钠电池行业报告：性能和应用有望与锂电互补，2023年将迎量产元年
报告出品/作者：浙商证券、张雷、黄华栋、王婷
以下为报告原文节选
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1钠离子电池：性价比突出，主流路线明晰
1.1钠电池性价比突出，目前处于痛点攻坚期
钠离子电池主要由正极材料、负极材料、电解质和隔膜等关键部件组成。钠离子电池的工作原理和锂离子电池相似，都属于“摇椅式”。充电时钠离子从正极材料脱出后，经过电解质嵌入负极材料中。与此同时电子则从正极经由外电路运动到负极，以维系整个系统的电荷平衡。放电过程则与充电过程相反。其中钠离子电池正、负极材料体系为决定性因素，电解质主要与正、负极材料体系进行选择匹配使用。
与锂电池相比，钠电池的优势在于：1)资源丰富和低成本：相比锂离子的稀缺性，钠离子在地壳元素中的储能更丰富，因而成本低，可成为锂离子电池很好的补充，截至2022年11月数据，碳酸钠价格约为碳酸锂价格的1/200，此外钠电池的正负极均采用铝箔，可进一步降低成本；2)宽温性：在-40°C~80°C的温度范围内均有较好的容量保持率；3)快充和倍率性好：相同浓度的钠离子电池电解液比锂离子电池电解液具有更高的离子电导率，同时钠离子在极性溶剂中具有更低的溶剂化能，使其在电解液中具有更快的动力学性质，具有更高的电导率；4)安全性：钠电池可在零电压下保存及运输，无运输安全风险，在短路时，自发热热量少，无起火/爆炸等隐患；5)生产：与锂离子电池具有类似的工作原理和材料构成，生产经验和设备可以部分兼容。
钠离子电池技术实用化的痛点在于：1)钠离子质量比锂离子重，电负性不及锂，因而能量密度不及锂。同类电极材料钠离子电池的电压比锂离子电池低，因此钠离子电池比容量低，能量密度也低。2)钠离子体积更大，难以脱嵌，循环性能较差。钠离子半径比锂离子大，因此导致钠离子在刚性结构中相对比较稳定，难以可逆脱嵌。即使可以发生脱嵌，钠离子嵌入脱出的动力学很慢，并且容易引起电极材料的结构产生不可逆的相变，从而降低了电池的循环性能。
1.2电极材料技术分析：主流路线基本明晰
(1)正极材料：层状氧化物是主流方向
针对钠离子电池的两个痛点，电极材料是改进其能量密度、电压与循环性能的关键。只有研发出适于钠离子稳定脱嵌的正负极材料，才能推进钠离子电池的实用化。已有的正极材料主要包括层状氧化物材料、聚阴离子材料和普鲁士蓝/白类材料。其中，层状氧化物材料为目前钠离子电池的主流方向。
三种钠电正极材料性能各具优劣，分别对应不同的应用场景，各家企业布局不同。
(1)层状氧化物：与锂离子电池三元材料均为一种嵌入或插层型化合物，二者生产工艺类型相同，且产线可以共用，工艺成熟度相对较高。在性能方面，层状氧化物具有比容量高、压实密度高等，结构利于储钠，但结构存在相变，导致循环性能和稳定性较差；此外，层状氧化物极易与空气中的水和二氧化碳等物质反应，在晶体结构表面形成副产物，未来应用场景偏向于动力和性能要求较高的领域。根据钠离子的配位环境和氧的堆积方式，层状氧化物可分为O3、P3、P2、O2等，其中O3型材料和P2性材料的发展前景较好。O3型材料(如NaNiO2、NaFeO2、NaCrO2等)具有更高的钠含量，能量密度更高，但由于钠离子迁移的扩散能垒高，故其循环寿命较差。P2型材料(如Na2/3Ni1/3Mn2/3O2、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2等)循环寿命较好、空气稳定性较高，但比容量略低。布局企业包括中科海纳、宁德时代、钠创新能源和Faradian等。
(2)聚阴离子：具有稳定的框架结构，使得该类材料具有优越的热稳定性、循环寿命和安全性，但大质量的阴离子基团较多，导致材料的导电性和比容量较差，且能量密度较低，适宜在混动车、不间断电源等领域应用。常见的聚阴离子材料有硫酸铁钠、磷酸铁钠、磷酸钒钠、氟磷酸钒钠、焦磷酸盐等。其中硫酸根比磷酸根电负性强、工作电压更高，且硫酸盐系材料具有低成本的优势，但其易吸潮分解使得材料的循环寿命比较差。钒基聚阴离子材料具有较高的工作电压(3.4~3.8V)和较高的理论比容量，但由于钒成本较高且具有毒性，削弱了其作为钠离子电池材料的性价比优势。布局企业包括众钠能源、钠创新能源和Naiades等。
(3)普鲁士蓝类：发展较晚，成本最低，能量密度较高，开放三维结构利于钠离子脱嵌，安全性、倍率性好，但制备过程中难以控制配位水，导电性和循环寿命较低，合成条件苛刻，且氰化物具有潜在毒性，目前主要的制备方法是共沉淀法和水热法，更适用于大规模推广的场景，例如储能电站。布局企业包括宁德时代、星空钠电和Natron Energy等。
层状氧化物是目前研发进展最快的正极材料，有望率先实现量产。中科海纳作为聚焦层状氧化物正极材料的代表公司，在技术研发方面进展迅速。层状氧化物的研发主要需要克服复杂结构演变、不可逆相转变、传输动力学差、空气稳定性差等关键科学问题。中科海钠在国际上首次发现Cu2+/Cu3+氧化还原电对在含钠层状氧化物中高度可逆。基于此，公司设计和制备出低成本、环境友好的Na-Cu-Fe-Mn-M-O层状氧化物正极材料(铜铁锰皆为廉价金属)，该正极材料的专利已经在中国、日本、美国、欧盟获得授权。
(2)负极材料的改进：软碳、硬碳优劣不一
碳基材料中首选无定形碳材料。目前可以作电池负极材料的碳基类材料主要包括石墨类碳材料和无定形碳(硬碳和软碳)材料。在锂离子电池负极中常用的石墨材料，由于热力学原因，无法与钠离子形成稳定的化合物，因此钠离子电池难以使用石墨作为负极材料。碳纳米材料主要包括石墨烯、碳纳米管等，依靠表面吸附实现钠的存储，可实现快速充放电，但存在库仑效率低、循环性差等问题使其难以获得实际应用。层间距较大的无定形碳材料因具有较高的储钠容量、较低的储钠电位和优异的循环稳定性，成为最具应用前景的钠离子电池负极材料。
无定形碳材料中首选硬碳材料。在碳基材料中，相比于石墨等软碳材料而言，硬碳材料无法石墨化。硬碳材料的碳层排列规整度低于软碳材料，其层间可以形成较多的微孔以方便钠离子的脱嵌。硬碳材料具备储钠比容量较高、储钠电压较低、循环性能较好等诸多性能优势，同时具备碳源丰富、低成本、无毒环保等优势，与石墨电极相比，在冷启动和快速充电模式方面也更具优势，是当前首选的钠离子电池负极材料。
硬碳作为负极材料时也存在部分缺点，如电极电位低、首圈库伦效率低和循环稳定性差等，这对硬碳基负极材料的产业化应用造成了障碍。虽然对硬碳材料的储能机理有待进一步确认，但是关于硬碳储钠性能的提升策略已经呈现了共通之处。硬碳材料储钠性能(倍率、比容量、首圈库伦效率)提升的策略主要集中在以下几个方面：通过调控前驱体的合成及热解过程调控硬碳的孔隙结构和层间距；与其他材料的包覆和复合、杂原子掺杂等来调控材料的缺陷程度和层间距；电解液的调控和预钠化的处理。
(3)电解液：溶剂类似，差异点在于钠电池主要采用六氟磷酸钠
钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液类似，可以沿用现有锂离子电池的部分生产装备与技术。NaPF6和NaClO4是最常被研究的两种钠盐。NaPF6直至300°C几乎没有质量损失，PC基(碳酸丙烯酯)电解液中导电率最高。由于其合成原理与LiPF6相似，在制造工艺方面可以与目前的锂离子电池制造工艺和设备兼容，成为了钠离子电池电解液的主流方向。NaClO4拥有离子迁移速度快、热稳定性强、成本低等优势，但含水量高、易爆炸和高毒性等不足影响了其实际应用。相对于传统的钠盐NaPF6和NaClO4，含氟磺酰基团的钠盐(NaTFSI，NaFTFSI，NaFSI等)具有较高的热稳定性和无毒的特点，但是由于其阴离子对于铝箔集流体具有腐蚀作用，所以很少被当作单独的钠盐来使用。
1.3成本：量产后将具有突出的材料成本优势
当前钠电芯的材料成本约为0.427元/Wh，磷酸铁锂电芯的材料成本约为0.627元/Wh，当碳酸锂价格降低至20万元/吨时，磷酸铁锂电芯的材料成本与钠电芯的材料成本相当。考虑到制造工艺和设备十分相近，假设钠电池产业链成熟后，与锂电池的单位制造成本相同，因此主要对比二者的材料成本。按照目前的材料价格和单耗，我们估算钠电芯的材料成本约为0.427元/Wh，其中正极材料、负极材料和电解液占据较高比例；当大规模量产后，假设材料能量密度提升带来单GWh材料消耗量、产业发展成本降低带来售价的下降，我们估算产业成熟后，钠电芯的材料成本约为0.285元/Wh；在目前碳酸锂价格约为50万元的情况下，磷酸铁锂电芯的材料成本约为0.627元/Wh；当碳酸锂降价30万元/吨至20万元/吨时，我们计算得到磷酸铁锂电芯的材料成本约为0.438元/Wh，与目前钠电芯的材料成本相当。
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