公司合作密切?？傮w而言，中科海鈉的電芯生產(chǎn)計(jì)劃走在了國(guó)內(nèi)同類創(chuàng)業(yè)公司的前端。2019年3月29日，中科海鈉自主研發(fā)的 30kW/100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站在江蘇省溧陽(yáng)市成功示范運(yùn)行；2021年6月28日，中科海鈉與華陽(yáng)股份合作開(kāi)發(fā)的1MWh鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在山西太原正式投入運(yùn)行；2021年12月，中科海鈉宣布與三峽能源、三峽資本、安徽省阜陽(yáng)市人民政府達(dá)成合作，成立阜陽(yáng)海鈉科技有限責(zé)任公司共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)?；慨a(chǎn)線，產(chǎn)能規(guī)劃為5GWh，并計(jì)劃在2022年正式投產(chǎn)；2021年12月，華陽(yáng)股份召開(kāi)1GWh鈉離子Pack電池生產(chǎn)線建設(shè)項(xiàng)目可研報(bào)告評(píng)審會(huì)，該條產(chǎn)線由華陽(yáng)股份全資子公司山西新陽(yáng)清潔能源有限公司發(fā)起，中科海鈉參與。
中科海鈉下游客戶
中科海鈉目前產(chǎn)品種類較為豐富，可分為電芯和模組兩類。其體積和重量不到同等容量的鉛酸電池的三分之一，能量密度已達(dá)到145Wh/kg，是鉛酸電池的3倍左右，循環(huán)壽命是鉛酸電池的十倍，同時(shí)具備5-10分鐘充電的快充能力。其中，電芯產(chǎn)品有圓柱形和軟包型兩種形態(tài)，模組產(chǎn)品則根據(jù)下游應(yīng)用場(chǎng)景的不同分為電動(dòng)自行車電池組、備用電源電池組、低速電動(dòng)車電池組和規(guī)模儲(chǔ)能電池組。
中科海鈉產(chǎn)品梳理
專利技術(shù)積累雄厚，全面構(gòu)建核心競(jìng)爭(zhēng)力。中科海鈉擁有多項(xiàng)鈉離子電池核心專利，是國(guó)內(nèi)外少有的擁有鈉離子電池核心專利與技術(shù)的電池企業(yè)之一。在正極材料方面，中科海鈉設(shè)計(jì)和制備出的低成本、環(huán)境友好的Na-Cu-Fe-Mn層狀氧化物正極材料已經(jīng)在中國(guó)、日本、美國(guó)、歐盟獲得專利授權(quán)；而在負(fù)極材料方面，其所掌握的使用低成本的煤作為原材料制備負(fù)極材料的技術(shù)同樣獲得了專利授權(quán)?；谝陨蠈＠夹g(shù)，中科海鈉構(gòu)建了較為全面的核心競(jìng)爭(zhēng)力，電池產(chǎn)品性能較為優(yōu)越。
中科海鈉專利總結(jié)
率先擁有量產(chǎn)能力，計(jì)劃2023年大規(guī)模擴(kuò)產(chǎn)。中科海鈉在2017年初完成正負(fù)極關(guān)鍵材料百公斤級(jí)放大生產(chǎn)、鈉離子軟包電池批量測(cè)試驗(yàn)證，2017年底研制出應(yīng)用于電動(dòng)自行車的48V?10Ah鈉離子電池組；2018年6月研制出了72V?80Ah鈉離子電池組應(yīng)用于低速電動(dòng)車上；2019年3月研制出的30kW/100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站，首次實(shí)現(xiàn)在大規(guī)模儲(chǔ)能上的示范應(yīng)用。2020年9月公司鈉離子電池產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其與華陽(yáng)股份共同成立的合資公司計(jì)劃于2023年擴(kuò)產(chǎn)至可以滿足生產(chǎn) 10GWh鈉離子電池所需的正、負(fù)極材料生產(chǎn)線。
結(jié)語(yǔ)
從前述鈉離子電池性能、成本、安全性等方面的研究，以及產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)際布局情況出發(fā)可以看出，近期鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵思路是初步規(guī)模化同步降本，將鈉的本征低成本屬性發(fā)揮出來(lái)。鈉電性能指標(biāo)會(huì)有一定程度提升，但能量密度大幅增加，同時(shí)其他性能、成本指標(biāo)不劣化的可能性不大。在2022年年底至2023年初步規(guī)?；?，2025年至2030年是較高性能、較低成本鈉離子電池大規(guī)模驗(yàn)證到高速發(fā)展的時(shí)間段。估計(jì)至2025年，兩輪電動(dòng)車、低速電動(dòng)車、叉車、儲(chǔ)能和少量A00級(jí)乘用車等是鈉離子電池率先發(fā)力的細(xì)分戰(zhàn)場(chǎng)。至 2030年，部分商用車、啟停電池等也開(kāi)始貢獻(xiàn)銷量。鈉離子電池的規(guī)模擴(kuò)張主戰(zhàn)場(chǎng)還是兩輪、低速、叉車與儲(chǔ)能。
預(yù)計(jì)，2025 年我國(guó)鈉離子電池市場(chǎng)空間近 30GWh，近 150 億元；2030 年市場(chǎng)空間擴(kuò)大至近 200GWh，近千億元。鈉離子電池規(guī)模在對(duì)應(yīng)二次電池市場(chǎng)中的規(guī)模總計(jì)分別超過(guò) 5%、15%。2030 年以后，我們估計(jì)鈉離子電池規(guī)模增速超過(guò)二次電池行業(yè)增速均值。鈉離子電池路線將成為助力能源革命、實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要技術(shù)路線。
梧桐樹資本長(zhǎng)期看好新一代儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)將持續(xù)助力優(yōu)質(zhì)企業(yè)快速實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)化落地和推廣，致力于加快國(guó)內(nèi)新能源、新材料相關(guān)領(lǐng)域的科技創(chuàng)新及技術(shù)發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。
