钠电池是锂电池应用场景的补充
韭菜斌
2021-05-24 20:28:00
总论：锂电池胜在能量密度大。钠电池的平均能量密度在90-150Wh/Kg，相比锂电池的250Wh/Kg，能量密度偏小。按照12Kwh续航100公里，如果单车续航700公里，则需约100Kwh的电池容量。如果按照锂电池250Wh/Kg能量密度计算，则锂电池的重量为400公斤。如果按照钠电池150Wh/Kg计算，那么重量会增加至约650公斤。如果都是按照平均2吨重的整车计算，使用钠基电池代替锂电池，重量提高约10%。这样的增重量，对于乘用车轻量化的要求而言，商用化的可能性不大。因此，我们倾向于钠基电池的替代场景在于部分储能和小动力电池（比如两轮车）领域。
什么是钠基电池？钠基电池（SIB）是一种使用钠离子（Na+）作为电荷载体的可充电电池。同锂离子电池相比，钠离子电池更适合作为大规模储能的器件，其具有三个优势：1）相对于锂元素，钠元素的标准电极电位高0.3V，作为储能材料而言有更好的安全性能；2）钠元素在地球上的储量丰富，地壳种金属钠的含量达到了2.4%，并且钠元素海水中就有丰富储量，开发方便；3）钠价格便宜。钠基电池包括基于正极（含钠）、负极（不一定含钠）和钠盐电解液。在充电过程中，Na+离子从正极迁移至负极，同时电子通过外部电路传输。在放电过程中，发生相反的过程，Na+从负极迁移至正极。
钠离子电池VS锂离子电池。目前学界已研究了多种金属磷酸盐和氟磷酸盐作为正极。其中有NaFePO4（三叶草型），Na2Fe(P2O7)，Na4Fe3(PO4)2(P2O7)，Na2FePO4F和Na/Na2[Fe1/2Mn1/2]PO4F。其中，Na3V2(PO4)2F3在室温下的Na半电池中显示出合理的性能，在平均电压为3.8V时可逆容量约为135mAh/g。我们比对了锂离子和钠离子电池的能量密度：由于能量密度偏低，钠电池适用于类似于目前使用磷酸铁锂电池的场景。这些包括短程电动汽车、储能系统（ESS）、电力公司的备用电源等。
钠基电池会影响多大的锂电池市场？由于钠基电池在材料成本方面的优势，其在储能、两轮车等小动力电池方面具有一定的应用潜力。但由于储能电池对循环次数的要求较高，因此在实际应用环节仍需等待钠基电池性能实现突破。此外在新能源汽车方面，由于钠基电池在能量密度方面的劣势，我们认为较难对动力电池造成冲击。基于不同假设和对锂电池不同的补充率，参考海通国际202105深度报告《锂需求梳理：电动车&储能，两条万亿赛道的交叉点》中对2025年需求的测算，我们认为到2025年，钠基电池对锂电池的补充对碳酸锂需求量的影响在3.4%-5.7%。补充主要将发生在储能、小动力电池等领域。对于能量密度、体积、质量要求较高的应用领域，需求仍将以锂电池为主。
钠产业链相关个股梳理。1）中盐化工：公司是全球领先的金属钠生产厂家，规模最大，成本最低，技术和质量最好。2020年全球金属钠产能约16.05万吨，公司金属钠产能6.5万吨，占全球产能的40.5%；全球氯酸钠产能约430万吨，其中国内产能95万吨，公司产能16万吨，占国内的25%。公司金属钠生产工艺采用美国杜邦先进技术，通过多年消化吸收直流电耗、电效、盐耗均达到领先水平。公司投资建设的500吨金属锂项目目前正在进行设备安装。2）欣旺达：公司是国内锂能源领域设计能力最强、配套能力最完善、产品系列最多的锂离子电池模组制造商之一。同时储备钠离子电池补钠的方法及钠离子电池发明专利技术。3）南风化工：公司主要生产销售无机盐系列产品包括元明粉、氯化钠、硫化碱、硫酸钡、硫酸镁等。其中公司硫化碱（硫化钠）产能2万吨，已完全达产。
不确定性分析。钠电池相比锂电池，属于起步阶段，因此后续的研发、商用化等均面临不确定性。
一、总论：锂电池胜在能量密度大
钠电池的平均能量密度在90-150Wh/Kg，相比锂电池的250Wh/Kg，能量密度偏小。按照12Kwh续航100公里，如果单车续航700公里，则需约100Kwh的电池容量。
如果按照锂电池250Wh/Kg能量密度计算，则锂电池的重量为400公斤。如果按照钠电池150Wh/Kg计算，那么重量会增加至650公斤以上。如果都是按照平均2吨重的整车计算，使用钠基电池代替锂电池，重量提高约10%。这样的增重量，对于轻量化的要求而言，商用化的可能性不大。
因此，我们倾向于钠基电池的替代场景在于部分储能和小动力电池（比如两轮车）领域。
二、什么是钠基电池？
钠基电池（SIB）是一种使用钠离子（Na+）作为电荷载体的可充电电池。同锂离子电池相比，钠离子电池更适合作为大规模储能的器件，其具有三个优势：1）相对于锂元素，钠元素的标准电极电位高0.3V，作为储能材料而言有更好的安全性能；2）钠元素在地球上的储量丰富，地壳种金属钠的含量达到了2.4%，并且钠元素海水中就有丰富储量，开发方便；3）钠价格便宜。
钠基电池包括基于正极（含钠）、负极（不一定含钠）和钠盐电解液。在充电过程中，Na+离子从正极迁移至负极，同时电子通过外部电路传输。在放电过程中，发生相反的过程，Na+从负极迁移至正极。
三、钠离子电池VS锂离子电池
如下方程描述了钠离子电池中使用硬碳(C6)负极和层状过渡金属氧化物NaMO2正极的电极反应。
以钴酸盐做实验数据比对。NaCoO2电极在3V的平均电压下具有约150mAh/g的可充电容量。钠电池正极层状过渡金属氧化物包括NaFeO2，NaNiO2，NaCrO2，NaVO2和NaTiO2以及由此衍生的混合金属氧化物作为NaFe1/2Co1/2O2，NaNi1/3Fe1/3Co1/3O2，NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2和Na-Ni1/4Fe1/4Co1/4Mn1/4O2。此外，三元材料配比举例：NaNi0.68Mn0.22Co0.10O2。
目前学界已研究了多种金属磷酸盐和氟磷酸盐作为正极。其中有NaFePO4（三叶草型），Na2Fe(P2O7)，Na4Fe3(PO4)2(P2O7)，Na2FePO4F和Na/Na2[Fe1/2Mn1/2]PO4F。其中，Na3V2(PO4)2F3在室温下的Na半电池中显示出合理的性能，在平均电压为3.8V时可逆容量约为135mAh/g。
电解液的选择对于开发实用的Na离子电池很重要。含有钠盐的有机碳酸盐溶剂基电解质（例如NaPF6，NaN-(SO2CF3)2和NaClO4）与少量添加剂一起使用，可在循环过程中稳定正负极。
我们比对了锂离子和钠离子电池的能量密度。通过下表显示，由于能量密度偏低，钠电池适用于类似于目前使用磷酸铁锂电池的场景。这些包括短程电动汽车；太阳能，风能和其他替代能源转换设施的储能系统（ESS）；电力公司的备用电源等。
四、钠基电池会影响多大的锂电池市场？
由于钠基电池在材料成本方面的优势，其在储能、两轮车等小动力电池方面具有一定的应用潜力。但由于储能电池对循环次数的要求较高，因此在实际应用环节仍需等待钠基电池性能实现突破。此外在新能源汽车方面，由于钠基电池在能量密度方面的劣势，我们认为较难对动力电池造成冲击。
我们以2025年作为比较时点，假设2025年钠基电池已经实现了循环次数的提升，同时由于工艺成熟，制造费用下降，钠基电池的成本优势得以体现。我们以此为前提，测算其对于碳酸锂需求的影响。
基于以上假设和对锂电池不同的补充率，参考我们《锂需求梳理：电动车&储能，两条万亿赛道的交叉点》中对2025年需求的测算，我们认为到2025年，钠基电池对锂电池的补充对碳酸锂需求量的影响在3.4%-5.7%。补充主要将发生在储能、小动力电池等领域。对于能量密度、体积、质量要求较高的应用领域，需求仍将以锂电池为主。
五、钠产业链相关个股梳理
中盐化工：公司是全球领先的金属钠生产厂家，规模最大，成本最低，技术和质量最好。2020年全球金属钠产能约16.05万吨，公司金属钠产能6.5万吨，占全球产能的40.5%；全球氯酸钠产能约430万吨，其中国内产能95万吨，公司产能16万吨，占国内的25%。公司金属钠生产工艺采用美国杜邦先进技术，通过多年消化吸收直流电耗、电效、盐耗均达到领先水平。公司投资建设的500吨金属锂项目目前正在进行设备安装。
欣旺达：公司是国内锂能源领域设计能力最强、配套能力最完善、产品系列最多的锂离子电池模组制造商之一。同时储备钠离子电池补钠的方法及钠离子电池发明专利技术。
南风化工：公司主要生产销售无机盐系列产品包括元明粉、氯化钠、硫化碱、硫酸钡、硫酸镁等。其中公司硫化碱（硫化钠）产能2万吨，已完全达产。
六、不确定性分析
钠电池相比锂电池，属于起步阶段，因此后续的研发、商用化等均面临不确定性。
声明：文章观点来自网友，仅为作者个人研究意见，不代表韭研公社观点及立场，站内所有文章均不构成投资建议，请投资者注意风险，独立审慎决策。
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中盐化工
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北方铜业
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无用
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