淺談全球鈉離子電池生產企業布局

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《世界氫能與燃料電池汽車產業發展報告（2021）》重點聚焦“雙碳”目標下氫能與燃料電池汽車產業發展，分為總報告、氫能篇、整車篇、零部件篇、標準篇、專題篇、借鑒篇七部分。總報告對2020年以來全球和我國氫能及燃料電池產業發展進行了全面闡述，分析了氫能及燃料電池產業面臨的新階段、新機遇。氫能篇聚焦可再生能源制氫這一發展方向，對其未來發展重點及潛力進行了分析。整車篇通過對中重型車的應用場景及技術要求進行研究，分析了燃料電池中重型車的應用潛力。零部件篇圍繞燃料電池關鍵零部件及材料，分析了其國內外發展狀況、存在的問題及發展趨勢。標準篇對2021年發布的三項重要液氫標準進行了解讀，并分析了液氫標準未來發展趨勢。專題篇對氫動力運輸裝備創新發展戰略進行了研究，提出了氫動力運輸裝備發展路線圖。借鑒篇選取上海市、現代汽車、加拿大氫能與燃料電池汽車產業的發展進行分析，以期為城市、企業、國家氫能產業發展提供參考。

鈉離子電池

鈉離子電池的發展

鈉離子電池最早由ARMAND團隊于20世紀80年代提出，在90年代經過產業化推廣得到技術應用。從2011年起進入成長期。鈉離子電池本質是在充放電過程中由鈉離子在正負極間嵌入脫出實現電荷轉移，與鋰離子電池的工作原理類似。

鈉離子發展歷史

鈉離子電池研究自2010年快速增長（1980-2021）

鈉離子電池工作原理

利用鈉離子（Na+）在正負極材料之間的可逆脫嵌實現充放電。

充電時，Na+在電勢差的驅動下從正極脫出，經過電解質傳輸嵌入負極，實現電量儲存，放電過程正好相反。

來源：中科海納官網

來源：國泰君安證券研究

鈉離子電池的組成

鈉離子電池主要由正極、負極、電解液和隔膜四部分構成，其中正極和負極材料的結構和性能決定著整個電池的儲鈉性能。

相較于鋰離子電池，鈉離子半徑和體積較大，材料結構穩定性和動力學性能上面不占據優勢，需要更多的技術突破，而技術選擇的焦點集中于正極材料和負極材料，這決定了鈉離子電池的性能和成本。

正極材料：

正極材料主要為電池提供離子源，決定了電池的能量密度。

目前正極材料主要有三種路線，分別是層狀過渡金屬氧化物、普魯士類化合物和聚陰離子化合物，前兩者在商業應用上的實踐更為廣泛，典型代表分別是中科海鈉和寧德時代。

鈉離子電池正極材料分類

層狀過渡金屬氧化物NaxMO2

M為過渡金屬元素，如Mn、Ni、Cr、Fe、Ti和V及其復合材料，比容量高且易于加工量產，可以分為單金屬氧化物、二元金屬氧化物、三元金屬氧化物和多金屬氧化物，在合成與電池制造方面與鋰電池有相似之處。

其中單層金屬氧化物是參照鋰電池LiCoO2研究，但是結構不穩定，而摻入多種元素的二元或三元金屬氧化物可以具有較高的可逆容量及較好的循環壽命，但同時也提升了成本。

在產業實踐方面得到了較為廣泛的應用，其中英國Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元層狀氧化物正極材料，電池能量密度超過160Wh/kg，循環壽命在3000次以上，未來有進一步提升的空間。

中科海鈉采用了Cu-Fe-Mn三元層狀氧化物正極材料，電池能量密度達到135Wh/kg，具有較好的循環穩定性。

普魯士類化合物

普魯士類化合物是過渡金屬六氰基鐵酸鹽NaxMa[Mb(CN)6](Ma為Fe、Mn或Ni等元素，Mb為Fe或Mn)，具有開放框架結構，有利于鈉離子的快速遷移，氧化還原活性位點較多，具有較高的理論容量，且結構穩定性較強。

但是另一方面晶體骨架中存在較多的空位和大量結晶水，會影響削弱材料的比容量和庫倫效率，影響穩定性和循環性能。這些缺點需要通過技術研發來彌補，目前主要方式有采用納米結構、表面包覆、金屬元素參雜、改進合成工藝降低配位水和空位等。

產業實踐以寧德時代為代表，其開發的普魯士白（NaxMn[Fe(CN)6]）材料可以較好地控制結合水形成，鈉電樣品的能量密度達到160Wh/kg，。

聚陰離子類化合物

聚陰離子類化合物NaxMy[(XOm)n-]z(M為可變價態的金屬離子如Fe、V等，X為P、S等元素)具有三維網絡結構，結構穩定性很好，同時也具有工作電壓高和循環性能好的優點。

但是比容量較低且導電性偏低，目前主要采用碳材料包覆、氟化、參雜、不同陰離子集團混搭、尺寸納米化及形成多孔結構等方式改善。

產業實踐相較前兩者少一些，典型代表主要是法國Tiamat和中國的鵬輝能源。

資料來源：CNKI，國盛證券研究所

負極材料：優選碳基材料負極材料是鈉離子電池充放電過程中離子和電子的載體，決定能量儲存與釋放，優選碳基材料。 ? 目前，可應用于鈉離子電池的負極材料有無定形碳、金屬化合物和合金類材料，由于合金類材料大多體積變化大，循環較差；金屬化合物容量較低，因此無定形碳是目前最為主流的負極材料，比容量可達200-450mAh/g，分為硬碳和軟碳，主要由隨機分布的類石墨微晶構成，沒有石墨長程有序和堆積有序的結構。 ? 軟碳在高溫下可以完全石墨化，導電性能優良；硬碳的優點在于儲鈉容量高、嵌鈉電位低，高比容量易合成，其在鈉電的容量（200-450mAh/g）與石墨在鋰電中的容量（375mAh/g）相媲美，應用更為廣泛。 ? 產業內，日本公司Kuraray的硬碳產品非常成熟，其硬碳價格約在18萬/噸；國內主要的負極材料廠商有杉杉股份、貝特瑞和璞泰來等。 ? 寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料。中科海鈉創新性地使用無煙煤作為前驅體開發的高溫裂解無煙煤負極可逆比容量約220mAh/g。

電解液與隔膜：近似鋰電電解液是傳輸離子的載體，由電解質、溶劑和添加劑構成。鈉離子電池的電解質與鋰離子電池極為相似，以鈉鹽替代鋰鹽，如高氯酸鈉等，其成本低于鋰鹽。 ? 溶劑分為水系和非水系，大部分沿用鋰電采用的酯類有機溶劑。添加劑方面幾乎同鋰離子電池相比沒有區別。 ? 隔膜一方面用以隔開正、負極，一方面形成充放電回路使離子通過，鈉離子電池與鋰離子電池在隔膜方面技術相近，鋰電池廣泛應用的PP/PE隔膜可以復用，但鈉離子電池更多采用玻纖隔膜，成本更低。

集流體：使用鋁箔，成本遠低于鋰電鈉電集流體采用鋁箔，成本遠低于鋰電。 ? 集流體是用來連接粉末狀活性物質，并將將活性物質產生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質。 ? 在石墨基鋰電池中，因為鋰會與鋁反應產生合金，因此負極必須采用銅箔作為集流體。而在鈉離子電池中，鈉和鋁不會反應產生合金，因此正負極集流體都可以采用鋁箔，成本遠低于鋰電池。

鈉離子電池的優勢

鈉離子電池用于儲能，具備以下優勢：（1）高低溫性能優異，可在大溫度范圍內工作，在-40℃低溫下可以放出70%以上容量，高溫80℃可以循環充放使用。（2）大功率工作。儲能設備需要滿足間歇的大規模儲能，同時要具備大功率輸出的特點。（3）綠色環保可持續。鈉電正負極集流體采用鋁箔，電池的結構和組分更簡單，也更易于回收再利用。

鈉離子電池的應用

低速交通工具：

鈉離子電池應用于低速交通工具

在低速交通市場上，鈉電性優價廉且環保，競爭力凸顯。 ? 鋰電池市占率逐年提升，但鋰電池成本較高，能量密度優于鈉離子電池的優勢在低速電動市場上被弱化，而鈉離子電池的成本優勢突出。 ? 同時，鈉離子電池的性能足夠滿足低速電動的需求，以中科海鈉鈉離子電池為例，可達到145Wh/kg，同時能夠實現5-10分鐘充電快充，循環壽命可達鉛酸電池十倍。而愛瑪科技也在發布會上宣布未來將使用鈉電池用于自己的電動兩輪車中。

鈉離子電池產業鏈?

鈉離子電池產業鏈結構與鋰電類似，包括上游資源企業、中游電池材料及電芯企業。