2023钠粒子电池深度剖析.docx

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1、2023钠粒子电池深度剖析目录1 .锂电一家独大，亟需钠电P1anB制衡21.1. “锂”想丰满，但现实残酷一一全球范围内，我国锂资源储量有限21.2. “锂”想丰满，但现实残酷一一国内开采成本较高，中长期价格有望较高21.3. “钠”新吐故，制衡锂电最优P1anB其他类型电池难堪大任21.4. “钠”新吐故，制衡锂电最优P1anB一钠电池在低温、安全性方面具备优势31.5. “钠”新吐故，制衡锂电最优P1anB一钠电中长期成本优势显著32 .正负极较为关键，材料工艺仍需进步31. 1.正极材料：多路线推进，层状氧化物有望率先落地32. 2.正极材料一层状金属氧化物：综合性能佳，有望率先产业化

2、应用43. 3.正极材料一层状金属氧化物目前需关注的痛点：不可逆容量损失、易吸水受潮44. 4.正极材料-普鲁士蓝类化合物：理论容量高，成本低，间隙水问题需解决45. 5.正极材料-聚阴离子化合物：成本低、循环好，有望应用于中远期储能市场56. 6.负极材料：传统石墨负极储钠能力差，硬碳/软碳是相对更理想的钠电负极材料57. 7.负极材料：硬碳高性能与软碳低成本，鱼和熊掌不可兼得52.8.负极材料-硬碳：前驱体来源广，树脂基成本高/沥青基制备难度大，非目前主流方向62.9.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62. 10.电解液：与锂电体系相通，有机电解液前景较优

3、62.11. 电解液-溶剂：碳酸酯类为主，多种溶剂混合使用72.12. 电解液-溶质：性能存在缺陷，六氟磷酸钠生产技术需进一步开发73. 1钠离子电池：性价比突出，主流路线明晰83.11. 钠电池性价比突出，目前处于痛点攻坚期83 .2.电极材料技术分析：主流路线基本明晰94 .钠离子电池价格低廉且性能良好125 .钠电池三大正极材料路线各有所长131. 1.层状过渡金属氧化物原材料易得、成本低145. 2.普鲁士蓝类似物能量密度高186. 3.聚阴离子化合物稳定性高，倍率性能有待改善206 .负极材料以碳基为主，有待技术突破211. 1.硬碳性能肩比石墨226. 2.新型软碳材料具备用于钠离

4、子负极可行性221 .锂电一家独大，亟需钠电PIanB制衡11“锂”想丰满，但现实残酷一一全球范围内，我国锂资源储量有限全球可用锂资源稀缺且分布不均，价格寡头垄断，易受地缘政治性影响。可用锂资源不足：锂是自然界密度最小的金属，具有极强的电化学活性，具有储能功能，其在地壳中含量仅约0.0065%,丰度居第二十七位，从资源总量来看其实并不稀缺，但受开采条件和提锂技术的影响,许多估算的资源量无法转化为储量,如全球已知最大的乌尤尼盐湖(UyUni)锂矿床由于没有经济可行的锂盐提取方法,其中大量的锂资源量无法计入储量。分布不均、寡头垄断：全球锂资源分布高度集中，形成寡头垄断局面，2023年，73%锂资源

5、分布在北美洲和南美洲，其他地区如大洋洲(8%)、亚洲(7%)、欧洲(7%)和非洲(5%)则分布较少。“锂”想丰满，但现实残酷一一国内碳酸锂价格飙涨从碳酸锂价格来看，自2023年8月至2023年3月，电池级碳酸锂的价格几乎呈直线上升，历史最高与最低价格相差约10倍。价格易受地缘政治性影响：基于当前锂资源集中垄断的情况，我们预计未来锂价不仅会由实际市场供需决定，更易受到国际政治形势等多重因素的影响。当前锂价的持续走高和锂资源的供需紧张问题亟待解决。12.锂”想丰满，但现实残酷一一国内开采成本较高，中长期价格有望较高我国锂盐对外依存度近八成，或将构成潜在“卡脖子”威胁。我国锂资源供应对能源和产业安全

6、的威胁不容忽视。我国的锂资源储量总量并不稀缺，从2023年数据来看，我国的锂资源储量总量全球占比6.31%,紧随智利、澳大利亚、阿根廷，位列第四，但现实是我国80%的锂资源供应依赖进口(澳洲锂矿和南美盐湖等地)，是全球锂资源第一进口国。原因在于大部分可开采资源位于青海和西藏盐湖，但青海盐湖锂镁分离困难、西藏地理环境恶劣，因此电池级碳酸锂的有效产能不足。加之新能源汽车和储能产业发展势头迅猛，我国锂资源供给与需求量形成强烈对比。产量方面，2023年全国锂离子电池产量达750GWh,同比增长超过130%,其中储能型锂电产量突破IOOGWho锂电“一家独大”或将构成我国潜在的“卡脖子”威胁，发展替代方

7、案对于保隙我国能源供应和产业安全具有重要意义。13钠新吐故，制衡锂电最优PIanB其他类型电池难堪大任钠电池有望向上制衡锂电、向下蚕食铅酸。钠电池一方面与铅酸电池相比，在循环、成本、能量密度等方面都具有较为明显的优势，有望向下蚕食铅酸市场；另一方面，因整体性能与锂电池接近、成本优势显著，有望向上制衡锂电池应用的垄断性。我们认为，液流电池应用局限性较大，难以作为锂电池的平替。电化学储能技术主要分为锂离子电池、铅酸电池、钠离子电池、液流电池和钠硫电池等类别。自2023年6月29日国家能源局在防止电力生产事故的二十五项重点要求(2023年版)(征求意见稿)中提出“中大型电化学储能电站不得选用三元锂电

8、池、钠硫电池”之后，液流电池的关注度上升，但该类电池初始投资成本高、占地面积大，我们认为，液流电池在动力电池和便携式储能领域应用价值较低，并不能够作为制衡锂电池的P1anB01.4. 钠新吐故，制衡锂电最优PIanB钠电池在低温、安全性方面具备优势钠电整体性能与锂电接近，能量密度稍逊，但低温、安全和倍率性能突出。能量密度方面，在目前的技术条件下，钠离子电池的电芯能量密度约为70-200Whkg,高于铅酸电池的30-50Whkg,相较于三元锂电的200-350Wh/k有所逊色，但与磷酸铁锂电池的150-210Whkg有重叠范围，且尚有较大的技术进步空间。低温表现方面，相比于锂离子电池20到60的

9、工作温度区间，钠离子电池可以在-40C到50C的温度区间正常工作，20环境下容量保持率近90%,高低温性能更优秀。安全性方面，得益于更高的内阻，钠离子电池在短路状况下瞬间发热量少，热失控温度高于锂离子电池，具备更高的安全性。在针对过充过放、针刺、挤压测试时，钠离子电池的安全性表现也让人满意。1.5. 钠新吐故，制衡锂电最优P1anB钠电中长期成本优势显著成本优势显著。钠在地壳中具有更高的丰度，约占地壳储量的2.64%,且广泛分布在世界各地，原料端碳酸钠提炼简单、价格远低于碳酸锂，碳酸钠常年处于3000元/吨以内水平，以2023年8月数据为例，两者价差约170倍。再加之钠离子电池可以使用较为便宜

10、的铝箔作为集流体材料，进一步节约成本。2 .正负极较为关键，材料工艺仍需进步2.4. 正极材料：多路线推进，层状氧化物有望率先落地作为优异的钠离子电池正极材料需要具备以下因素：(1)较高的容量和氧化还原电势；(2)对电解液适应性强；(3)较好的离子和电子电导率；(4)在空气中易于制备、保存、运输以及低的成本；(5)较好的循环性能和倍率性能。目前，受到研究者广泛关注的钠离子电池正极材料主要包括层状金属氧化物、普鲁士蓝类化合物及聚阴离子型化合物。每种类型的材料都存在着一些特征缺点，层状金属氧化物结构多变从而结构稳定性差;普鲁士蓝循环稳定性较差且材料高温易分解，存在潜在危险;聚阴离子型化合物容量较低

11、，导电性也较差。2.2.正极材料-层状金属氧化物：综合性能佳，有望率先产业化应用层状氧化物类钠离子电池正极材料是金属氧化物类中的一种，可分为Mn基、Fe基、Cr基正极材料等。其结构是由共边的八面体过渡金属氧层和钠离子层堆垛而成。根据其结构可分为四种，分别为P2相、P3相、02相和03相(字母“P”代表了钠离子在其中的氧配位环境为三棱柱配位，“0”代表其中的氧配位环境为八面体配位)，其中，P2相与03相是最为常见的两种钠离子层状氧化物正极材料。因其适当的操作潜力，高容量和简单的合成路线,层状氧化物被认为是最有希望的正极材料。2.3.正极材料层状金属氧化物目前需关注的痛点：不可逆容量损失、易吸水受

12、潮层状氧化物的“苦恼”：不可逆容量损失，恶化循环性能；易吸水受潮，恶化加工性能。(1)晶格扭曲及相变的产生，导致不可逆的容量损失，恶化循环性能。由于层状结构氧化物通常为过渡金属元素与周围六个氧形成的M06八面体结构组成过渡金属层，钠离子位于过渡金属层之间，形成M06多面体层与Na06碱金属层交替排布的层状结构。这些结构在钠离子电池充放电过程中会发生晶格扭曲并产生相变，阻碍了钠离子的传输扩散，使得大部分钠离子游离在材料的表面，与电解液发生副反应，形成不可逆的容量损失，同时恶化循环性能，导致电池性能衰减甚至失效，从而带来安全方面的隐患。现有技术大部分采用掺杂极少量的变价金属以达到改善材料的结构稳定

13、性目的，如振华新材专利CN114975982A,钠创新能源CN114005969A等。(2)烧结后易产生残碱，导致材料易吸水受潮，恶化加工性能。在层状结构氧化物制备过程中，考虑到钠元素的流失，材料生产过程中往往会加入过量钠盐，导致材料烧结后钠盐残留，主要以碳酸钠和氢氧化钠形式存在，简称残碱。如果钠离子电池极材料的碱性过高，在加工过程中会导致材料易吸水受潮，在搅浆过程中黏度增加，容易形成果冻状，导致加工性能变差。针对此问题，目前主要通过水洗、酸性气体等工艺进行改进，如中科海纳采用低温二次烧结，使得层状正极材料完全去除水分后，通过酸性气体与层状正极材料表面的残碱反应，降低材料表面的残碱含量。2.4

14、.正极材料普鲁土蓝类化合物：理论容量高，成本低，间隙水问题需解决普鲁士蓝类正极材料(AXMaMb(CN)61-yynH2O(0x2,0y1),其中A为碱金属离子；Ma和Mb为不同配位环境的过渡金属离子；为Mb(CN)6空位)具有较高的工作电势，较为稳定的三维框架结构，较长的循环寿命，较低的制造成本，其中利用M3+M2+和Fe3+Fe2+氧化还原电对，最多可以实现两个Na+的有序脱出/嵌入，对应理论比容量达到17OmAhg(以NaFeFe(CN)6为例)。普鲁土蓝的“苦恼”：空位和间隙水导致电化学性能恶化。普鲁土蓝类化合物在合成过程中易形成Fe（CN）64-空位和间隙水，形成的空位被配位的H20

15、分子占据后不仅会降低材料的初始钠含量，而且会导致容量在循环过程中快速下降，恶化电化学性能，阻碍实际应用。2.5.正极材料聚阴离子化合物：成本低、循环好，有望应用于中远期储能市场聚阴离子化合物NaXMy（Xaob）ZZw,（M为Ti、V、Cr、Mn.Fe、Ni等中的一种或几种；X为S、P等；Z为F等），是由聚阴离子多面体和过渡金属离子多面体通过强共价键连接形成的具有三维网络结构的化合物，钠离子占据其中的通道位置。目前一系列包括磷酸根和氟磷酸根在内的聚阴离子化合物在钠离子电池中得到了广泛的研究，也取得了许多显著和重要的进展。然而聚阴离子化合物存在的一些瓶颈仍然限制了实际应用，例如有限的容量和低的电导率。因而在研究工作中，特别关注该材料的设计，反应机理的表征以及电化学性能的改善策略。聚阴离子的“苦恼”：含帆=成本高+有毒，降帆+降本是产业化的关键掣肘。磷酸锐钠（Na3V2（PO4）3）,因具有理论容量大、化学稳定性好、使用寿命长、天然丰度高等优点，受到广泛关注。然而由于磷酸钢钠中含钢元素，也存在成本较高和具有毒性等问题作凡的价格相较于铁、镉等金属波动性较大，且相较于铁、锦等金属价格较高）。（1）降机是聚阴离子研究的重点方向之一。2023年武汉大学曹余良（珈钠能源创始人）团队成功研发出最高可逆放电容量（0.2C时为110.9mAhg1）和最佳倍率性能（IOOC时为5