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钠电池能否替代锂电池成为下一个风口?

 小天使_ag 2022-09-28 发表于湖南

来源丨梧桐投研

核心观点

1、钠电池与锂电池工作原理相似,结构包括正极、负极、电解液、隔膜和集流体等。两种电池厂产线可以复用,设备进行升级即可投入生产,固定资产投入较小。

2、钠电池在能量密度及循环寿命上存在瓶颈,短期内难以改变锂电池主流地位,尤其在动力电池领域。

3、钠电池成本及资源储量上优势明显,钠电池的材料成本与锂电池相比有30%-40%的下降空间。电池级碳酸锂价格将上设天花板。

4、钠离子电池产业化推进速度一方面与其技术成熟度相关,一方面是单位能量密度的成本与锂电池的对比。

5、短期,钠电池主要应用在低端储能、两轮车、低速电动车;中期,高端储能应用将快于高端电动车;长期,钠电池续航超过500公里,钠电池与锂电池将长期并存电动车领域。2025年,将是钠电池产业化环境成熟重要节点,有望从储能走向动力。

6、产业链博弈中,价值分布将进一步聚集于电池厂,电池厂话语权继续加强。

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钠电池简介

1、工作原理:钠电池与锂电池均采用摇椅式工作原理,即正负极均为具有储钠能力的材料,通过钠离子在正负极移动来工作。

2、发展历程:钠电池与锂电池均起源于上世纪70年代,并开发出了正极的材料。80年代锂电池石墨负极被发明,钠电池负极未有进展,两类电池发展出现分水岭。2000年,适用于钠电池的硬碳负极终于被开发,但钠电性能不如锂电,产业化进展缓慢。2010年后钠电池重新被重视,学术研究快速增加。

3、进展:出于成本及供应安全考虑,钠电池产业化进程加速。2021 年初至今,电池级碳酸锂价格由5万元/吨增长至近期的9.10万元,而碳酸钠价格仅数千元/吨。中国锂资源储量仅占全球20%,已探明的锂资源储量仅为7%,我国锂资源80%依赖进口,是全球锂资源第一进口国。

4、电池结构及工艺:钠电池与锂电池工作原理相似,构成同样包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体等。但二者在材料选择上存在较大差异。从产品封装形态上看,钠离子电池也与锂离子电池类似,同样可分为圆柱、软包和方形硬壳三大类。钠离子电池的工艺和产线均与锂离子电池类似,二种电池厂产线可以复用,设备进行升级即可投入生产,固定资产投入较小。

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钠电池优劣势

优势

1、成本,主要通过替换锂元素降本(正极和电解液)。现阶段(供应链不完整,生产工艺待提升),样品成本在0.6-0.8元左右,小规模以后物料价格0.6元/Wh,未来技术进一步成熟、规模进一步扩大,理论上能降到0.2-0.3元/Wh(磷酸铁锂电池:0.43元/Wh),实现产业化后实际原材料成本将相对磷酸铁锂/石墨体系锂电池降低30%-40%。

2、低温性能,在零下20度的环境下,钠电池的低温保持率(88%)高于磷酸铁锂(70%)

3、储备,钠资源在地壳中丰度高达2.75%(锂资源仅0.0065%,且分布不均,70%的锂分布在南美洲地区)

4、安全,钠电池有相对稳定的电化学性能,过充、过放、短路、针刺、挤压等测试不起火、不爆炸,热稳定性远超国家强标的安全要求,安全实验表现比锂离子电池更好。
5、快充,常温下充电15分钟电量可达80%以上。

劣势

1、能量密度,钠电池(90-160Wh/Kg)的峰值仅达到磷酸铁锂(150-220Wh/kg)的下限,宁德时代通过AB电池解决方案(将钠电池与锂电池按照一定比例进行混搭)有所突破,但仍需使用锂电池。

2、循环寿命,钠电池(1000-2000次)也显著低于磷酸铁锂电池6000次与三元电池3000次。


锂作为最轻且电位最负的金属,在物理属性上具有先天优势,而钠用于电池领域更多是成本的考虑。


钠电池成本及资源储备上优势明显,钠离子电池的材料成本与锂离子电池相比有30%-40%的下降空间。中长期看,若锂电池成本上涨过快,产业将加速推动钠电池发展,从而通过钠电池替代锂电池降低上游成本。锂矿价格将上设天花板。

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钠电池产业链

电池体系:主要包括水系电池体系和有机电池体系。钠电池产业链主要变化在中游和正极。钠电池的产业链结构与锂电池类似,负极、电解液、隔膜基本保持目前的竞争格局,相关龙头企业仍然具有先发优势。


正极:过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士化合物和非晶态材料四种路线。过渡金属氧化物是目前最受欢迎的正极材料,也是成熟度相对高的路线,中科海钠(能量密度135Wh/kg)、钠创新能源(能量密度120Wh/kg)和Faradion(能量密度140Wh/kg)是该路线的主要公司。普鲁士类材料(氰化物有毒,需要严格的生产和环保资质,小型公司不易进入,存在技术门槛),具备成本低、稳定性好等优点,宁德时代(能量密度160Wh/kg)、Altris(能量密度140Wh/kg)和Natron Energy是该路线的主要公司。聚阴离子型化合物,稳定性和循环性能具有优势,主要公司为中科院物化所、法国NAIADES计划团体(能量密度90Wh/kg)。


负极:金属化合物、碳基材料、合金材料、非金属单质四类路线,进展比较快的是碳基材料(硬碳是主流材料,现有龙头均有技术储备),其中,宁德时代采用的硬碳材料可让大量的钠离子储存和快速通行、具有独特孔隙结构的硬碳材料,克容量可达到350mAh/g以上,整体性能指标与锂电池的石墨相当。


电解液:锂电池的溶剂与钠电池兼容;主盐从六氟磷酸锂变成六氟磷酸钠(原材料厂的产线基本可以复用),钠盐成本更低。


隔膜:钠电池隔膜与锂电池基本没有区别。


集流体:相比锂离子电池的正极铝箔、负极铜箔的集流体体系,钠电池正负极皆可适用成本较低的铝箔。


碳纳米管(具有较高技术壁垒,行业集中度较高):一维纳米材料,重量轻,在快充、循环、低温性能上表现优异,宁德时代专利中包含碳纳米管,以提高电池的导电性能。

04

产业现状及未来

1、钠电池仍处于导入前期,产业化、商业化有待进一步检验,与下游适配的电池材料体系尚未定型,预计实现量产还需要至少18个月。我国钠离子电池技术研究现位于世界前列。


2、国外布局企业有英国FARADION公司、法国NAIADES公司、美国Natron Energy公司、日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学,国内布局企业有宁德时代、中科海钠、钠创新能源等,共计接近二十家企业布局钠离子电池产业化生产。


从上述公司产品的技术指标来看,全球钠离子电池的能量密度处于90-160Wh/kg,电池平均工作电压为3.2V-3.7V,循环1000次后容量保持率维持在90%以上。


3、钠电池在能量密度及循环寿命上存在瓶颈,短期内难以改变锂电池主流地位,尤其在动力电池领域。长期看钠电池更倾向于作为锂电池的差异化补充,不改锂在电池领域的需求刚性。


4、宁德时代下一代钠离子电池能量密度可以达到200Wh/kg,预计2023年完成产业化迭代。


此外,在实验室状态下,由德克萨斯大学奥斯汀分校的 Guihua Yu 领导的研究人员在能源与环境科学杂志上发表了一篇关于“新型高能钠离子全电池”的论文,钠离子全电池的能量密度为220 Wh/kg 。


中科院化物所二维材料与能源器件研究组成员测试的基于固态电解质的钠离子电池最高可提供高达355Wh/kg的能量密度。


全行业估计市场成熟将延后1-2年,2025年钠离子电池产业化环境成熟。


5、短期,钠电池主要应用在低端储能、两轮车、低速电动车;中期,高端储能应用将快于高端电动车;长期,钠电池续航超过500公里,钠电池与锂电池将长期并存电动车领域。


6、全球市场规模。据ICVTank数据预测,2025年全球钠离子电池潜在需求量约为 91.59GWh,中国钠离子电池潜在需求量约为44.74GWh。2030年,全球钠离子电子潜在需求量最高可能增长至1069.78GWh,中国钠离子电池潜在需求量约为431.91GWh。

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图表:全球钠离子需求合计及中国市场占比

资料来源:ICVTank,梧桐投研

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