鈉離子電池引領(lǐng)電池體系新革命

• 劉春天 2023年2月24日 來源：中研網(wǎng) 393 19
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我國鋰資源儲(chǔ)量相對(duì)不足，未來或?qū)⑦M(jìn)一步牽制電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展；鈉離子電池理論成本低廉，能量密度和循環(huán)壽命與鋰電的差距逐漸拉近；高倍率耐低溫更安全的特性較鋰電具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有望于23年初步形成產(chǎn)業(yè)化。

根據(jù)中研網(wǎng)《2022-2027年中國水系鈉離子電池行業(yè)深度分析與投資預(yù)測(cè)報(bào)告》分析，鈉電與鋰電原理類似，產(chǎn)業(yè)化可延續(xù)鋰電經(jīng)驗(yàn)。正極材料預(yù)計(jì)維持多種路線并存的格局，并匹配不同場景下的需求。負(fù)極材料硬碳的前驅(qū)體來源、批次一致性及工藝適配性亟待突破，是制約其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵一環(huán)。當(dāng)前以層狀氧化物正極+無定形碳負(fù)極+六氟磷酸鈉電解液為基本體系，憑借其成熟的技術(shù)發(fā)展及較高的能量密度及鋰電產(chǎn)線兼容性有望先行量產(chǎn)。

鈉離子電池與鋰離子電池工作原理基本相同。鈉離子電池也是“搖椅式電池”的一種，利用堿金屬離子在正負(fù)極間可逆的定向遷移過程實(shí)現(xiàn)電池的充放電，充電時(shí)，Na+從正極材料中脫出，經(jīng)電解液的輸運(yùn)穿過隔膜嵌入負(fù)極材料，放電過程與之相反。充放電過程中相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Na+一起在正負(fù)極材料間遷移以維持電荷平衡。

電池結(jié)構(gòu)相似，產(chǎn)線易于改造。鈉離子電池主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體構(gòu)成，與鋰離子電池工作原理相似，結(jié)構(gòu)機(jī)理高度重合。鋰電池的隔膜、鋁箔和其他電池組件可以直接應(yīng)用在鈉電池中；用于鋰電池生產(chǎn)和檢測(cè)的設(shè)備可直接或略加改造后應(yīng)用在鈉電池產(chǎn)線，改造成本低，能夠相對(duì)快速開啟量產(chǎn)，彌補(bǔ)鋰電池供需緊張、上游原材料處于價(jià)格高位的問題。

鈉離子電池能量密度有提升空間。相較于鋰離子電池，鈉離子電池能量密度稍低，原因有三點(diǎn)：1）鈉離子擁有更大的離子半徑，影響反應(yīng)過程中相的穩(wěn)定性、離子輸運(yùn)及擴(kuò)散較慢；2）鈉離子的質(zhì)荷比較大，降低材料的理論質(zhì)量比容量；3）鈉具有較高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)。

鈉離子電池能量密度高于鉛酸電池，低于鋰離子電池。目前商業(yè)化鈉離子電池的能量密度在90~160Wh/kg，遠(yuǎn)高于鉛酸電池的50~70Wh/kg，循環(huán)壽命相較于鉛酸電池具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且環(huán)保性更佳，未來可能對(duì)鉛酸電池進(jìn)行全面的替代。與鋰離子電池相比，鈉電的能量密度已接近于磷酸鐵鋰電池120~180Wh/kg的水平，但與三元電池相比具有較大能量密度差距。從長期發(fā)展空間來看，鈉電的能量密度提升及降本均具有較大挖掘空間，未來在能量密度要求不高的應(yīng)用場景具備挑戰(zhàn)磷酸鐵鋰電池的潛力。

鈉離子電池耐候性具有明顯優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池的工作溫度范圍在-40℃~80℃，目前商業(yè)化產(chǎn)品可以做到-20℃容量保持率88%的水平，相較于鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池60%~70%的容量保持率具有明顯優(yōu)勢(shì)，在氣候寒冷地區(qū)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用場景。倍率性能好。鈉離子的溶劑化能顯著低于鋰離子，從而在電解液中具有更快的動(dòng)力學(xué)，離子界面擴(kuò)散能力更強(qiáng)；同時(shí)鈉離子的斯托克斯半徑更小，相同濃度的電解液中離子電導(dǎo)率更高；高電導(dǎo)率及優(yōu)秀的離子界面擴(kuò)散能力賦予鈉離子電池出色的倍率性能，具備較好的快充潛力，在儲(chǔ)能調(diào)頻等高功率場景具有較大應(yīng)用潛力。

由于核心原材料尚未量產(chǎn)，根據(jù)測(cè)算，當(dāng)前鈉電池理論價(jià)格大約為1.09-1.23元/Wh，性價(jià)比較低；隨著23年內(nèi)各環(huán)節(jié)產(chǎn)能釋放，預(yù)計(jì)23年底和25年鈉電池成本有望分別降至0.85/0.62元/Wh。鈉電產(chǎn)業(yè)化窗口與鋰價(jià)高度相關(guān)，預(yù)計(jì)23年內(nèi)鋰價(jià)或?qū)⒃?0-45萬元/噸左右高位震蕩，首批量產(chǎn)的鈉電池可具備較明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)；預(yù)計(jì)26年碳酸鋰價(jià)格或?qū)⒕S持在30萬元/噸以上，并且只要26年碳酸鋰價(jià)格在15萬元/噸以上，鈉電即有望具備較大產(chǎn)業(yè)化窗口。

預(yù)計(jì)鈉離子電池在兩輪車領(lǐng)域憑借較鉛酸和鋰電更高的性價(jià)比率先快速替代；儲(chǔ)能領(lǐng)域憑借安全和耐低溫的優(yōu)勢(shì)，率先應(yīng)用在對(duì)于能量密度和循環(huán)壽命要求較低的用戶側(cè)儲(chǔ)能、通信基站和數(shù)據(jù)中心；乘用車領(lǐng)域通過鈉鋰混搭技術(shù)有望覆蓋65%純電乘用車市場。根據(jù)測(cè)算，預(yù)計(jì)25年國內(nèi)鈉電池需求有望達(dá)到32.9GWh，對(duì)應(yīng)市場空間約203.7億元；預(yù)計(jì)27年國內(nèi)需求有望達(dá)到137.3GWh，對(duì)應(yīng)市場空間約824億元，23-27年CAGR為141.3%。

中國電池廠商供給全球市場。2022年1-11月，全球電動(dòng)汽車電池總裝車量為446GWh，同比增長74.7%。其中寧德時(shí)代和比亞迪合計(jì)占50.7%市場份額，中國廠商合計(jì)占60%以上市場份額；據(jù)Info Link，2022年全球儲(chǔ)能電池出貨量總計(jì)142.7GWh，出貨Top5中中國廠商占據(jù)4席。中國鋰電池廠商在全球范圍內(nèi)的產(chǎn)能、制造、技術(shù)迭代和創(chuàng)新等方面均具備明顯競爭優(yōu)勢(shì)。

國內(nèi)鋰資源儲(chǔ)量無法匹配鋰電產(chǎn)業(yè)的全球地位。7%的鋰資源儲(chǔ)能份額與60%以上的動(dòng)力電池市場份額之間難以匹配，在碳酸鋰價(jià)格高企的背景下，利潤更多留在上游鋰礦端，下游電池廠面臨較大成本壓力。根據(jù)我們的測(cè)算，假設(shè)中國150萬噸鋰資源儲(chǔ)量全部用以制造鋰電池，大約可生產(chǎn)13.6TWh鋰電池；根據(jù)IEA對(duì)于未來全球電動(dòng)車和儲(chǔ)能需求的展望，預(yù)計(jì)2030年全球電池累計(jì)需求在22TWh左右，2050年在126TWh左右。隨著各國對(duì)于外國企業(yè)開采本國鋰礦的限制提升，我們認(rèn)為僅憑借我國自身的鋰資源儲(chǔ)量或?qū)㈦y以支撐遠(yuǎn)期的鋰電產(chǎn)業(yè)全球市場地位，對(duì)于替代技術(shù)的探索對(duì)我國企業(yè)而言至關(guān)重要。

圖表：2017-2021年全球鋰資源儲(chǔ)量情況

數(shù)據(jù)來源：USGS，中研普華產(chǎn)業(yè)研究院

圖表：2021年全球鋰資源儲(chǔ)量分布情況

數(shù)據(jù)來源：USGS，中研普華產(chǎn)業(yè)研究院

鈉元素儲(chǔ)量豐富，降本潛力大。鈉元素的地殼儲(chǔ)量為鋰的1000倍以上，儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，成本低廉。據(jù)中科海鈉，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化后，憑借更廉價(jià)的正極材料和集流體，整體材料成本有望較鋰電池降低30%-40%。

兩輪電動(dòng)車、儲(chǔ)能、A級(jí)以下乘用車為鈉離子電池主要潛在市場。兩輪電動(dòng)車領(lǐng)域?qū)τ谳p量化、長續(xù)航的需求催生了近年來鋰電池對(duì)鉛酸電池的替代，不過隨著鋰價(jià)的大幅上漲，需要通過換裝鈉離子電池實(shí)現(xiàn)降本并加速對(duì)鉛酸電池的替代。鈉離子電池的廉價(jià)、耐低溫、安全等特點(diǎn)帶來儲(chǔ)能領(lǐng)域的較大空間；同時(shí)由于儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)τ谀芰棵芏鹊囊笙鄬?duì)較低，而對(duì)循環(huán)壽命的要求較高，與聚陰離子型鈉電池的特性比較契合。A級(jí)以下乘用車由于對(duì)于續(xù)航里程的需求較低，而對(duì)成本的敏感性較強(qiáng)，同樣適合應(yīng)用鈉離子電池；而鈉電和鋰電的混用技術(shù)有望進(jìn)一步覆蓋續(xù)航500公里以下的車型需求。

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