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谈谈宁德即将推出的钠离子电池

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中线波段的公社达人

2021-05-22 15:15:56

2021年初至今，锂电池上游核心资源锂盐及锂精矿价格大涨，叠加中澳关系、智利政局等问题，锂盐及上游锂资源成为产业和资本界的关注重点。
2021年5月20日，《建设世界级盐湖产业基地规划及行动方案》评审会在北京举行，并获专家委员会评审一致同意通过，国内盐湖资源开发受到极大关注。
2021年5月21日，宁德时代董事长曾毓群在股东大会上透露，将于2021年 7 月份左右发布钠电池，引起市场新一轮关注。

1. 钠离子电池发展背景
1.1 锂电池核心锂矿资源分布不均
全球已探明锂资源储量约6200万吨，其中南美三国阿根廷（23.87%）、玻利维亚（14.52%）、智利（13.71%）占比超过一半。中国虽锂资源探明储量排名靠前，但85%以上分布在西部高海拔山区和盐湖地区，以矿石型和卤水型两种资源为主，存在锂资源品位低、分离难度大、开采成本高等问题，总体进口依赖度高。天齐锂业、赣锋锂业、宁德时代等为代表的企业积极在南美洲、大洋洲布局锂矿资源，但受限于当地不稳定的营商环境，针对锂资源短期内的需求上涨，解决锂资源对外依赖度高问题迫在眉睫。

1.2 非锂电池体系逐步受到关注
在潜在替代元素中，基于钠、镁、铝、钾等设计的电池在性能上无法与锂离子电池相媲美，这也造成长时间内科研和产业界关注的重点都集中在锂离子电池体系中。随着锂离子电池体系的技术趋于完善以及锂资源问题日益凸显，各类非锂电池体系逐渐受到关注。其中，钠离子电池凭借相对优异的性能以及钠元素较高的地壳丰度带来潜在BOM成本优势，成为关注热点。
钠离子电池20世纪70年代被首次被提出，之后近30年研究处于停滞状态。

虽然钠元素在元素周期表内是仅次于锂的碱金属元素，理化性质相似，但较大的离子质量和离子半径造成钠离子电池的体积和质量能量密度仅为锂离子电池的一半左右，也阻碍了其发展。
随着领域对电池的需求逐渐增加，针对部分对于能量密度的需求不明显的固定应用场景，钠离子电池体系的适配重新被关注。近10年来，钠离子电池相关的新增学术论文和专利数持续增加，2019年全球钠离子电池相关学术论文发文数超过3500篇，针对钠基电池体系、关键电极材料以及反应机理表征方面进行重点突破，探寻可以发挥钠离子电池自身特性和优势的体系。

2. 钠离子电池技术路线及产业化情况
目前国内外有近二十家企业对钠离子电池进行产业化相关布局，主要包括英国FARADION公司、美国Natron Energy公司、美国Aquion Energy公司、法国NAIADES计划团体、日本岸田化学、松下、三菱以及我国的中科海钠、钠创新能源、星空钠电等公司。其中欧洲因其锂、钴等重要锂电上游资源缺乏，相对重视钠离子电池的发展。
各国产业化的钠离子电池体系存在较大差异，目前无相对明确清晰的路线：
电池体系主要包括水系电池和有机体系电池；
正极材料主要包括层状铜铁锰和镍铁锰三元氧化物材料、聚阴离子型化合物氟磷酸钒钠和普鲁士蓝类材料等；
负极材料体系主要包括软碳、硬碳以及软硬复合无定形碳等；
电解液体系主要包括有机溶剂电解液和凝胶聚合物电解液。
各路线主要针对锂离子电池成本和安全性两大痛点问题谋求差异化发展，产业化产品参数、优势以及不足如下图：

目前，部分钠离子电池体的产品处于产业化前期，但产品性能、成本控制以及适配应用场景有待进一步检验。国内代表企业中科海钠曾于2021年3月宣布完成亿元级A轮融资，投资方为梧桐树资本，融资将用于搭建年产能2000吨的钠离子电池正、负极材料生产线。
中科海钠推荐的产品特性如下，供参考：
产品类型：软包电池、圆柱电池；
工作电压: 3.2 V；
工作温度: −20度 ~ 55度；
循环性能≥ 2000 cycles @ 80%；
质量能量密度≥ 120 Wh/kg；
倍率性能: 3C充放电容量保持率≥85%；
存储性能: 满电态室温存储30天，容量保持率≥95%，容量恢复率≥ 99%。

3. 产业链及核心材料体系
产业链如下图：

核心材料之一的正极材料，目前已经报道过上百种可能的体系，但都不成熟。

负极体系同样存在多种技术路线。

中科海钠产品主要材料体系如下
正极：铜铁锰基正极材料，克容量:100 mAh/g，颗粒尺度:D50=10 μm；
负极：无烟煤基负极材料，克容量:240 mAh/g，颗粒尺度:D50=5 μm；
钠盐：NaPF6；
溶剂：EC-DEC-添加剂。

4. 产品成本结构及对比
以中科海钠数据为例，按照等容量软包电池成本分析，钠离子电池BOM理论成本比锂离子电池低30%。但现阶段，与铁锂等成熟锂离子电池相比，钠离子电池体系由于工艺不成熟、研发设备摊销大以及产品一致性等问题，造成生产成本难以控制，BOM成本优势难以发挥，性能和价格均处于劣势。

5. 钠离子电池应用场景
钠离子电池体系介于锂离子电池和铅酸电池

由于体系能量密度低，在安全性上较同类别的锂离子电池体系具备一定优势，在以下对电池能量密度需求小的场景中具备应用潜力：
5.1 分布式电网储能

针对西藏、青海、新疆等人口密度低、地质环境差的地区，建设电网难度大、成本高，以储能电池搭配可再生能源发电的方式，是解决当地用电需求的理想解决方案。同时对于东南亚、非洲等电网基础设施差的区域，该解决方案具备海外市场需求。
5.2工程机械/低速类电源

对于叉车等工程机械设备，电动化是必然发展趋势。现阶段电动工程机械以铅酸电池为主，锂离子电池为辅。对于电动工程机械，由于需要配重，对能量密度需求较小，同时钠离子电池相较于铅酸电池具备锂离子电池相当的快充和低温性能，可扩展电动机械的应用场景，具备应用潜力。
5.3 通信基站、监控摄像头等固定设施电源

现阶段该类设施电源以铁锂电池和铅酸电池应用为主，钠离子电池将提供更多的选择空间。

中科海钠近年逐步在做产业化尝试，主要路径及节奏如下图：

其已经完成的产业化示范应用项目主要包括：电动自行车、家庭储能柜、低速汽车和储能。

6. 小结
总体而言，钠离子电池目前处于产业化初期，在未来相当长时间内难以与锂离子电池直接抗衡，更可能承担补充/备选角色。且由于其性能特性差异，其应用场景更可能非锂电池主流应用领域，如低速电动车、部分储能、工程机械、基站通信备用电源等领域。
钠离子电池体系路线多样，目前尚无统一的标准体系及第三方检测认证机构，性能参数需要具体甄别判断。安全性和低成本是技术路线选择的核心指标，安全性方面需要规避各类电极材料或反应机理涉及钠单质或金属的技术路线，低成本方面不能仅参考BOM成本，需要根据实际生产成本分析核算技术路线未来的降本空间。具体有待进一步观察。

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