钠电池行业深度报告：钠电破晓，成长可期
报告出品方：联储证券
以下为报告原文节选
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1. 钠离子电池概述
1.1 钠电概况：几经波折，一朝破晓
1.1.1 工作原理：锂、钠同族，原理相似
锂和钠在元素周期表中同属第一主族元素，具有相似的物理和化学性质。钠离子电池的结构及工作原理与锂离子电池基本相同，同属于“摇椅式电池”。钠离子电池的构成主要包括正极、负极、隔膜、电解液和集流体。充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜嵌入正极材料中，使正极恢复到富钠态。
和锂离子电池类似，按照制造工艺，钠离子电池主要分为圆柱、软包、方形、刀片形电池几大类。其主要差别主要体现在电池的内部装配结构及封装形式上。根据钠离子电池的技术特点，钠离子电池将首先从各类低速电动车应用切入市场，并随着产业的进一步发展，逐步切入到各类储能应用场景，如可再生能源的存储、数据中心、5G 通信基站、家庭和电网规模储能等领域。
1.1.2 发展历程：一度停滞，重回热潮
早在 20 世纪 70 年代末，钠离子电池与锂离子电池几乎同时开展研究，但是受当时研究广泛的石墨负极材料储钠能力的限制，钠离子电池的研究一度处于缓慢和停滞状态。直到 2000 年加拿大的 Dahn 等发现高容量的硬碳可作为储钠负极材料，钠离子电池重回研究者的视线，但当时产业界的关注重点集中于锂离子电池。
2010 年以来，由于锂资源供给的稀缺态势日益凸显，钠离子电池受到了国内外学术界和产业界的广泛关注，其相关研究更是迎来了爆发式增长。目前，钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段，国内外已有多家企业，包括英国 FARADION 公司，美国 Natron Energy 公司，法国 Tiamat，日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学，以及我国的中科海钠、宁德时代、钠创新能源等公司，正在进行钠离子电池产业化的相关布局，并取得了重要进展。
2018 年 6 月，国内首家钠离子电池企业中科海钠推出了全球首辆钠离子电池(72V，80Ah)驱动的低速电动车，并于 2019 年 3 月发布了世界首座 30kW/100kWh 钠离子电池储能电站，2021 年 6 月推出 1MWh 的钠离子电池储能系统，并在山西太原投运。国内在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开，钠离子电池即将进入商业化应用阶段，相关工作已经走在世界前列。
1.2 产业链现状：技术无虞，量产在即
钠离子电池主要生产制备技术已基本成熟，处于量产的前夜。和锂离子电池相似，制备钠离子电池的原材料主要包括四大主材（正极材料、负极材料、电解液和隔膜）和关键辅材（极耳、集流体、粘结剂、导电剂、外壳组件等）。正极材料方面，目前投入研究比较多的包括层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝（白）等，其中层状氧化物正极材料的理论能量密度最高，有望率先商用；负极材料方面，现阶段技术路线以硬碳为主，软碳为辅；电解液方面，以六氟磷酸钠电解质为主；集流体方面，低成本铝箔替代铜箔正在不断推进中；隔膜材料可沿用锂电池隔膜体系。
1.2.1 关键材料：多路线并行，层状氧化物体系有望率先商用
钠离子电池正极材料的技术路线主要有层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝(白)类、隧道氧化物类等，其中层状氧化物路线有望率先商用。层状氧化物正极材料结构类似于锂电池的三元材料，成品电池理论能量密度高于聚阴离子型材料，但依然存在结构相变复杂和循环寿命短等问题,提升层状正极材料的综合性能仍是目前钠离子电池的重要研究方向。聚阴离子类化合物结构类似于磷酸铁锂，具有开放的骨架结构和优异的倍率性能,但这类材料的电子电导较差,成品电池能量密度偏低，往往需要对其进行碳包覆改性，且目前生产成本较高。普鲁士蓝类材料因为具有稳定的三维骨架结构而具有较好的结构稳定性和倍率性能,生产成本也较低，然而依然存在结晶水难以去除、过渡金属易溶解、循环寿命低等问题。
钠离子电池正极材料可通过固相反应法、共沉淀法、溶胶-凝胶法、喷雾干燥法等多种方法来制备，其中以固相反应法最为常用。固相反应法也属于多组分固相固相烧结法，即在多组分固相烧结过程中通过离子扩散过程形成固溶体或者新的的化合物，具有工艺简单和成本低廉等优势，适用性较强。
现阶段钠离子电池厂商在正极材料方面的布局以层状氧化物体系为主，产业化进程明显加快，包括中科海钠、宁德时代、钠创新能源、多氟多、蜂巢能源等。同时普鲁士蓝（白）和聚阴离子型两种路线随着各大厂商的持续推进，低能量密度等问题也有望逐步改善，成为钠离子电池正极材料的更多选择。参考锂离子电池的技术迭代历程，不同的正极技术路线有望长期存在，相互竞争，由于各自能量密度、成本的不同，各种技术路线有望在不同的使用场景得到充分的应用。
具有无定形碳负极材料(包括硬碳和软碳)因资源丰富、结构多样、综合性能优异,被认为是最有应用前景的钠离子电池负极材料。石墨负极的成功开发推动了锂离子电池的商业化进程。然而，由于热力学原因，钠离子难以嵌入石墨间隙，不容易与碳形成稳定的插层化合物，因此石墨负极在碳酸酯电解液中几乎不具备储钠能力。目前已经报道的钠离子电池负极材料主要包括碳基、钛基、有机类和合金类负极材料等，目前商业化进展最快的为无定型碳基复合材料。
软硬碳结合开发低成本、高性能负极材料是重要发展方向。无定形碳包括硬碳与软碳，软碳通过高温石墨化可以生成人造石墨，而硬碳难以石墨化。硬碳相比软碳能量密度和首效性能表现更好，而软碳在成本方面具有优势，以往的无定形碳在所有负极材料中占比约为 4%。硬碳材料普遍展现出良好的储钠性能，但其前驱体一般为生物质或者人工合成树脂，成本较高，且产碳率较低，难以在激烈的竞争中凸显优势。中间相沥青（来自石油工业的废渣）可作为软碳前躯体，其成本较低，制备出的软碳具有更有序的结构，更少的缺陷和更短的层间距，但其比容量往往低于硬碳。鉴于硬碳和软碳各自的优势，将二者结合可为开发低成本和高性能的碳基负极材料提供良好的策略。
现阶段钠电负极厂商技术路线以硬碳为主、软碳为辅。采用硬碳路线的主要负极厂商较多，包括日本可乐丽、佰思格、贝特瑞、多氟多、圣泉集团、元力股份等，采用软碳路线的相对较少，主要有华钠芯能、汉行科技等。产能规模方面，部分厂商已建成千吨级产线，万吨级产线还在建设中。
与锂电池不同，钠离子电池可选用成本更低的铝箔代替铜箔作为集流体。在常见的集流体材料中，金银铜铝的单位体积相对电导率最高，但金和银属于贵金属，使用成本明显偏高；在锂电池中，由于锂离子 Li+可以和铝箔反应从而腐蚀电池负极，而钠离子电池则不受此问题影响，且达到相同电导率时铝箔的成本约为铜箔的一半。参与布局钠离子电池用铝箔材料的厂商有鼎盛新材、东阳光、万顺新材、南山铝业等。
在电解液材料方面，钠离子电池和锂离子电池的电解液成分基本相似。类似于锂电池的电解质材料主要为六氟磷酸锂，钠离子电池电解液的溶质主要为六氟磷酸钠。溶剂为链状碳酸酯和环状碳酸酯共用，一般采用 EC、DMC、EMC、DEC 和 PC 等溶剂组成二元或多元混合溶剂体系，此外再加上特定的功能性添加剂。由于 Na+相比于 Li+具有较小的 Stokes 半径和去溶剂化能,因此理论上采用低盐浓度的电解液也可以得到足够的动力学性能。经实验测算，相同浓度的电解液溶质，钠电池中导电率比锂电池高出 20%。现阶段布局钠离子电池电解液的厂商有多氟多、天赐材料、新宙邦、永太科技等。
钠离子电池隔膜材料可沿用锂离子电池隔膜体系。在锂电池中所选用的隔膜体系通常是聚烯烃类的聚合物材料，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和 PP-PE-PP 复合膜；另外玻璃纤维隔膜（主要成分为二氧化硅和氧化铝等无机氧化物）也是实验室里使用较多的隔膜。玻璃纤维隔膜一般采用拉丝法制备，而聚烯烃材料一般采用相分离法或者延伸法制备。二者的共性是机械强度、电绝缘性好且具备丰富的孔道。锂离子电池所用的隔膜材料基本都可移植至钠离子电池体系。
1.2.2 电池制造：兼容现有锂电设备，有望快速推广
钠离子电池的生产工艺可参照锂离子电池，其生产线和锂离子电池生产线基本类似，不同的地方在于钠离子电池可采用铝箔作为负极集流体，因此正负极可采用相同的铝极耳，相关工序（如极耳焊接工序）可以更加简化。
钠离子电池的制造工序可基本分为三个部分，第一部分是前端电极制造工序，包括电极浆料制备、电极涂布、辊压、极片分切等；第二部分是中端电芯装配工序，包括电芯的叠片或卷绕、电芯装配、注液封口等，涉及设备为卷绕机、叠片机和注液机；第三部分是电池组装配工序，包括化成分容、模组装配、电池组装配及测试等。
1.3 竞争格局：锂电池龙头优势延续，创新型中小企业有望突围
现阶段布局钠离子电池生产和制造的企业有两类，一类是传统的锂电池厂商切入钠离子电池，如宁德时代、鹏辉能源等，另一类是从“0”到“1”参与钠离子电池产业布局的创新型企业，如中科海钠、钠创新能源、传艺科技等。
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精选报告来源：报告派
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