钠离子电池行业市场分析.docx

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1、钠离子电池行业市场分析1钠电概况1.1. .重回视野早在1870年，法国科幻小说海底两万里中就曾提出了钠离子电池的构想鹦鹉螺号利用钠和汞制成的二次电池来提供动力，汞是不会损失的，而钠则可以从大海中源源不断提取。现实生活中的大约一百年后，20世纪70年代末，钠离子电池与锂离子电池先后开展研究。锂离子电池凭借其优异性能受到青睐，并在1991年成功实现了商业化，而钠离子电池的研究与产业化进展则一度处于缓慢甚至停滞状态。近几年来，钠离子电池逐渐重回大众视野，在中国，多份文件出台，行业标准得以制定，相关赛道掀起投资热潮。1.2. 工作原理与锂离子电池相同，钠离子电池也属于“摇椅式电池”的一种，即依靠钠离

2、子在正负极之间往返迁移来实现电池的循环过程。主要构成同样包括正负极材料、隔膜、电解液、集流体等隔膜将正负极隔绝开来防止短路，电解液浸润正负极以确保离子导通，集流体收集和传输电子。充电时，钠离子（Na+）从正极脱出，经过电解液穿过隔膜孔隙并嵌入负极；放电时，钠离子（Na+）从负极脱出，经过电解液穿过隔膜孔隙并嵌入正极；同时有相同数量的电子通过外电路传递，以维持电荷的平衡。图表1:钠离子电池工作原理：充电e正极材料/负极材料隔膜电解液1.3. 发展历程首先诞生的是高温钠电池。1967年，钠离子（Na+）在Naf-AI2O3中的快速传导被发现;1968年,美国Ford公司发明了高温钠硫电池，以单质硫

3、为正极、金属钠为负极，以NaTAI2O3为固体电解质，在300-350。C温度下工作。其后1986年，南非CoetZer将单质硫替换成NiCI2,发明了ZEBRA电池（高温钠氯化银电池），同样在300-350oC高温下工作。商业应用方面，钠硫电池早期曾被尝试用于驱动电动车，但最终因安全问题而被放弃。2003年，日本NGK公司实现了高温钠硫电池的商业化。如今，全球运行着超200座钠硫电池储能电站，据中关村储能产业技术联盟（CNESA）数据，截至2023年，全球已投运的新型储能项目累计装机25.4GW,钠硫电池占据其中2%,大约达到0.508GW规模水平。ZEBRA电池的大规模商业应用由瑞士MES

4、-DEA公司推进，目前，全球主要的ZEBRA电池生产商有美国GE运输系统集团、欧洲FZSoNickSA公司等。中国在高温钠电池领域起步相对较晚，中国科学院上海硅酸盐研究所对相关技术的推进起到了重要作用。应用方面，2014年，中国钠硫电池模块产品交付上海电力，开展电站工程应用示范；2019年，浙江安力能源开始钠氯化镁电池的商业化运营。为避免概念的混淆，也为了更清楚地定义探讨的范围，我们将使用钠的电池（钠基电池）分为高温钠电池和常温钠离子电池两大类。二者都通过钠离子在正负极之间的往返运动来实现充放电。主要区别在于，高温钠电池采用金属钠作为负极材料，且工作温度较高；而常温钠离子电池采用碳等其他材料作

5、为负极材料，且工作温度为室温或较低温度。负极方面，以金属钠作为负极材料容易在负极侧析出钠枝晶而破坏隔膜，进而导致内部出现短路；此外金属钠熔点约为97.7C,反应活性高，容易产生安全隐患。工作温度方面，高温可以让固态电解质实现较高的离子电导率，但同时也产生了诸多问题，例如对电池封装材料和固态电解质的要求苛刻、维持高温状态导致电池能量转换效率降低等。因此，当前积极寻求可以在室温或较低温度下工作的钠离子电池。我们此篇报告所称、所讨论的钠离子电池也是指常温钠离子电池。常温钠离子电池的发展则经历了从停滞到复兴的过程。1979年，法国Armand首次提出“摇椅式电池”的概念，开启了锂离子电池和钠离子电池的

6、研究。1981年，法国De1maS等首次报道NaxCoO2层状氧化物正极的电化学性能。其后，受到研究条件限制，以及缺乏合适的负极材料（石墨在碳酸酯类电解液中几乎没有储钠能力），研究重心主要保留在锂离子电池上，而钠离子电池的研发进展缓慢。2000年，一种较高储钠比容量的硬碳负极材料被发现，为钠离子电池的研究带来了转折。目前，硬碳材料依旧是钠离子电池最有应用前景的负极材料。此外，层状氧化物、聚阴离子材料等领域也有所突破。2010年后，普鲁士白正极材料、铜基正极材料等被相继提出。2011年，全球首家钠离子电池公司FaradiOn于英国成立。2015年，法国开发出了世界上首颗18650钠离子电池，电芯

7、能量密度90Whkg,循环寿命超2000次。2017年，中国首家钠离子电池公司中科海钠成立，并于2018年和2019年推出了全球首辆钠离子电池低速电动车（72V80Ah）和首座IOokWh钠离子电池储能电站，2023,中科海钠推出了全球首套IMWh钠离子电池光储充智能微网系统。可以说在2010年后，钠离子电池正式进入了复兴时期。背后的原因主要有两点：（1）锂电相关研究日趋成熟，大量研究转向了对钠电的探索；（2）动力和储能规模不断增长，带动大量市场需求，叠加对全球锂资源受到约束的担忧，亟需开拓锂电之外的电池体系。目前，海内外有60多家企业致力于钠离子电池电芯或材料的研发与商业化，包括英国FARA

8、D1ON、美国NatrOnEnergy、法国Tiamat、日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，以及中国的中科海钠、宁德时代、多氟多等。中国在钠电的产品研发制造、标准制定、市场应用推广等各方面工作全面展开，走在世界前列。图盘3:钠电池分臭(高温与常温)高温钠破电池14性能特点(1)钠资源储量丰富且分布均匀，成本低廉，是钠离子电池备受重视的关键因素。将钠资源与锂资源对比来看，钠元素地壳丰度为23,000ppm(2.30%),而锂元素地壳丰度仅约为17PPm(0.0017%),锂离子中常用的银、钻在在地壳中储量也较低,约在90PPm(0.009%)、30ppm(0.003%)左右的水平。此外，锂资源

9、在全球分布不均，有相当一部分集中在南美洲。根据美国地质调查局(USGS)2023年1月发布的数据，全球锂资源量约9,800万吨，其中，中国锂资源量约680万吨，约占全球7%,排名第六；全球锂资源储量约2,600万吨，其中，中国锂资源储量约2,000万吨，约占全球8%,排名第四。资源价格来看，上海钢联数据显示，2023年锂价上涨了1倍，碳酸锂最高达到59万元/吨，氢氧化锂最高达到58.4万元/吨，成为锂电池发展的卡脖子资源，今年以来又大幅度下跌；相较之下，碳酸钠价格在3,000元/吨左右，成本低廉。在此背景下，发展无资源限制的钠离子电池符合资源安全的战略需求，也对新能源电池体系降本起到至关重要的

10、作用。图表5:全球锂资源量分布情况玻利维亚阿根廷美国澳大利业中国德国智利刚果（金）12.3%加拿大其他（2）钠离子较重的质量和较大的离子半径导致钠离子电池的质量能量密度和体积能量密度都逊于锂离子电池。（3）钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，都属于“摇椅式电池”；制造工艺也相彳以，根据电池内部装配结构和封装方式同样可制成圆柱电池、方形电池或软包电池,生产工序同样主要包括电极制造（制浆、涂布、辐压、分切）、电芯装配（卷绕/叠片、装配、干燥、注液、封口）和化成分选（化成、分容、筛选）。因此，钠离子电池可兼容锂离子电池现有的生产设备，有助于加快钠离子电池产业化进程并控制成本。（4）结构组成方面，由于

11、钠与铝不形成合金，钠离子电池正负极集流体都可采用铝箔，而锂离子电池负极侧需要使用铜箔集流体，铝箔相比铜箔成本更低，不仅如此，还可以设计双极性电池进一步提高能量密度。石墨在锂离子电池中作为负极材料，具有优异的储锂能力，但由于热力学原因几乎不具备储钠能力，因此需要开发其他电极材料。（5）钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即更容易脱溶剂化，界面反应动力学更好。（6）钠离子的斯托克斯直径比锂离子更小，低浓度的钠盐电解液具有较高的离子电导率，因此可以使用较低浓度的电解液。（7）此外，钠离子电池高低温性能更优异；且在过充过放、短路、针刺等安全测试中均不爆炸不起火，即安全性能更好。1.5.小结与讨论1、在碳中和

12、的大背景下，锂离子电池市场规模大幅扩张，但上游锂资源储量有限且分布不均，价格暴涨暴跌，给下游电池厂、整车厂带来巨大压力。相较之下，钠资源储量丰富且分布均匀，成本低廉，发展无资源限制的钠离子电池符合资源安全的战略需求，也能对新能源电池体系降本起到至关重要的作用。一方面钠离子电池具有较低的理论成本，通过在部分领域替代锂离子电池可以降低电池使用成本；另一方面钠离子电池的发展也能够促使锂电价格回归合理区间，成为平衡和稳定锂资源价格的有力工具。2023年以来锂离子电池原料价格的暴涨很大程度助推了钠离子电池的研发与产业化，锂价越高，钠离子电池价格和生存空间也越大；而当原料成本问题得到缓解，钠离子电池推广落

13、地的急迫性或也将有所降低。我们认为，除了市场需求旺盛，当前电池化学体系过度单一也是锂盐价格暴涨暴跌的根源之一，因此即使短期不再承受原料成本高企的压力，钠离子电池技术的推进与发展依旧富有意义。2、钠基电池可以包括高温钠电池和常温钠离子电池两大类，二者都通过钠离子在正负极之间的往返运动来实现充放电。区别在于，高温钠电池采用金属钠作为负极材料，且工作温度较高；常温钠离子电池采用碳等其他材料作为负极材料，且工作温度为室温或较低温度。我们此篇报告所称、所讨论的钠离子电池是指常温钠离子电池。3、钠离子电池能量密度不高，但具有低成本、低温性能强、安全性能好等优势，因此在对动力性能要求不高的低速电动车领域、两

14、轮电动车领域以及对成本更为敏感的储能领域具有较大潜力。2.钠电商业化还有多远2.1.锂电发展历程20世纪70年代爆发两次石油危机，不仅对各国政治、经济格局产生深远影响，也推动了“能源转型”概念的兴起，寻找新型能源的重要性得到明显提升。正是在这一时期，锂电池相关基础研究进展迅速。1970年前后首次实现了锂一次电池的商品化，由美国航空航天局和日本松下公司共同研发，以氟化石墨为正极、以金属锂为负极。直到现今，一些锂一次电池仍在使用，例如心脏起搏器采用的锂碘电池等。其后，研究者们尝试将金属锂电池二次化，使其实现可逆充电。1988年，加拿大Mo1iEnergy公司推出了首款商业化的锂二次电池(1iMoS

15、2),但在一年后，该公司的电池产品出现起火爆炸事故而大范围紧急召回。事故原因是金属锂作为负极在循环中容易生成树枝状的锂枝晶，从而造成电池内部短路引发起火爆炸。由于金属锂负极的安全问题，金属锂二次电池的商业化进程逐渐终止，最终退出市场。另一条技术路径锂离子电池则逐渐成型。法国Armand提出摇椅式电池的概念，研究是否能够使用具有嵌入式储存锂机制的正负极构建一种新型的二次锂电池体系。摇椅式电池的逻辑下，找到合适的可用于锂嵌入和脱出的正负极材料就成为了关键的一步。1980年，锂电之父GOodenOUgh发现层状结构的钻酸锂（1iCoO2）具有更高的电压和化学稳定性，可替代不含锂的金属硫化物作为锂电池

16、正极；1982年，美国伊利诺伊理工大学证明石墨可以在聚合物电解质中可逆实现电化学储锂。1991年，首批商业化的锂离子电池在索尼公司问世，采用的正是以钻酸锂为正极、以石墨为负极的材料体系。我们梳理了锂离子发展历程中的诸多重大事件，可以看到，学术层面尤其是材料科学领域技术的突破、产业层面产品的研发和推出，以及市场需求的变化等都共同推进了锂离子电池的发展。技术突破方面,尖晶石状镒酸锂（1iMn204）、橄榄石状磷酸铁锂（1iFePO4）、富锂镒基材料（1i2MnO31iCoO2）、三元过渡金属银钻镒复合氧化物（1iNiI-x-yCoyMnxO2）在1983、1996、1997、1999年相继被提出。站在如今的视角来看，钻酸锂、镒酸锂、磷酸铁锂、三元锂构成了当今最广泛运用的电池材料体系框架。而三元材料中，NCM333.NCM523NCM622、NCM811,以及