TWh时代下的钠离子

新技术系列专题 Ⅲ ——TWh时代下的钠离子 长江证券研究所电力设备与新能源研究小组 2022-08-22 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 01 钠电：同根同源、体系相通的类锂电池 02 需求：成本为基，循环、容量决定上限 03 投资：正负极产品迭代，铝箔用量提升 目 录 •证券研究报告 • 评级 看好 维持 • 证券研究报告 • 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 01 钠电：同根同源、体系相通的类锂电池 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 钠电池：具有与锂电池相似的工作原理和结构组成01 ➢ 具备相似的工作原理和储能机理，但由于材料原因商业化进程较慢： 钠离子电池在充放电过程中 ,钠离子在正负电极之间可逆地穿梭引起 电极电势的变化而实现电能的储存与释放，与锂电完全一致，此前由于正负极材料原因电化学性能较差，商业化进程缓慢。 ➢ 完全相同的结构组成，部分材料体系发生变化： 钠离子电池同样由正极、负极、电解液、隔膜和集流体等基础构建， 材料选择的变化主 要为正负极材料，电解液溶质以及负极集流体 。 图 ：钠离子电池发展历史 资料来源： 电动邦，长江证券研究所 图：钠离子电池工作原理 资料来源：电动邦 ，长江证券研究所 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：相比锂电变化最大，现存三种主流方向01 表 ：钠电正极材料体系优缺点介绍 资料来源： 《 钠离子电池储能技术及经济性分析 》 张平，长江证券研究所 ➢ 正极材料： 影响钠离子电池能量密度的关键，由于 Na的半径 (0.102nm)比 Li半径 (0.076nm)大，锂电正极不能简单用于钠电，而钠电正 极核心在于寻找合适 Na+脱嵌的电极材料，目前材料研究主要集中于晶态材料， 层状金属氧化物（类比锂电三元材料空间结构）、聚阴 离子化合物（类比锂电磷酸铁锂空间结构）和普鲁士蓝类化合物 是钠离子电池正极材料的三种主要发展方向。 项目 层状氧化物体系 聚阴离子体系 普鲁士蓝类化合物体系 结构 优点 理论比容量高 可逆比容量高 部分材料倍率性能高 现有技术转化容易 压实高 工作电压高 循环好 热稳定性好 工作电压高 可逆比容量高 合成温度低 不足 循环性能稍差 容易吸湿 可逆比容量低 部分含有毒元素 导电性能略差 导电性能差 压实密度低 除水要求高 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：层状氧化物类似三元，高容量 O3相材料更佳01 图 ： P2相及 O3相层状氧化物空间结构 资料来源：中科院物理所 ，长江证券研究所 表： P2相及 O3相层状氧化物性能对比 资料来源： 《 Structural classification and properties of the layered oxides》 C Delmas，长江证券研究所 ➢ 层状氧化物路线下主流材料体系铜铁锰 /镍铁锰均为 O3相，电化学性能相差不大： 层状氧化物通式为 NaxTMO2（ TM指过渡金属），与 三元材料结构类似（ LiNiₓCoyMn1-x-yO₂），从空间结构上看分为 P2相和 O3相，铜铁锰 /镍铁锰体系均为 O3相结构，由于铜与镍相对 原子质量接近，从而 理论比容量接近，实际比容量差距也不大 。 ➢ O3相空间材料容量更高，但由于结构容易相变导致循环性能略差： 因为空间结构的原因， O3相的比容量能够达到 250mAh/g以上，但 由于钠离子粒径过大，多次脱嵌后材料空间结构容易发生复杂相变，导致材料的循环性能较差。 优势 劣势 P2 宽传输通道（开放的三棱柱扩 散通道），低迁移能垒 初始容量较低（ 80mAh/g）， 电压平台小于 3.2V； 当 na离子脱嵌过多时，容易发生 P2-O3相变， 导致容量衰减和循环性能下降 O3 因为空间结构，拥有更高的比 容量，提供较高的首周容量 脱嵌 na时会出现比较大的相变，材料的循环性能较差；材料倍率性能较差 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：铜 /镍铁锰比容量高，产业化快，但循环稍差01 图 ：低钠状态下层状氧化物空间结构会发生转变 资料来源： 《 钠离子层状氧化物材料相变及其对性能的影响 》 丁飞翔，长江证券研究所 表：层状氧化物电化学性能介绍 资料来源： 《 钠离子电池储能技术及经济性分析 》 张平，长江证券研究所 ➢ 优势铜 /镍铁锰理论比容量高，倍率性能佳： 铜 /镍铁锰按照 Na2（ Cu/Ni0 .2Fe0 .3Mn0 .5） O2比例计算，理论比容量在 250mAh/g以 上，目前实际比容量在 150mAh/g左右，仍有提升空间，同时倍率性能较好； ➢ 优势铜 /镍铁锰产业化进展快： 与现有三元工艺类似，铜 /镍铁锰产业化进度快，同时技术难题运用现有锂电方案解决相对容易； ➢ 劣势铜 /镍铁锰材料循环性能稍差，且容易吸湿，成本相对较高： 由于钠离子粒径比锂离子粒径大，多次循环后层状结构容易发生相变， 导致材料的循环性能下降，同时铜 /镍铁锰也存在容易吸湿的问题，制造成本也相对较高。 材料 层状氧化物 优劣势 比容量 理论比容量高， 250mAh/g以上，目前发挥 50-60%，对应 150mAh/g左右 优势 电压平台 电压平台适中，目前主流材料电压平台在 3V左右，未来预计能提升至 3.2V左右 优势 压实 压实密度较高 倍率性能 较好 劣势 循环性能 由于钠离子粒径问题，多次脱嵌后层状结构容易发生相变， 从而导致材料的循环性能稍差 成本 相对较高 制备工艺 与现有三元工艺相似 优势 安全性 无安全性问题 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：聚阴离子类似铁锂，高电压平台高循环寿命01 图 ：主要的聚阴离子型电极材料及晶体结构特征 资料来源： 《 Polyanion-type Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries》 Yanggai， 长江证券研究所 表：正极磷酸盐材料理论比容量存短板 资料来源： 《 钠离子电池正极材料研究进展 》 游济远，长江证券研究所 ➢ 聚阴离子类化合物： 一般指 NaxMy[(XOm)n-]z(M为具有可变价态的金属离子 ;X为 P、 S和 V等元素 )，主要分为橄榄石结构磷酸盐、 NASICON(Na+快离子导体 )化合物和磷酸盐化合物， 产业内研究较多的为磷酸盐及硫酸盐体系 。 ➢ 优势高电压平台高循环寿命： X-O强的共价键一方面产生更强的电离度，更高的过渡金属氧化还原对，因此有更高的工作电压平台 （ 3.2V）；另一方面 X-O强的共价键使得空间结构稳定，从而材料的循环性能好。 ➢ 劣势倍率性能稍差及理论比容量不高： 材料电导率低导致倍率性能稍差，理论比容量不高限制发展前景。 化合物 e传输 理论比容量（ mAh/g） NaFePO4（ 橄榄石） 1 154 Na3V2(PO4)2F3 2 128 Na2FePO4F 1 124 Na3V2(PO4)3 2 118 NaFe2Mn(PO4)3 2 108 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：具备电化学性能的橄榄石型磷酸铁纳合成困难01 ➢ 具备电化学性能的橄榄石结构磷酸铁纳合成困难，邦普具备生产能力： 橄榄石结构的 NaFePO4拥有所有磷酸盐类钠离子电池正极材料中最大理 论比容量（ 154mAh/g），但合成方法较为困难， 常见的固相及液相方 法合成出来的 NaFePO4都是化学惰性的磷钠铁矿结构 ，无电化学活性， 未来对于 NaFePO4的研究必须从合成方法上进行突破。现阶段从专利情 况看 湖南邦普 具备生产能力。 图 ：磷酸铁纳橄榄石型（活性左）磷铁钠矿（惰性右） 资料来源： 《 Polyanion-type Electrode Materials for Sodium-Ion Batteries》 Yanggai， 长江证券研究所 图：湖南邦普沉积型磷酸铁纳制备过程 资料来源：湖南邦普专利书，长江证券研究所 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：氟磷酸钒钠高电压长循环，容量倍率存短板01 图 ： Na3V2(PO4)3的晶体结构示意图 资料来源： 《 钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展 》 郭晋芝，长江证券研究所 表：氟磷酸钒钠电化学性能介绍 资料来源： 《 钠离子电池储能技术及经济性分析 》 张平，长江证券研究所 ➢ 优势循环性能好，工作电压平台高： 最具产业化前景磷酸盐体系材料，氟磷酸钒钠属 NASICON结构， 三维通道结构能够供钠离子进行 快速的脱嵌，同时拥有高电压平台以及好的循环性能（较好的结构稳定性） 。 ➢ 劣势比容量较低及钒金属毒性存在一定限制： 理论比容量只有 128mAh/g，偏低，且钒金属存在毒性且价格较高，未来需要开发使用无 毒、含量丰富的元素 (如 Fe、 Mn和 Ni等 )来制备 NASICON结构化合物 材料 氟磷酸钒钠 优劣势 比容量 理论比容量不高， 128mAh/g，提升空间较低 劣势 电压平台 电压平台较高，目前产业化在 3.2V 优势 压实 压实密度较差 倍率性能 材料电导率低，与本征结构中 XO4阴离子单元的电子相互作用有关，从而导致倍率性能不好 劣势 循环性能 共价键稳定，结构更具稳定性和安全性，循环性能提升 优势 成本 较高，主要因为钒金属价格高 制备工艺 与现有铁锂工艺相似，温度要求变低 安全性 钒具有毒性，存在安全性问题 劣势 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：普鲁士蓝 /白成本低廉，电化学性能较好01 图 ：普鲁士蓝类化合物 Na2M[Fe(CN)6] 结构示意图 资料来源： 《 钠离子电池正极材料研究进展 》 游济远，长江证券研究所 ➢ 普鲁士蓝 /白： 化学式可表示为 NaxM1[M2(CN)6]1‐y·□y·nH2O(0≤x≤2,0≤y≤1),其中 M1和 M2为不同配位过渡金属离子 (M1与 N配位、 M2与 C配位 ),如 Mn、 Fe、 Co、 Ni、 Cu、 Zn等；□为 [M2(CN)6]空位，在 Nax M1[M2(CN)6]1‐y中， x≤1称为贫钠态， x1称为富钠态 或普鲁士白； ➢ 成本低廉，循环性能好，实际比容量及电压平台高，导电性能较差： 普鲁士蓝原料便宜，同时常温制备，无需高温烧结，制备成本较低； 面心立方体三维结构稳定， Fe-CN配位稳定常数高，循环性能好；实际比容量 150-160mAh/g，工作电压 3.3-3.4V；但是导电性能差。 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：普鲁士蓝间隙水将牺牲部分容量，提升循环01 图 ：钠离子的损失和 Na4[Fe(CN)6]形成机理示意图 资料来源： 《 Interstitial Water Improves Structural Stability of Iron Hexacyanoferrate for High- Performance Sodium-Ion Batteries 》 Jianwei Hu ，长江证券研究所 图：高间隙水牺牲部分容量，显著提升循环性能 资料来源： 《 Interstitial Water Improves Structural Stability of Iron Hexacyanoferrate for High- Performance Sodium-Ion Batteries 》 Jianwei Hu ，长江证券研究所 ➢ 普鲁士蓝 /白电化学性能与水含量有关，适量间隙水牺牲部分容量提升循环性能： 普鲁士蓝 /白虽然具有循环性能好，实际比容量及电压 平台高的的电化学性能，但是其性能对水含量比较敏感； 当水含量保持在间隙水阶段，水含量增加将牺牲部分容量，增加材料循环寿命 ； 当水含量增加至吸附水时，材料表现出倍率性能差、循环不稳定、库伦效率低 (≤90%)等问题。 解决结晶水问题是普鲁士蓝类化合物的 关键 ，低结晶水的普鲁士蓝类化合物具有较好的循环稳定性，拥有比较好的研究前景 高间隙水材料 低间隙水材料 中间隙水 材料 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 正极：普鲁士蓝容量 /电压 /循环佳，核心控制水含量01 表 ：普鲁士蓝 /白电化学性能介绍 资料来源： 《 钠离子电池储能技术及经济性分析 》 张平，长江证券研究所 ➢ 优势材料实际比容量高，从电压平台高，循环性能好： 普鲁士蓝理论比容量在 170mAh/g，实际比容量 150-160mAh/g，同时工作电 压在 3.3-3.4V左右，面心立方体三维结构稳定，使得材料循环性能较好。 ➢ 优势常温液相制备，工艺简单，成本具有优势： 常温 70°C即可完成材料制备，无需高温烧结环节，制造成本具有优势。 ➢ 劣势容量提升空间受限，导电性能差，压实密度低，对水含量控制要求高： 材料容量已经接近理论上限，未来提升的空间受限；材料的 电子电导率较聚阴离子更低，导电性能差，同时由于常温制备，碳包覆的难度较高；大框架结构导致增密度低，压实密度低。 材料 普鲁士蓝 /白 优劣势 比容量 实际比容量高， 150-160mAh/g，接近理论比容量上限，未来提升空间受限 电压平台 电压平台较高，目前产业化在 3.3-3.4V 优势 压实 大框架结构空间，压实密度较差 倍率性能 材料电导率较聚阴离子更低，倍率性能不好，且由于常温制备，碳包覆改善导电性的难度大 劣势 循环性能 面心立方体三维结构稳定，材料循环性能好 优势 成本 制备工艺简单，生产成本较低 优势 制备工艺 常温液相工艺 优势 安全性 无安全性问题 水含量 需要严格控制水含量，过多将影响材料以及电池的电化学性能 劣势 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 负极：石墨无法作钠电负极，硬碳材料为首选01 表 ：典型石墨类和非石墨类碳基负极材料的应用性能对比 资料来源： 《 钠离子电池负极材料的研究与发展 》 赵虔，长江证券研究所 ➢ 石墨无法作钠电负极： 钠离子粒径 0.196nm，石墨炭层间距约 0.335nm，充放电过程中，只有少量钠离子进入层状结构，另外钠 -石墨 化合物热力学不稳定，难以形成稳定的一阶插层化合物，导致无法形成有效插层。 ➢ 硬碳材料为钠电负极首选： 软硬碳均可作为钠电负极材料，但软碳由于低储钠容量和高充电电位的缺点，目前钠电材料多选用硬碳。 负极材料 碳层间距 /nm 比表面积 /(m2/g) 循环性能 倍率性能 石墨材料 0.43 （改性后）0.335（未改性） 30.22 100mA/g下 2000圈后保持率 73.92% 20mA/g,284mAh/g200mA/g,91mAh/g 石墨烯材料 0.365-0.371 330.9 200mA/g下 250圈后保持 93.3mAh/g 40mA/g,174.3mAh/g1000mA/g,95.6mAh/g 软碳材料 0.356 20.2 20mA/g、 200mA/g和 1000mA/g下分别循环 10圈、 50圈和 100圈后保持率都接近 100% 1000mA/g,114mAh/g 硬碳材料 0.41 38 30mA/g下 100圈后保持 305mAh/g 150mA/g,275mAh/g300mA/g,180mAh/g 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 负极：硬碳容量循环不输石墨负极，首次效率是短板01 图 ：钠离子在硬碳中嵌入模型 资料来源： 《 钠离子电池炭基负极材料研究进展 》 刘彬华，长江证券研究所 表：硬碳电化学性能介绍 资料来源：中国粉体网 ，长江证券研究所 ➢ 优势硬碳拥有较高的可逆容量、高倍率和长循环寿命： 硬碳在热解过程中在短程中出现碳层堆叠结构，长程则呈无序状态，结构以无定 形部分为主，由于部分碳层无序堆积，出现缺陷和孔洞，相对于石墨层间距大，微孔多，对应地锂离子嵌入脱出储锂活性位点多，具有 更大的比容量；钠离子脱嵌不会引起硬碳显著膨胀，材料循环性能好。 ➢ 劣势首次库伦效率低： 相比于石墨负极 90%以上的首次效率，硬碳的首效相对较低，目前只有 83-84%，技术需要进一步迭代。 材料 硬碳 优劣势 比容量 理论比容量高， 500-700mAh/g 优势 电压平台 电压平台较低 压实 压实密度较差 劣势 倍率性能 电子导电性强，倍率性能较好 循环性能 钠离子脱嵌不会引起硬碳显著膨胀，循环性能较好 优势 成本 较低，制备温度 1000-1300°C，成本受碳源影响大 优势 制备工艺 无需石墨化过程，制备难度较锂电下降 优势 安全性 无安全性问题 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 负极：硬碳关键在于碳源选择，实现成本 &性能均衡01 表 ：不同碳源制备的硬碳电化学性能对比 资料来源： 《 钠离子电池硬碳基负极材料的研究进展 》 殷秀平，长江证券研究所 ➢ 硬碳碳源来源丰富： 根据碳源的不同可以分为树脂碳（如酚醛树脂、环氧树脂、聚糠醇树脂等）、有机聚合物碳（如 PVA、 PVC、 PVDF、 PAN等）、炭黑（ CVD法制备的乙炔黑等）、生物质碳（如如植物残渣和外壳等）。 ➢ 碳源选择关键在于成本与性能之间的平衡： 树脂类碳源最佳，成本较高，其余碳源成本低但有杂质（杂质过多将降低硬碳的容量），除 杂需要酸洗碱洗，从而推高成本，目前各家负极厂仍在探索最具性价比的碳源。 碳源 碳化温度 (℃) 首次放电容量（ mAh/g） 首效 (%) 循环次数 容量保持 (mAh/g) 容量保持率 (%) 再生棉 1300 315 83% 100 305 97% 聚苯胺 1150 270 52% 500 207 77% 核桃壳 1000 257 71% 300 170 71% 橡树叶 1000 360 75% 200 243 90% 樱花花瓣 1000 310.2 67% 5o0 131.5 90% 藻 1300 334 64% 200 205 93% 木质素 1100 299 68% 300 298 98% 蜂巢 900 221.5 60% 200 203 92% 柚子皮 700 314.5 27% 220 181 99% 莲藕茎 1400 351 70% 450 330 94% 壳聚糖 800 245 32% 100 155 63% 卤虫卵壳 850 325 32% 200 174 53% 蛋壳膜 1300 310 89% 250 236 99% 纸巾 1300 338.2 91% 1000 286.5 93% 沥青 1400 300.6 89% 200 279.8 93% 软木衍生 1600 358 81% 200 312 87% 苯酚甲醛 1400 410 84% 40 393.6 96% Mg(C6H11O7)2 1500 478 88% 335 450 94% 聚乙烯吡咯烷酮 1000 393.4 89% 100 399.5 97% 氧化石墨烯 1000 417 57% 100 133 83% 滤纸 -沥青 1000 282 80% 100 191 74% 木糖 1200 363.8 85% 400 337 93% 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 隔膜电解液：隔膜无变化，电解液变化不大01 图 ： 氟化氢溶剂法制备六氟磷酸钠 资料来源：山东大学专利书 ，长江证券研究所 图： 氟化氢溶剂法制备六氟磷酸锂 资料来源： 矩大锂电 ，长江证券研究所 ➢ 钠电电解液溶剂不变，仅是溶质盐从六氟磷酸锂改为六氟磷酸钠，对循环性能影响较大： 钠离子有机电解质的有机溶剂部分与锂离子电 池的对应成分相似，常见的有机电解液系的钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液成分非常相近，溶剂不变，溶质盐从六氟磷酸锂 改为六氟磷酸钠。 钠电循环更多需要解决电解液的循环消耗问题，需要减缓小号的额速度，电解液研发比较重要。 ➢ 钠电隔膜与锂电完全一致： 隔膜完全可以使用和锂离子电池一样的隔膜。 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 集流体：负极铜箔变为铝箔，正极无变化01 图 ：钠电池结构示意图 资料来源： 《 Air-Stable NaxTMO2 Cathodes for Sodium Storage》 Yi Zhang，长江证券研究所 图：锂电池结构示意图 资料来源： 《 Nanostructured Na-ion and Li-ion anodes for battery application: A comparative overview》 Ivana Hasa ，长江证券研究所 ➢ 锂电负极由于合金化原因只能采用铜箔作集流体： 负极的电位低，铝箔在低电位下易形成铝锂合金，所以负极集流体不能才用铝箔，一 般采用铜箔，铜箔和铝箔之间不具备互替性。 ➢ 钠离子不存在合金化问题，负极集流体改用铝箔： 由于铝箔的价格更低且钠离子与铝箔不会产生合金化反应，所以钠电池里面正负极全 部使用铝箔。 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 钠电：层状氧化物 /普鲁士蓝 /聚阴离子 +硬碳 +NaPF₆01 表 ：三种主要钠电路线性能优劣势对比情况 资料来源：中国粉体网 ， 长江证券研究所 ➢ 钠电目前主流的配置方案为层状氧化物 /普鲁士蓝 /聚阴离子 +硬碳 +NaPF6： 当前普鲁士蓝占优，未来层状氧化物更胜：钠电负极及电 解液相对确定，而正极材料存在三种技术路线， 从当前电化学性能来看，普鲁士蓝能量容量更高，循环性能好，同时生产成本低，只需 控制生产中的水含量，普鲁士蓝 层状氧化物 聚阴离子，而从未来发展前景看，普鲁士蓝大规模量产后水含量的控制具有难度，而层 状氧化物的发展空间较大，层状氧化物 普鲁士蓝 聚阴离子 。 材料 层状氧化物 聚阴离子（氟磷酸钒钠） 普鲁士蓝 /白 描述 优劣势 描述 优劣势 描述 优劣势 比容量 理论比容量高， 250mAh/g以上，目前发挥 50-60%，对应150mAh/g左右 优势 理论比容量不高， 128mAh/g，提升空间较低 劣势 实际比容量高， 150-160mAh/g，接近理论比容量上限，未来提升空间受限 电压平台 电压平台适中，目前主流材料电压平台在 3V左右，未来预计能提升至 3.2V左右 优势 电压平台较高，目前产业化在 3.2V 优势 电压平台较高，目前产业化在 3.3-3.4V 优势 压实 压实密度较高 压实密度较差 大框架结构空间，压实密度较差 倍率性能 较好 劣势 材料电导率低，与本征结构中 XO4阴离 子单元的电子相互作用有关，从而导致 倍率性能不好 劣势 材料电导率较聚阴离子更低，倍率性能不好，且由于常温制备，碳包覆改善导电性的难度大 劣势 循环性能 由于钠离子粒径问题，多次脱嵌后层状结构容易发生相变， 从而导致材料的循环性能稍差 共价键稳定，结构更具稳定性和安全性， 循环性能提升 优势 面心立方体三维结构稳定，材料循环性能好 优势 成本 相对较高 较高，主要因为钒金属价格高 制备工艺简单，生产成本较低 优势 制备工艺 与现有三元工艺相似 优势 与现有铁锂工艺相似，温度要求变低 常温液相工艺 优势 安全性 无安全性问题 钒具有毒性，存在安全性问题 劣势 无安全性问题 水含量 容易吸水 劣势 无 需要严格控制水含量，过多将影响材料以及电 池的电化学性能 劣势 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 02 需求：成本为基，循环、容量决定上限 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 钠电：成本是未来核心优势，储能 &低动力场景可期01 图 ：钠离子电池成本优势明显 资料来源： 中科海纳公司官网，长江证券研究所 图：长期资源价格下钠电成本优势测算 资料来源： 长江证券研究所 ➢ 成本低是钠电未来大规模应用的核心优势： 钠离子电池最主要的成本优势来源于锂盐的降本；同时正负极材料的制备工艺难度下降后， 材料的售价也相比锂电更低；集流体由高价格的铜箔换为低价格的铝箔； 三方面的降本使得钠电理论成本相比锂电下降 30-40%。 ➢ 储能以及低动力需求场景有望起量： 未来钠电的应用场景主要是储能上对锂电的替代，以及在低动力低续航电动车上对磷酸铁锂的替代， 替代的节奏需关注钠电度电成本的下降以及产业化进程的进度 。 项目 镍铁锰钠电 磷酸铁锂 单耗 单价 度电成本 单耗 单价 度电成本 钠 /锂盐 0.98 2.0 2.0 0.49 150.0 73.9 正极 2.06 46.4 95.6 2.10 58.9 123.9 负极 0.98 30.0 29.3 0.99 35.0 34.7 隔膜 21.04 1.8 37.9 16.47 1.4 23.1 电解液 1.49 23.0 34.4 1.20 35.0 42.1 铝箔 /铜箔 0.43 20.0 8.6 0.67 85.0 56.9 材料合计 288.4 349.8 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 成本：受限于产业化进度缓慢，当前度电成本高于锂电01 图 ：钠电与锂电不同材料体系度电成本对比（元 /kWh） 资料来源：亚洲金属网， iFind，中国报告大厅 ，长江证券研究所 注：锂价 45.8万 /吨 ➢ 产业化进度较慢，正负极材料生产成本过高，辅材度电摊薄低于锂电，导致钠电度电成本高于锂电： 产业化进度较慢导致正负极材料的 原料成本以及加工费较高，同时由于钠电体积能量密度相较锂电低 50%左右，容量的劣势导致所有电池材料的度电成本摊薄效应远低于 锂电，总的来看，目前钠电各路线度电成本均高于锂电 10-20%，成本优势暂未体现。 1047.1 1084.0 1218.9 936.1 869.6 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 铜铁锰 镍铁锰 氟磷酸钒钠 普鲁士蓝 磷酸铁锂 正极 负极 隔膜 电解液 PVDF 铜箔 /铝箔 结构件 其他 总计 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 成本：考虑产业配套成熟后，材料度电成本将拥有优势01 图 ：考虑产业配套成熟以及技术进步后，钠电材料度电成本将拥有优势（元 /kWh） 资料来源：亚洲金属网， iFind，中国报告大厅 ，长江证券研究所注：锂价 15万 /吨 ➢ 随着产业逐步成熟，钠电在材料度电成本以及容量摊薄效应均有所改进，材料度电成本将拥有优势： 产业逐步成熟之后，一方面正负极 原材料价格回落以及正负极产能充足后，材料的成本额会下降；另一方面，随着技术进步，钠电池的体积能量密度提升明显，容量到来 的成本摊薄效应逐步显现。总的来看，考虑产业配套成熟后，钠电的材料度电成本将比锂电更低。 291.7 305.0 382.0 243.8 349.8 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 铜铁锰 镍铁锰 氟磷酸钒钠 普鲁士蓝 磷酸铁锂 正极 负极 隔膜 电解液 PVDF 铜箔 /铝箔 结构件 其他材料 物料成本 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 成本：锂价是关键， 15万中枢下钠电成本优势明显01 图 ：锂价中枢越高，钠电成本优势越明显（元 /kWh） 资料来源：亚洲金属网， iFind，中国报告大厅 ，长江证券研究所 ➢ 锂价中枢决定钠电成本优势是否明显， 15万中枢下钠电成本优势明显： 当锂价在 7万左右时，钠电各路线的度电成本与磷酸铁锂度电成 本相比没有优势，而锂价在 15万时，钠电普鲁士蓝路线材料度电成本相比磷酸铁锂低 30%，钠电层状氧化物度电成本相比磷酸铁锂低 15%左右；锂价中枢越高，钠电成本优势越明显。 243.8 291.7 305.0 310.3 349.8 374.4 382.0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 普鲁士蓝 铜铁锰 镍铁锰 磷酸铁锂 (7万锂价） 磷酸铁锂 (15万锂价） 磷酸铁锂 (40万锂价） 氟磷酸钒钠 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 循环 /安全：储能场景核心要素，钠电循环仍存短板01 图 ： SEI膜不稳定造成锂电循环性能下降 资料来源：电子发烧友 ，长江证券研究所 图：钠电正极空间结构变化示意图 资料来源： 太平洋号，长江证券研究所 ➢ 储能场景对电池的核心要求是循环性能，成本以及安全性，目前钠电循环存短板： 储能场景需要以低成本方式实现多次的充放电，成本 方面随着产业链成熟，钠电度电材料成本有望低于锂电，而循环方面钠电需要等待技术突破。 目前铁锂电池循环寿命在 6000次左右， 而钠电在 3000-4000次，仍有一定差距。与锂电因负极循环性能不佳不同的是，钠电更多的因为电解液消耗速度过快以及正极晶格相 变从而造成循环寿命不佳。 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 循环 /安全：储能场景核心要素，静待技术突破01 图 ：层状正极材料改性方法 资料来源： 《 Mainstream Optimization Strategies for Cathode Materials of Sodium-Ion Batteries》 Huan Xu ，长江证券研究所 图：主流钠电厂商产品循环性能情况 资料来源： 各公司官网，长江证券研究所 ➢ 正极材料形变通过掺杂包覆等改进，电解液主要通过研发新体系，静待技术突破： 从理论上看，钠电电池的循环寿命理应更高， 钠电负 极硬碳非结晶态，形变相对更小， SEI膜造成的不可逆钠消耗理应更低， 安全性由于钠电可以 0V运输以及过放，相比锂电也更加安全。 目前钠电正极晶格形变问题通过掺杂包覆降低相变性，同时电解液消耗过快一方面通过开发全新的电解液体系降低消耗速度，另一方面 可通过补钠技术实现循环寿命的改善。 公司 日期 内容 宁德时代 2021.7 循环寿命最高约 1500次 2022 称一代钠离子电池循环寿命为 3000次 中科海纳 2021.12 循环寿命为 4500次，未来计划提升至 8000-10000次 钠创新能源 2022 据正极材料和负极材料特性设计了多种电解液体系，循环寿命从 2500次提升至 10000次 Natron energy 2022 可在 8 分钟内充电，并可循环 50， 000 次 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 循环 /安全：成本 +循环提升后，钠电储能经济性凸显01 表 ：不同电池价格以及循环寿命下储能项目 IRR测算 资料来源： 长江证券研究所 ➢ 成本优势下，钠电循环寿命提升至 6k次储能项目 IRR便可媲美锂电 8k次 IRR： 电池成本为储能项目期初投资额，当钠电 /锂电成本均较低 时，钠电度电成本优势虽然较小，但对项目 IRR影响较大。根据测算，在锂电 550元 /度，钠电 500元 /度假设下，钠电目前 4k次循环下， 项目 IRR为 12.6%，低于锂电 8k循环的 16.7%，但当钠电循环次数做到 6-7k次时，钠电 IRR反超锂电，并且在循环寿命达到 8k后，锂电 即使做到 1.2W次循环， IRR也不及钠电。 所以在钠电成本相比锂电存在优势后， 8k+次循环使得钠电在储能领域经济性超过锂电，度电 成本以及循环寿命为钠电储能渗透率提升的关键 。 储能项目 IRR 循环寿命（次数） 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 11,000 12,000 电池价格 （元 /KWh） 550 11.4% 14.2% 15.6% 16.3% 16.7% 17.0% 17.1% 17.2% 17.2% 500 12.6% 15.3% 16.6% 17.3% 17.6% 17.9% 18.0% 18.1% 18.1% 450 13.9% 16.5% 17.7% 18.3% 18.7% 18.9% 19.0% 19.0% 19.0% 400 15.3% 17.7% 18.9% 19.5% 19.8% 20.0% 20.1% 20.1% 20.1% 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 能量密度：总体容量低于铁锂，部分产品接近铁锂01 ➢ 钠电能量密度低于铁锂，部分材料体系能量密度与铁锂接近： 目前电池体系包括锂电，钠电，镍氢，镍铬以及铅酸电池等，从能量密度 来看，三元锂电池最高，铁锂次之，钠电池处于锂电与其他电池之间，钠电能量密度在 70-180kWh/kg，整体低于铁锂，部份体系如层 状氧化物及普鲁士蓝钠电能量密度接近铁锂，如宁德时代一代质量能量密度达到 160Wh/kg，二代计划达到 200Wh/kg。 图 ：各电池体系的体积能量密度情况（ kWh/kg） 资料来源：工信部，国家动力电池创新中心 ，长江证券研究所 图：主流钠电公司产品性能情况 资料来源：各公司官网 ，长江证券研究所 20 70 120 170 220 270 320 370 三元电池 铁锂电池 钠离子电池 镍氢电池 镍铬电池 铅酸电池 公司 电池材料体系 性能参数 英国 Faradion 层状氧化物 /硬碳 /有机电解液 140Wh/kg， 80%深度循环寿命 10000次 Naiades 氟磷酸钒钠 /硬碳 /有机电解液 90Wh/kg， 1C电流下循环 4000次 美国 Natron Energy 普鲁士蓝水系电解液体 系 50Wh/L， 2C电流下循环 10000次 法国 Tiamat 氟磷酸钒钠 /硬碳 能量密度达到 120Wh/kg 湖南立方新能源 普鲁士蓝 /硬碳 140Wh/kg， 4C快充 中科海纳 层状氧化物 /无定型碳 /有机电解液 145Wh/kg，循环寿命 2000次 宁德时代 普鲁士蓝化合物 /硬碳 一代 160Wh/kg， 4C快充，低温性能佳；二代目标 200Wh/kg 钠创新能源 层状氧化物 /硬碳 /有机电解液 120Wh/kg，循环寿命 1000次 股票报告网整理http://www.nxny.com 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 电池社 能量密度：正极 +无负极技术 /AB电池实现容量提升01 图 ：无负极电池示意图 资料来源：锦缎研究院 ，长江证券研究所 图：宁德时代钠电与锂电 AB电池方案 资料来源：宁德时代官网 ，长江证券研究所 ➢ 正极层状氧化物技术突破，负极无负极技术叠加，有望实现钠电容量提升： 层状氧化物正极材料目前实际可逆容量 150-160mAh/g，距 离理论上限还