水系鈉離子電池行業(yè)分析2023

• 陳觀秋 2023年2月27日 來源：中研普華報告 百度 1343 88
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隨著化石能源的日益枯竭以及清潔能源如風能、太陽能的快速發(fā)展，全球能源消耗模式將逐漸從化石能源轉(zhuǎn)向新能源。而能源消耗模式的轉(zhuǎn)變很大程度上依賴先進的大規(guī)模儲能技術。近年來，鈉離子電池技術由于鈉資源全球儲量豐富、成本低、具有與鋰離子電池類似的儲能原理和工藝

隨著化石能源的日益枯竭以及清潔能源如風能、太陽能的快速發(fā)展，全球能源消耗模式將逐漸從化石能源轉(zhuǎn)向新能源。而能源消耗模式的轉(zhuǎn)變很大程度上依賴先進的大規(guī)模儲能技術。近年來，鈉離子電池技術由于鈉資源全球儲量豐富、成本低、具有與鋰離子電池類似的儲能原理和工藝技術等優(yōu)勢，重新得到研究者們的青睞，發(fā)展成為一種極具應用潛力的儲能技術。

水系鈉離子電池基本情況

現(xiàn)有的二次電池技術都還不能滿足大規(guī)模儲能的要求。例如：鉛酸、鎘鎳電池含有大量有害的重金屬元素，大規(guī)模應用會在生產(chǎn)和廢棄階段造成嚴重的環(huán)境污染，而且對環(huán)境溫度要求嚴格，僅適用室內(nèi)運行環(huán)境;鎳氫電池由于采用了昂貴的稀有金屬，價格上難于滿足大規(guī)模儲電的成本要求。全釩液流電池除了采用了貴金屬外，還有毒性和腐蝕性的問題;鈉硫電池因為需要高溫，液態(tài)硫和金屬鈉對氧化鋁隔膜具強腐蝕性，容易造成燃燒事故。

相比于上述的傳統(tǒng)二次電池，有機系離子電池以離子在正負極的嵌入脫出和在兩極間擴散作為充放電基本原理，具有能量密度高，倍率高和循環(huán)壽命長的特點。在性能上可以滿足儲能系統(tǒng)的技術要求。然而，由于其大量使用易燃的有機電解質(zhì)，在生產(chǎn)和使用過程中會造成爆燃事故，有安全性問題缺陷。而水系離子電池由于采用中性的鹽水溶液作為電解質(zhì)，既避免了有機電解質(zhì)的易燃問題，又克服了傳統(tǒng)水系電池的高污染，壽命短(如鉛酸電池)和價格昂貴(鎳氫電池)的缺點，是能夠滿足大型儲能技術要求的理想體系之一。因此，近年來，水系離子(鋰、鈉等)電池的研發(fā)越來越受到關注。但是，地球上的鋰資源實際上是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應用需求的。于是，與鋰的化學性能類似的鈉被認為能夠替代鋰適用于水系離子電池體系。

鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。因此，水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池之一，成為最近業(yè)界研究工作的焦點。

實際上，鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀80年代，人們就開展了有機系鈉離子電池正負極材料的研究。但是與有機系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應用于有機系鋰離子電池中的正負極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負極間離子嵌入-脫出反應的“搖椅式”機理作為充放電反應機理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應困難。而且，負極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。

據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院《2022-2027年中國水系鈉離子電池行業(yè)深度分析與投資預測報告》分析：

鈉離子電池最大的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)5-10分鐘的快速充電能力，且無論是能量密度還是循環(huán)壽命，鈉離子電池都顯著優(yōu)于鉛酸電池。相比于鋰離子電池，鈉離子電池有更好的安全性。目前，鈉離子電池的循環(huán)壽命大約是鋰離子電池的65%左右，能量密度比鋰電池低20%。但是較低的循環(huán)次數(shù)和能量密度決定了鈉離子電池無法應用于電動汽車和手機電池等領域。

鈉離子電池可分為鈉硫電池、水系鈉離子電池、有機鈉離子電池、固態(tài)鈉離子電池。鈉硫電池主要以金屬鈉作為負極、非金屬硫作為正極、β-A12O3陶瓷管同時充當電解質(zhì)和隔膜，是目前唯一同時具備大容量和高能量密度的儲能電池。

水系鈉離子電池行業(yè)分析

鈉離子電池未來將主要應用于儲能和動力兩個領域。在儲能領域，2021年07月15日，國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》提出加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規(guī)?；囼炇痉叮孕枨鬄閷?，探索開展儲氫、儲熱及其他創(chuàng)新儲能技術的研究和示范應用。因此，在政策的推動下，鈉離子電池有望加快應用于電網(wǎng)側(cè)、用電側(cè)和發(fā)電側(cè)儲能。

在動力領域，鈉離子電池將在兩輪車和電動汽車兩個方面得到應用。在兩輪車領域，由于鈉離子電池有有能量密度相對較低、安全性比較高的特點，因此有望實現(xiàn)在對鉛酸電池的逐步替代。

雖然水系鈉離子電池技術面臨著諸多挑戰(zhàn)，但它仍然為大規(guī)模儲能提供了一種安全、廉價、清潔和耐久的新體系。現(xiàn)在，越來越多的新材料，新構思和新技術被應用到水系鈉離子電池體系的開發(fā)中，其綜合性能也在不斷提升。相信隨著研究與開發(fā)的不斷深入，在不久的將來一定能夠?qū)崿F(xiàn)其在儲能上的大規(guī)模應用，從而推動以智能電網(wǎng)和可再生能源并網(wǎng)為代表的清潔能源的應用。

據(jù)調(diào)查，水系鈉離子電池平均售價略低于鋰離子電池，高于鉛酸電池，但在使用壽命上卻大大高于鉛酸電池，因此，水系鈉離子電池具有較好的市場前景，隨著技術水平的不斷提高，水系鈉離子電池的生產(chǎn)成本有望進一步降低，未來水系鈉離子電池的售價將更加低廉。若能實現(xiàn)批量生產(chǎn)，未來批量生產(chǎn)售價可低至150美元/(kW?h)，即1.05元/Wh。

由于水系鈉離子電池行業(yè)仍處于幼稚期，參考目前鋰離子電池和鈉離子電池行業(yè)的毛利率水平，根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院的相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，未來水系鈉離子電池行業(yè)的毛利率水平將穩(wěn)定在34%-50%區(qū)間范圍內(nèi)。

水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展特點分析

水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時間都很短，技術層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有以下幾點。

(1)水是最常見的液體，同時也是常見液體中極性最強的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期(10-20年)持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料;亦可以是從電池設計的角度考慮，加強電極的成型后的強度以抗抵水溶液的侵蝕;

(2)由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前已見報道的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25W·h/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負極材料，才能提升整個電池的質(zhì)量比能量;

(3)水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型、集流體的選擇、電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。

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