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储能放量时代新势力,钠离子电池产业化提速

作者:中国储能网新闻中心 来源:开源证券新能源 发布时间:2022-09-27 浏览:

中国储能网讯:核心观点

钠离子电池体系技术路线多样,过渡金属氧化物体系表现优异

钠离子电池与锂离子电池工作原理大致相似。主流钠离子电池正极材料选择大概分为:过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝化合物和熔融硫。目前过渡金属氧化物体系表现最佳,中科海钠使用的铜基氧化物电池的能量密度达到145 Wh/kg;英国FARADION公司的镍层状氧化物的能量密度达到150Wh/kg~160Wh/kg,远超其他钠离子电池体系。在锂电池中广泛使用的石墨类负极材料储钠性能较差,钠离子电池负极材料主要包括碳基材料、合金材料、熔融钠。

钠电成本低廉,性能强于铅酸,和锂电相比各有优劣

据FARADION公司预测,钠离子电池产业化后成本比锂离子电池低30%。钠离子电池总体性能显著优于铅酸电池,钠离子电池体积更小、重量更轻,比能量高出 2 倍以上,且循环寿命更长。钠离子电池可以安全放电至0 V,在安全性、电解液导电性、高低温性能、储存和运输等性能方面展现出优于锂离子电池的潜力。但铜基和镍基钠离子电池能量密度比磷酸铁锂电池低17%,循环次数少33%。

钠离子电池可持续性强、具有能源战略意义,应用前景广阔

地壳中钠储量达2.74%,而锂储量仅为0.0065%,且锂离子电池回收经济价值低。钠离子电池活性材料中不含昂贵的钴,使其具有更强的可持续性。我国仅拥有世界锂资源储量的5.93%,锂矿大多位于青藏高原地区,开采难度大,致使我国锂矿对外依存度高。钠离子电池对我国减少锂资源对外依存度具有重要战略意义。钠离子电池应用前景广阔:(1)电动车市场上,铅酸电池被替代已成趋势,钠离子电池具有低成本、低能量密度、安全性强等特性,是铅酸电池更好的替代品。(2)随着十四五期间可再生能源大批量上网,电网侧与发电侧对储能的需求愈发强烈,为钠离子电池市场化应用提供土壤。我们预计2021/2022/2023年风光新增储能需求5.07/12.25/25.79GWh,对应增速为246.3%/141.5%/110.6%。

钠离子电池产业化提速,我国处于领先地位

近十年来,钠离子电池受到学术届和商业届的大量关注,全球从事钠离子电池研究的公司已有20 多家,我国企业如中科海钠在钠离子电池产业化进程中处于领先地位。目前钠离子电池产业化还处于初级阶段:多种技术路线共同发展、成本优势不明显、工艺和产业链不成熟、核心电极材料和电解液规模化供应渠道缺失、缺少电池相关标准化体系不完善。但钠离子电池具备产业化快速提升的潜力。钠离子电池与锂离子电池生产线、制作工序相似。随着锂电和上游材料企业入局,产业化进程会大幅提速。我们相信在未来3~5年,钠离子电池产业链会基本形成,钠离子电池相关工艺、相应的电池管理系统、相关技术体系也会趋于成熟。看好已参与钠离子电池产品研发和布局的企业。因钠离子电池与锂离子电池隔膜技术相似,随着钠离子电池发展,隔膜需求上涨,隔膜制造企业受益。

风险

提示

钠离子电池产业化不及预期、储能发展不及预期、钠离子电池产品性能发展不及预期。

正文内容

1、相较锂离子电池,钠离子电池成本低廉,性能各有优劣

1.1、 钠离子电池工作原理与锂离子电池相似,但材料选择不同

钠离子电池是一种充电电池,它的工作原理与锂离子电池相似。钠离子电池在充电过程中,钠离子从阴极脱出并嵌入阳极,同时电子通过外部电路,嵌入阳极的钠离子越多,充电容量越高;放电时,发生相反的过程,回到正极的钠离子越多,放电容量越高。与所有充电电池一样,钠离子电池主要由正极、负极、电解质和隔膜组成。

锂离子电池和钠离子电池的正负极材料选择有很大区别。在锂离子电池中,正极材料无法使用的铜、铁等元素在钠离子电池中却有很好的表现。在钠离子电池的负极材料选择方面,由于钠离子半径比锂离子大得多,导致在锂电池中广泛使用的石墨类材料储钠性能较差,无定形碳类负极更适合钠离子电池。

1.2、 钠离子电池体系技术路线多样,过渡金属氧化物体系表现优异

1.2.1、 正极材料的选择包括:过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝化合物和熔融硫

正极材料要求使用钠离子的活性材料,主流钠离子电池正极材料包括:过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝化合物和液态钠等。据这类材料需要具有良好的电化学性、安全性、化学稳定性和热稳定性,从而具备较高的理论比容量和电池循环寿命。

过渡金属氧化物是目前最受欢迎的正极材料,例如磷酸铁钠、锰酸铁钠、钛锰酸钠等,这些正电极材料在理论上具有较高的放电比容量,但循环性能较差。但通过引入活性或惰性元素进行掺杂或取代,可以改善其缺点。目前过渡金属氧化物体系表现最佳,中科海钠使用的铜基氧化物电池表现优越,能量密度达到145 Wh/kg;英国FARADION公司的镍层状氧化物电池,质量能量密度达到150Wh/kg~160Wh/kg,远超其他钠离子电池体系。

聚阴离子型化合物,例如磷酸钒钠和氟磷酸钒钠材料,具有较好的热稳定性、安全性和循环寿命。然而这类材料的理论比容量和导电性普遍较低。通过添加导电碳或者碳包覆可以提升其电化学性能,但同时会导致能量密度降低。

普鲁士蓝类材料,具有较好的电化学性能,具备成本低、稳定性好等优点,通过表面改性处理之后,材料自身的稳定性加强了,增加了循环寿命、活性材料的利用率,增强了电池的热稳定性和可逆比容量,但在制备过程中存在配位水含量难以控制等问题。

熔融硫是钠硫电池的正极材料。钠硫电池是一种由熔融钠和熔融硫构成的熔盐电池。这类电池具有高能量密度、高充电、高放电效率和长循环寿命的特点,并且由廉价的材料制造。然而,由于在空气和湿气中的钠反应性极强,它们存在一些安全隐患。在大多数项目中,钠硫电池以圆柱形和块状生产,适合被用于高功率和长放电应用。

1.2.2、 负极材料主要包括:碳基材料、合金类材料和熔融钠

负极材料一般具有嵌入钠离子的能力高、体积变形小、扩散通道好、化学稳定性好等特点。主要材料包括碳基材料、钛基负极材料和硫磺等。由于钠离子半径比锂离子大得多,导致在锂电池中广泛使用的石墨类负极材料储钠性能较差。

碳基材料具有嵌钠平台低、容量高、循环寿命长、制备简单等优势,无定形碳类负极(包括硬碳和软碳)在钠离子电池中表现出较高的可逆比容量和较好的循环性能。中科海钠研究团队发现,软碳负极材料高温裂解无烟煤具有较高的可逆比容量和优异的循环性能,该负极采用的无烟煤前驱体成本低廉,制造简单且产碳率高达90%。硬碳材料活性炭具有较好的钠离子扩散通道。使用前驱体酚醛树脂(塑料、加工行业常用原材料),通过形成闭合孔隙的方法来精确调控硬碳微观结构,得到的硬碳负极可逆容量高达410 mA·h/g。

合金类材料由于具有较高的比容量、良好的导电性,近年来也成为研究热点。其主要优势是可防止负极在过充电后产生枝晶,延长了钠离子电池的使用寿命。但是该材料在钠离子脱嵌过程中存在体积膨胀的问题,导致循环性能较差。

熔融钠是钠硫电池的负极材料,这种电池在 300°C 至 350°C 的较高温度下运行。内部机器用于加热目的,以提供电池反应所需的活动温度。电极由陶瓷层隔开。钠硫电池是一种可能的能量存储技术,可支持可再生能源发电,特别是风电场和太阳能发电。该电池随着尺寸的增加而变得更加经济,可用于支持电网,也可用于独立的可再生能源应用。

1.2.3、 电解质材料包括液体电解质、固液复合电解质和固体电解质

和锂离子电池相似,钠离子电池电解质主要分为液体电解质、固液复合电解质和固体电解质三大类。一般情况下,液体电解质的离子电导率高于固体电解质,主要分为酯类和醚类电解液。因为它们具有出色的热稳定性和较高的电化学窗口,有利于钠离子的快速迁移。但是存在液体的高黏度和高成本的缺陷。

固液复合电解质通常被称作凝胶聚合物电解质,主要由聚合物、增塑剂以及钠盐组成,在钠离子电池中可以充当隔膜和离子导电载体,安全性较高。但和液体电解质相比,存在电导率较低的问题。

固体电解质通常被用来解决液体电解质中存在的安全性问题,具有良好的热稳定性和较高的钠离子迁移数。因此他们具有出色的能量密度和较大的工作温度范围。但存在界面不稳定、钠离子迁移困难和制造工艺不完善等问题。如钠硫电池使用的就是β-氧化铝陶瓷管。

1.3、 钠离子电池原材料具有成本优势

无论是电极还是电解液,钠离子电池材料价格都相对锂离子电池材料较低。而且钠离子电池可以采用相对廉价的铝替代铜作为集流体。钠离子电池的隔膜技术、生产线、生产工序与锂离子相似,发展工艺成本较低。据英国钠离子电池公司FARADION预测,在规模生产后,钠离子电池成本比锂离子电池成本低30%。英国皇家政府首席科学顾问兼政府科学办公室主任马克-沃尔波特在报告中写道:“钠技术可以大幅降低能源价格”。据中科海钠团队研究,铜基钠离子电池原材料成本为0.29 元/(W·h),磷酸铁锂电池成本为0.43 元/(W·h),铅酸电池成本为0.40 元/(W·h),钠离子电池有明显的优势,比磷酸铁锂电池成本低约1/3。

对于正极材料而言,钠资源价格远低于锂资源。原因是钠资源更加丰富,据《The History and Use of Our Earth's Chemical Elements: A Reference Guide.》地壳中钠储量达到2.74%,而锂储量仅为 0.0065%。比如中科海钠使用的铜铁锰氧化物原材料的成本为磷酸铁锂的 1/2 左右。美国 Natron Energy 公司和瑞士Altris 公司所使用的普鲁士蓝类材料价格更加低廉。

对于负极材料而言,无定形碳类负极价格远低于石墨。锂离子电池的石墨负极材料在含有碳酸酯电解液的钠离子电池中的可逆比容量却不足 50 mA·h/g,使其应用受到了很大的限制。而价格低廉的无定形碳类负极,如硬碳和软碳在钠离子电池中表现出较高的可逆比容量和较好的循环性能。中科海钠使用的煤基碳负极的成本不到石墨原料成本的 1/10。该负极采用的无烟煤前驱体成本非常低廉,通过简单的粉碎和一步碳化便可制得。

对于电解液而言,相同浓度的电解液,钠离子的电导率强于锂离子。所以钠离子电池可使用低浓度电解液,降低电解液成本。钠离子电池中的铝集流体成本是锂离子电池中铝和铜集流体的1/3。

1.4、 钠电总体强于铅酸,和锂电相比各有优劣

无论是能量密度还是循环寿命,钠离子电池都显著优于铅酸电池。相比于铅酸电池,同等容量的钠离子电池体积更小、重量更轻,比能量高出 2 倍以上,且循环寿命更长。未来首先有可能取代铅酸电池,并逐步实现低速电动车、储能等领域的无铅化。

相比于锂离子电池,钠离子电池有更好的安全性。钠离子电池的电阻比锂离子电池高,所以当发生短路等现象时,钠离子电池的安全性能相对更高。钠离子电池的电解质已被证明比锂离子电池更稳定。

钠离子电池可放电至0 V,且在储存与运输方面,钠离子电池比锂离子电池更安全稳定。据《Commercialisation of high energy density sodium- ion batteries: Faradion's journey and outlook》,在石墨基锂离子电池中,铝不能用作阳极的集电器,因为锂可以与铝形成合金。因此阳极必须使用铜集流体,而铝可以用作阴极。由于高电位下铜的不稳定性,排除了锂离子电池可以放电至0 V的可能性。对于钠离子电池,铝不仅可以用作阴极,还可以用作阳极。阳极上的铝可以使钠离子电池放电安全地降至0 V。运输锂离子电池时,它们不能被放电30% SOC以下,所以货物电池必须以相当高的成本进行空运。然而,钠离子电池可以完全放电到零伏,类似于一个电容器。在这种状态下,由于短路导致的热失控的可能性被消除了。

根据《钠离子电池:从基础研究到工程化探索》,钠离子电池可实现 5-10 分钟的快速充电能力。钠离子电池可在-40℃到 80℃的宽温区工作,且在高低温环境下,钠离子电池性能更优。-20℃下,容量保持率达到88%以上。相同浓度的电解液钠盐具有比锂盐电解液更高的离子电导率,所以钠离子电池使用更低浓度电解液可以达到和锂离子电池同样离子电导率。

目前,钠离子电池的循环寿命大约是锂离子电池的65%左右,能量密度比锂电池低20%。较低的循环次数和能量密度决定了钠离子电池无法应用于电动汽车和手机电池等领域。锂电将仍是这些领域的主流选择。

2、钠离子电池可持续性强、具有能源战略意义,应用前景广阔

2.1、 钠离子电池原材料具有可持续性

相比锂资源,钠资源非常丰富。地壳中钠储量达到2.74%,而锂储量仅为 0.0065%。据美国地质调查局 2021年最新报告显示,由于不断的勘探,已探明的锂资源已大大增加,全世界约有8600万吨。中国的锂资源储量仅为510万吨,美国790万吨;玻利维亚2100万吨;阿根廷1930万吨;智利960万吨;澳大利亚640万吨;刚果300万吨;加拿大90万吨;德国270万吨。以电动汽车使用 80 千瓦时的锂离子电池组为基准计算,总共需要消耗 48 千克碳酸锂,全球现有的可用锂储量仅能满足约 18亿辆此类电动汽车的需求。

锂离子电池回收经济价值低,进一步影响其可持续性。据美国能源部Argonne国家实验室材料回收部门负责人杰夫-斯潘根伯格表示,目前锂离子电池的回收很有限,回收可以通过火法冶金或湿法冶金工艺来完成,但其经济性不足以吸引人们广泛采用。如果回收能够得到支持,钴将是驱动力,而不是锂。电动车电池中的钴含量越少,回收电池的经济性就越不具吸引力。而且,据英国钠离子电池公司FARADION表示,钠离子电池活性材料中不含昂贵的钴。随着全球电动汽车和储能行业的发展,资源储备更丰富的钠离子电池有更强的可持续性。

2.2、 发展钠离子电池具有能源战略意义

我国拥有世界锂资源储量的5.93%,但是开发困难,锂矿对外依存度高。据中国地质调查局数据显示,我国大部分锂矿资源分布在青藏高原等自然环境恶劣和基础设施落后的地区,所以开采难度很大。有86.8%的卤水锂资源位于青海柴达木地区和藏北地区,60.5%的硬岩锂位于四川西部地区。受制于提锂技术、地理环境、交通条件等,难以形成规模化生产。巨大的需求量和规模化生产难度,使我国锂矿主要依赖进口,据中国地质调查局,我国原矿对外依存度高达76%。

钠离子电池对减少锂资源对外依存度具有重要战略意义。像石油一样,锂资源已逐渐成为国家的重要战略性资源。中国将锂定位为 24 种国家战略性矿产资源之一。作为锂离子电池的替代产品,钠离子电池开始受到各个国家的重视,美国能源部将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。

2.3、 钠离子电池发展空间广阔,或替代铅酸电池且占据部分储能市场

电动车市场上,铅酸电池被替代已成趋势。新版《电动自行车安全技术规范》自2019年4月15日正式实施,规定电动自行车整车质量不得超过55kg,超标车型或换用质量更轻的锂电池(中低端锂电池能量密度约为铅酸电池的4倍),或申请电动摩托车目录成为机动车(消费者需要相关驾照,并且额外增加上牌费、年检费、保险费等额外费用),或退出电动车市场。目前锂电池渗透率不断提高,铅酸电池将被快速取代。

钠离子电池是铅酸电池更好的替代品。钠离子电池具有低成本、低能量密度、安全性强等特性。而且钠离子电池在低温下的容积保持率高于锂离子电池,可在低至-40℃下工作。在寒冷环境下电动车的总体性能表现也会更强。随着产业化的提速,钠离子电池是铅酸电池更好的替代品。未来电动两轮车市场上,钠离子电池前景广阔。

储能需求快速上涨,为钠离子电池市场化应用提供了肥沃的土壤。随着十四五期间可再生能源大批量上网,电网侧与发电侧对储能的需求愈发强烈。预计2021/2022/2023年风光新增装机容量分别达85.5/96.0/106.1GW,对应新增储能需求5.07/12.25/25.79GWh,对应增速为246.3%/141.5%/110.6%。钠离子电池在储能方面的应用已有先例。英国FARADION 公司在2020年已向澳大利亚ICM公司提供了应用于储能的钠离子电池产品。钠离子电池凭借其成本优势以及储能的潜力,在未来储能市场中将占有一席之地。

3、钠离子电池产业化提速,我国处于领先地位

3.1、 钠离子电池近十年发展迅速

钠离子电池的研究大概从1970年开始,几乎与锂离子电池同时起步。在1991年后,锂离子电池商业化的成功吸引了大多数科学家的注意力,而钠离子电池的发展缓慢。近10年钠离子电池研究迎来快速发展。2010年以前,相关嵌钠材料的研究仅几十篇,2010 年以后,由于各国在长期规划中开始注意到大规模储能领域,钠离子电池因为它原材料的价格低廉和储量丰富,吸引了科学工作者和企业的注意。2011年,英国FARADION公司成立,它是全球首家从事钠离子电池研究的公司。在这之后,美国、法国、日本等多个国家也成立了相关公司。目前,全球从事钠离子电池研究的公司有20 多家,包括松下、丰田等巨头公司。2017 年,我国首家钠离子电池公司中科海钠成立。2018年,首辆钠离子电池低速电动车的问世;2019年,首座钠离子电池储能电站推出。

3.2、 我国企业在钠离子电池产业化进程中处于领先地位

中科海钠团队实力和电池技术位居世界前列。2017 年底,推出了钠离子电池(48 V,10 A·h)驱动的电动自行车。2018年,量产的钠离子电池能量密度已接近150Wh/kg,循环寿命达 4000 次以上,并推出了全球首辆钠离子电池低速电动汽车。2019年,发布了世界首座30 kW/100 kW·h钠离子电池储能电站。2021年,计划推出1 MW·h 的钠离子电池储能系统。2019 年,辽宁星空钠电电池有限公司对钠离子电池的研发进入量产阶段,成为全球首条投入运行的钠离子电池生产线。

3.3、 宁德时代等企业纷纷入局,钠离子电池产业化进程提速

目前我国钠离子电池产业化还处于初级阶段。钠离子电池现在处于多种技术路线共同发展的状态,正负极材料性能还需提高,与正负极匹配的电解液体系还有待进一步开发。由于钠离子电池可以放电至0 V,这一点与锂离子电池有很大差异,所以与钠离子电池相匹配的电池管理系统还需要设计研究。与锂离子电池相比,钠离子电池目前成本优势不明显,工艺和产业链还不成熟,缺少核心电极材料和电解液规模化供应渠道,电池相关标准化体系、参数评测技术等还不完善。

钠离子电池具备产业化快速提升的潜力。钠离子电池与锂离子电池的生产线、制作工序相似,英国FARADION 公司的钠离子电池甚至能在现有的锂离子电池生产线上生产。随着锂电和上游材料企业入局,产业化进程会大幅提速。我们相信在未来3~5年,钠离子电池产业链会基本形成,钠离子电池相关工艺、相应的电池管理系统、相关技术体系如电芯设计、极片制作、电解液和隔膜选型也会趋于成熟。

已参与钠离子电池产品研发和布局的企业有望受益:宁德时代在2021年7月将要发布钠离子电池。当升科技布局钠离子电池,制定产业化发展目标。ST猛狮已研发成功钠离子体系18650钠离子电芯,即将合作大批量生产。容百科技的钠离子电池正极材料项目也在开发过程中。长信科技参股公司深圳比克电池正在组建锂离子电池生产线。欣旺达也在生产和研发钠离子电池。华阳股份拟对钠离子电极材料项目投资1亿4千万元。因钠离子电池与锂离子电池隔膜技术相似,随着钠离子电池发展,隔膜需求上涨,隔膜制造企业如:沧州明珠、恩捷股份、中材科技和璞泰来等将会受益。

风险提示

钠离子电池产业化不及预期、储能发展不及预期、钠离子电池产品性能发展不及预期。

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关键字:钠离子电池

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