备注

储能深度系列:钠离子电池,锂资源不足的新解法

碳中和带动全球新能源汽车及储能电池在较长周期内持续快速增长。锂电池的供需关系和经济性成为市场发展的主要影响因素。短期内,锂电上游材料产能不足是主要约束,而锂资源分布与需求错位是长期发展的主要限制。随着钠离子电池关键技术的突破及储能需求的快速增长,我们认为其应用场景和规模也将得到快速发展。我们认为,钠离子电池以其低成本、高安全性及其他优异电化学属性等,在储能、商用车以及部分乘用车中的应用空间广泛,将与锂电池搭配,成为锂资源不足的有效补充。

摘要:

钠离子电池应用的关键问题逐渐被攻克,部分性能指标与锂电媲美。钠离子电芯单体能量密度可达140-160Wh/kg,接近LFP水平;从快充和低温性能来看,头部厂商钠离子电池产品在充电15分钟的情况下就能达到80%的容量,在零下20℃的低温环境下,仍能保持90%以上的放电保持率。

逆全球化的趋势、锂资源分布与电池制造中心的背离,引发锂电供应失衡。根据USGS数据,2021年全球探明的锂资源总量约为8900万吨,可开发储量仅占探明资源总量的24.7%,其中超过一半(53%)的可开发储量位于南美洲,其次为澳大利亚约26%,中国锂资源可开发储量仅占全球的7%。锂矿产区较为集中,绝大部分的产量来自于澳大利亚(55%)、智利(26%)和中国(14%)三国。锂电产业的制造中心则主要集中在亚洲,其次是欧、美。钠资源分布广泛,低成本潜力将是其最大优势之一。

二次电池应用场景逐步丰富,需求多样性促使钠离子电池应用快速商业化。随着储能及新能源乘用车、商用车等电动化的普及,不同场景对成本、能量密度、快充能力、循环寿命、安全性等要求各异,形成了“锂离子”、“钠离子”、“钠离子+锂离子”多种组合方案以更好的适用于需求。

风险:

钠离子电池技术开发不及预期,储能及新能源汽车需求不及预期。 

正文:

锂:资源约束几何?

1、短期来看,供需错配之下,锂价快速上行

新能源车渗透率快速提升拉动锂价大幅向上。根据中汽协数据,中国新能源车渗透率从2020年平均的5.8%提升到2021年15.3%,对应中游正极材料来看,三元、铁锂分别同比增长99%和189%,拉动上游锂盐需求快速增长,而由于锂资源扩产周期大幅长于下游扩产速度,供不应求之下锂价呈现波动上涨趋势,截至2022年5月20日,碳酸锂、氢氧化锂价格分别较2020年低点的4.0和3.85万元/吨上涨960%和1082%至44和45.5万元/吨,进而推升电池成本大幅攀升。

图表1:中国新能源车及锂价复盘
资料来源:GGII,亚洲金属网,鑫椤锂电,中汽协,中金公司研究部
   

2、长期来看,锂资源的分布、生产和需求的区域差异大幅背离

锂供给的风险本质是全球分布不均匀。锂矿资源的富集区——锂三角(玻利维亚、阿根廷、智利)对外态度各异,实际开采比例有限。锂矿供给格局集中,而锂离子电池的主要产能集中在亚洲,中国高品质锂矿资源相对稀缺,主要作为补充产能,全球占比较低。从结构来看,2020年全球90%以上的已探明锂储量分布在海外,国内锂资源中卤水型锂矿占比90%,进而导致国内锂资源80-90%依靠进口,在锂供给结构差异和逆全球化趋势影响下,我们认为锂电池的成本有望呈现波动上升趋势。

图表2:全球锂资源探明量和可开发储量的空间分布(2021年)
资料来源:USGS,中金公司研究部(注:图中数对代表探明储量和可开采量)
 

锂资源可开发储量有限、且分布不均。截至2022年1月,全球探明的锂资源总量约为8900万吨,可开发储量约为2200万吨、仅占探明资源总量的四分之一。其中超过一半(53%)的可开发储量位于南美洲,分布在智利(42%)和阿根廷(10%)等地;澳大利亚的锂资源可开发储量位列第二,约占全球总量的四分之一;此外,中国锂资源探明量和可开发储量分别为510、150万吨,仅占全球的6%和7%。

锂资源产量大幅提升,产区较为集中。2021年全球锂资源产量约为10万吨(不含美国),较2020年增长21%、是2010年的近四倍,增幅显著。其中,绝大部分的产量来自于澳大利亚(55%)、智利(26%)和中国(14%)三国,产区较为集中。锂资源产量大幅提升,主要贡献来自于澳大利亚;其产量从2010年的9260吨逐步提升至2021年的5.5万吨,贡献率增长22个百分点。此外,玻利维亚虽然位列锂资源探明总量第一,但其政府对锂资源开发监管较强、且自身开采技术有限,其锂矿资源目前尚未大规模开发。

锂供给格局集中,中国高品质锂矿资源相对稀缺,主要作为补充产能,全球占比较低。根据USGS数据,2021年中国锂资源储量约占全球的6%,其中以青藏高原的盐湖卤水型锂资源占比约为79%,优质的硬岩锂矿资源相对稀缺。而从锂资源的供给来看,格局也十分集中,根据Plibara数据,澳洲+南美锂矿2020年供给占比约79%,中国锂矿和中国盐湖供给占比约20%,到2025年中国锂矿和中国盐湖供给占比有望维持20%的占比。

近年来锂产量波动明显,长期来看供需偏紧。全球电动车市场的发展带动锂资源需求的快速增长,2015-2018年锂资源产量的年均复合增速达到74%,2018年产量达到9.5万吨。由于供过于求,锂价大幅跌落导致全球产量下滑,2019和2020年产量同比下滑9.5%、4.1%。2021年以来,电动汽车渗透率快速提升带动锂价持续上涨。但从中长期来看,考虑到开发难度和扩产周期等,未来锂资源的供给增速将落后于需求增速,我们预计长期来看锂市场仍然有望维持供需偏紧的格局。

图表3:全球锂金属产量
资料来源:USGS,中金公司研究部
   

3、终局来看,何时出现锂电供应缺口?

短期来看(2021-2025)锂电池和材料的扩产周期和锂矿的扩张周期错配导致全球供需格局持续偏紧;长期来看(2025-2030)锂分布、生产、需求重心的区域差异导致锂电池仍然存在缺口。

(1)2021-2025:受制于扩展周期,全球锂供需仍将持续趋紧

锂的主要下游包括动力、储能、消费类电池以及陶瓷、玻璃等传统工业,根据中金有色组统计预计2022-25年全球锂的需求有望从76.9万吨LCE增长至163.3万吨LCE;而从供给端来看,一方面,具备开发经济性且高品位的锂矿资源较为稀缺,另一方面锂电中游材料扩产周期多在0.5~2年左右,电池扩产则在0.5~1年左右,而锂矿的扩产周期往往在4年左右大幅超过下游扩产周期,锂供给持续呈现供不应求的状态。此外若考虑锂电回收供给,则全球锂供给有望从74.2万吨上升至175.4万吨,根据中金有色组的测算2022-2025年的全球锂供需平衡分别位-2.7万吨、+1.9万吨、+5.4万吨、+12.1万吨。

图表4:锂供需平衡测算
资料来源:Marklines,USGS,中金公司研究部  
 
图表5:全球锂供给测算
资料来源:USGA,公司公告,中金公司研究部
 

(2)2025-2030:中国将出现锂矿供应的硬缺口

我们预计到中国锂供给将在2030年之前出现“硬”缺口,发展钠离子电池是资源约束下的较优解法。考虑到新能源车为碳酸锂的主要下游应用,我们通过比对中国已探明锂储量在不同开发利用率水平下对于新能源车保有量的支撑水平进而测算锂资源硬约束的时间位置,在100%可开采锂矿利用率的极端假设下,我们认为到2030年中国将出现锂供应的硬约束。此外考虑到储能、消费、工业需求等的快速发展,我们认为2030年的硬约束或将提前到来。

需求端来看:根据公安部数据,2021年底我国新能源车保有量以及达到784万辆,约占全球40~50%,而根据世界能源署的预计,到2030年全球新能源车保有量将达到3.81亿辆。考虑到美国等海外市场持续加码新能源车市场,我们预计海外新能源车销量占比或将有所上涨,我们假设到2030年中国新能源车保有量约为50%、35%、25%,对应2030年全国新能源车保有量约为1.9亿辆、1.3亿辆和0.95亿辆。

图表6:中国新能源汽车保有量及同比增速
资料来源:万得资讯,中金公司研究部
 
图表7:中国汽车保有量及同比增速
资料来源:万得资讯,中金公司研究部
 

供给端来看:根据USGS数据,2020年我国可开采金属储量约为150万金属吨。我国锂矿以盐湖卤水型锂矿为主,占比达到80%左右,主要分布在青海、西藏、四川、江西等地,但也存在盐湖锂含量较低,镁锂比较高,开采条件差等问题,而硬岩型锂矿主要分布在江西和四川,但锂云母品位偏低、环保风险较高整体利用率仍然偏低。基于此我们对有效开采率进行情景假设,仅从新能源车保有量角度测算锂的供需平衡时间位置。

情景假设1:有效开采率100%情况下。我们假设单车带电量为70KWh,根据正极材料体系的差异单车碳酸锂消耗约为34~50kg,在极端情况下,假设已探明的可开采锂资源可以100%有效开发利用,则可以支撑1.83亿辆新能源车的碳酸锂需求。

情景假设2:有效开采率70%情况下,支撑1.28亿辆新能源车保有量碳酸锂需求。

情景假设3:有效开采率50%情况下,支撑0.91亿辆新能源车保有量碳酸锂需求。

图表8:中国锂储量对于新能源汽车保有量支撑测算
资料来源:USGS,World Energy Transitions,万得资讯,公安部,中汽协,乘车联,中金公司研究部(注:World energy transitions 2022 outlook中预计2030年全球新能源车保有量约为3.81亿辆)
 

钠:替代可行性几何?

1、核心参数来看,目前钠锂各有千秋,长期钠有望分庭抗“锂”

目前来看,钠离子电池在低温、安全、快充等性能指标上表现优于锂离子电池,而能量密度、循环寿命等仍有提升空间,但考虑到钠的材料来源丰富,我们认为钠离子电池凭借成本优势仍然具备较大的发展潜力,长期有望分庭抗“锂”。

图表9:钠离子vs锂离子电池现状对比
资料来源:GGII,中金公司研究部
 
   图表10:钠离子vs锂离子电池潜力对比
资料来源:GGII,中金公司研究部
 
  图表11:各家钠离子电池的主要参数对比
资料来源:GGII,公司官网,中南大学,中金公司研究部(注:宁德时代数据为第一代钠离子电池)
 

1.能量密度:钠离子电池能量密度低于锂电池,主流企业钠电池能量密度可以达到160Wh/kg。与锂离子电池类似,钠离子电池的能量密度同样取决于正极环节。而单个锂离子和钠离子带电量相同,由于钠离子摩尔质量是锂离子的3倍、直径是锂离子的1.3倍,导致钠离子电池理论质量比容量和体积比容量小于锂离子电池。对比来看,磷酸铁锂单体的能量密度主要分布在160Wh/kg左右,而国内外主流钠离子电池企业的能量密度在50-140Wh/kg,2021年7月宁德时代发布的第一代钠离子电池能量密度达到160Wh/kg,此外宁德规划的第二代钠离子电池能量密度公司预计做到200Wh/kg。我们预计随着钠离子电池的规模化应用,在部分低速车、商用车、储能、数据中心等领域钠离子电池将逐步占据一定市场份额。

2.循环寿命:钠离子电池循环次数仍有待提升。负极表面形成的SEI膜具有允许钠离子迁入而组织溶剂分资通过的特性使得电池循环稳定且可逆地进行,但钠离子体积较离子更大,在嵌入脱出的过程中会导致结构发生变化,循环性能不稳定。目前而言常见的钠电池循环寿命在3000次左右,较磷酸铁锂电池3000-6000次的循环寿命仍有一定差距。我们也看到美国Natron energy采用面心立方结构的普鲁士蓝材料开发的高倍率水系钠电池循环寿命达到一万次,但其能量密度仅为50Wh/kg,生产工艺也更为复杂。整体而言钠离子电池的循环寿命仍有待提升,对比三种主流的钠离子正极材料的循环寿命来看,普鲁士蓝>聚阴离子>层状金属氧化物。

3.快充性能:钠离子电池优于锂电池。快充性能的本质是指电池的充放电倍率,主要由钠离子在正负极、电解液以及界面处的迁移能力决定。其中电解质的离子导电率取决于盐的解离程度、溶剂黏度及钠离子和相应阴离子的迁移数。目前钠离子电池和锂离子电池大多采用类似的有机液体电解液体系,电解液离子传输性能差异主要由阳离子的去溶剂化能决定。阳离子的去溶剂化能随离子半径的增加而降低,Na+<li+<mg2+;因此,钠离子电池离子迁移速度和电极界面反应快,快充性能优于锂离子电池。

  图表12:钠离子电池和锂离子电池正极材料比容量
资料来源:Usiskin R , Lu Y, Popovic J, et al. Fundamentals, status and promise of sodium-based batteries[J]. Nature Reviews Materials,中金公司研究部
 
  图表13:不同放电倍率下钠离子和锂离子电池容量差异
资料来源:Usiskin R , Lu Y, Popovic J, et al. Fundamentals, status and promise of sodium-based batteries[J]. Nature Reviews Materials,中金公司研究部
 

4.低温性能:钠离子电池同样具有更优的低温性能。在低温环境下,钠离子电池电解液/电极界面膜阻抗和电荷转移阻抗的增大、以及钠离子在正负极中迁移速度的降低,与锂离子电池相比变化较小。因此,钠离子电池在低温环境下电池实际可用容量以及充放电倍率较锂离子电池更高。

5.安全性能:钠离子电池安全性更高。与锂离子电池只存在一个平台电压不同,钠离子电池在充放电过程中存在多个平台电压,降低电池过充或过放风险。此外,钠离子电池较锂离子电池具有更高的电导率,意味着电池内阻较低,在电池运行过程中不会产生或多的热量,因此较锂离子电池具备更高的安全性能。

6.成本:钠离子商业化仍未成熟,降本空间可期。从成本来讲,钠电池的成本优势主要体现在正极/电解液(元素丰度更高的钠)、负极(成本更低的无烟煤制备)以及集流体(铝箔价格更低)的材料降本,我们预计钠离子电池的原材料成本下降空间约30%-40%左右。现阶段,产业链成熟度较低,样品成本在0.7-0.8元/Wh,未来技术进一步成熟,规模进一步扩大后,理论上可降至0.2-0.3元/Wh。

  图表14:钠离子电池与锂离子电池对比(2021年)
资料来源:胡勇胜等《钠离子电池科学与技术》(2020年出版),CIAPS,SMM,中国镍钴网,万得资讯,中金公司研究部
 
图表15:钠离子电芯成本拆分(2020)
资料来源:胡勇胜等《钠离子电池科学与技术》(2020年出版),中金公司研究部
 

当在储能或其他商业运营场景中,评价锂离子电池或钠离子电池的经济性指标为LCOS(平准化的充放电使用成本),即充放单位电能所产生的成本,单位是“元/度”或“美元/千度”。LCOS的高低主要取决于:建设成本、循环寿命和系统效率。当前钠离子电池的循环寿命约为2000-3000次左右,长期来看,随着技术的进步和补钠技术的应用,其寿命可与锂离子相当,达10000次循环寿命。

图表16:钠离子电池成本及循环寿命预测
资料来源:GGII,中金公司研究部
 

2、站在“巨人”的肩膀,钠电池的产业化之路更为顺畅

钠离子电池与锂电池在工作原理、生产制造工艺、设备兼容、应用场景等较为相似,后发优势之下产业化之路更为顺畅。

原理:钠离子电池的工作原理与摇椅式锂离子电池类似,本质都是一种浓差电池,钠离子电池的研发和生产均可借鉴锂离子电池技术。

工艺&设备:同锂离子电池类似,钠离子电池的生产制造工艺也主要包括极片制造(正负极搅拌制浆料-烘干-涂敷等)和电池装配(混料-涂布-辊压-模切-叠片-封装-化成等),主要区别在于钠离子电池可采用铝箔作为负极集流体,因此正、负极片可采用相同的铝极耳,极耳焊接等相关工序可以更加简化。因此,锂离子电池现有的电池组装生产线稍加修改即可用来生产钠离子电池,发展钠离子电池的重置成本很低。

图表17:钠离子电池工作原理
资料来源:Li Y, Lu Y, Zhao C, et al. Recent advances of electrode materials for low-cost sodium-ion batteries towards practical application for grid energy storage[J]. Energy Storage Materials, 2017, 7:130-151.,中金公司研究部
 
  图表18:钠离子电池制造工艺
资料来源:JPhys Energy,中金公司研究部
 

应用:钠离子电池的优势在于高安全性和高性价比,主要应用场景在储能领域,还可以同锂离子电池配对部分商用车和乘用车领域。究其根本,是在不同场景中寻求成本与能量密度、循环寿命、快充能力、低温性能、安全等众多参数的较优解。

复盘:钠电发展几经波折,我们再次站在行业的拐点

1、为何应用落后于锂离子?

钠和锂的研究几乎同时起步。作为相邻的同一主族元素,钠与锂电化学性质最为相近,钠离子和锂离子二次电池在上世纪七十年代几乎同时开展研究。起初主要是锂、钠金属作为电池负极、TiS2作为正极,而随着技术的逐步发展,嵌入化合物替代金属负极有效解决了锂枝晶的生长问题,层状金属氧化物代替TiS2有效提升了开路电压和电化学可逆性,大幅改善电池容量和循环性能,至此锂钠仍处于同一起跑线。

负极材料上的突破,使得锂电池率先进入商业化阶段,而对能量密度的重视也使得锂电池的研发应用持续领衔。软碳、石墨等碳基材料氧化还原电位低且具备良好的嵌锂特性,以其作为负极的锂离子电池具有较高的能量密度,自1991年起,锂离子电池开始实现商业化发展,在消费类电子产品中广泛应用。然而,软碳、石墨的嵌钠能力较弱,钠离子电池发展因此受到阻碍,负极成为其商业化应用的瓶颈。而直到2000年,低电压、高容量硬碳材料的发现克服了负极发展瓶颈,带来室温钠离子电池商业化的可能性。但由于早期阶段,消费类电池为主要下游应用领域,能量密度在电池开发的权重较高,钠离子的研发应用仍然相对受限。

二次电池需求持续扩大,让钠离子电池重新进入大众视野。随着4C类电子产品、电动车以及储能等终端应用的快速发展,二次电池的能量密度不再是唯一追求指标。锂、钴资源供给逐渐吃紧,部分电动车和储能具有较强的生产工具属性,经济性指标权重逐渐凸显。自2010年起,钠离子电池以其低成本潜力价值,重新获得众多研究机构的青睐。

2、钠离子电池发展的转折点在哪?

新技术的成熟演变过程可大致分为5个阶段,我们基于文献和专利的梳理,通过与锂离子电池技术的对比认为,目前钠离子电池正处于突破低谷进入复苏爬升期的拐点,钠离子电池技术的产业化应用即将进入成长期或早期主流期阶段。

图表19:基于文献的锂/钠离子电池技术成熟度曲线
资料来源:Web of Science,中金公司研究部
 
图表20:基于专利的锂/钠离子电池技术成熟度曲线
资料来源:Espacenet,中国知网,中金公司研究部
 

按技术成熟度曲线看,钠离子电池的发展已经历以下几个阶段:

1创新萌发期(2010-2012):即新技术的第一个上升阶段,主要由技术突破或新增需求引发市场关注度的加速提升;对于钠离子电池来说,此阶段的驱动力主要来自于对锂离子电池的替代需求。#2泡沫过热期(2013-2017):新技术的关注度和期望出现高峰,逐渐超出市场现实情况和技术实际能力。此阶段市场持续的高度关注推动钠离子技术发展,研究氛围活跃、部分厂商开始入场。

3行业低谷期(2018-2020):新技术由于自身短板,发展出现瓶颈、市场潜力不明朗,导致关注度和期望下滑;由于自身能量密度的限制以及锂离子电池的快速降本,钠离子电池的应用场景局限于储能、中低速车和电动两轮车等方面,导致市场期望的快速下滑、进入低谷期。

4复苏爬升期(2021-):第二个上升阶段,新技术成熟度的增高以及应用场景的完善带来的市场需求的提升,两者共同推动新技术产业化加速。

目前,钠离子电池正处于突破低谷进入复苏爬升期的拐点,我们预计产业化应用即将进入成长期或早期主流期阶段,出现左侧布局机会。

3、为什么储能加速了钠离子电池应用?

此前钠离子电池发展迟缓,主要由于其性能不匹配当时应用场景,错失前两次市场需求增长带来的机会。近两年来,储能作为新的应用场景开始出现,我们预计即将带来二次电池第三波需求的增长。储能场景的需求与目前钠离子电池产品产生契合点,带来钠离子电池产业化机会。

 图表21:二次电池的需求增长
资料来源:中金公司研究部
 

第一波需求高峰(消费类):2000年,计算机、通讯、数码家电以及网络产品等4C类消费电子市场规模的增长,带动对二次电池的第一波需求增长。

第二波需求高峰(动力电池类):2010年开始,电动车市场开始起量,带来二次电池的第二波需求增长,安全性能与循环寿命是对动力电池的基本要求。

第三波需求高峰(储能类):2021年开始,储能市场开始发展。对于大规模储电来说,首要因素是安全和成本,能量密度次之。

钠离子电池在能量密度方面出现突破,并具有成本较低、快充性能优异、低温性能以及安全性能良好等优势,适宜规模储电的应用场景。目前,钠离子电池产品能量密度最高已达160Wh/kg,接近磷酸铁锂电池水平,足够匹配储能系统对于电池能量密度的要求;满足高寒地区储能系统应用场景。此外,目前钠离子电池的性能和成本也能够匹配部分商用车以及中低速电动车等应用场景对其动力电池的要求,存在一定的替代需求。

展望:钠离子的应用空间有多大?

1、钠离子电池在储能和动力应用的渗透潜力十足

钠离子电池的应用场景可分为储能电池和动力电池两大方面。总体来看,由于储能以及部分商用车等具备生产工具属性,其经济性指标权重逐渐凸显,钠离子电池的成本优势对其吸引力较强。因此钠离子电池在储能及部分商用车市场的渗透率有望达到更高水平。

2、储能电池

储能电池方面,钠离子电池渗透率:表前侧规模储电≈工商业储能>家储。表前侧规模储电和工商业储能对电池的能量密度要求体现在投影能量密度,而非体积和质量能量密度,且安全性、高功率性、使用成本(LCOS)是其主要衡量指标,因此钠离子电池具有较高的渗透潜力。家储产品因系统容量较小,且有高压趋势,对体积能量密度需求较高,渗透率相对较低。

3、动力电池

动力电池方面,我们认为在终端需求中充电便捷性是外生变量,而能量密度本质是对充电便捷性和单次充电里程的映射,若充电便捷性较高,单次充电里程需求较低,则对能量密度的容忍度也会更高,对钠离子电池的接受度也会更高。

图表22:钠离子电池渗透潜力评价指标
资料来源:中金公司研究部(注:实心星形代表便捷性水平)
 

乘用车方面,钠离子电池渗透率:A0或A00级>A级>B级以上。A0或A00级平均单次充电里程要求较低、单车配电在10-20KWh,车身空间较为充裕,对动力电池能量密度要求较低;且一般使用家用充电桩即可完成充电,充电便捷性高,因此钠离子电池渗透率相对较高;A级车平均单次充电里程在300-400公里、配电量水平和充电便捷性中等,钠离子电池渗透率低于A0或A00级车;B级及以上乘用车单次充电里程在400公里以上,整车配电量较高,对动力电池能量密度要求较高;其充电便捷性与A级车大致相同,采用家用和公共充电桩完成充电,综合来看钠离子电池渗透率相对较低。

商用车方面,钠离子电池渗透率:公交≈叉车或AGV>客运或微面/轻卡>重卡。公交用于城市载客,路线的发送端固定、其充电较为便捷,日营运里程在50-150公里之间,总体来说对配电量要求较低,钠离子电池渗透率相对较高;叉车或AGV使用场所相对固定、充电较为便捷,平均单次充电里程要求较低、一般在40公里左右,对电池能量密度要求较低,钠离子电池渗透率较高;客运线路不定,一般单趟行程在150-200公里,其对配电量的需求高于公交、充电便捷性则略低于公交,钠离子电池渗透率也相对较低;微面/轻卡一般用于城市配送,路线发端固定、送端不固定,平均单次充电里程在80-150公里,配电量需求略高于公交、但充电便捷性较低,其钠离子电池渗透率低于公交;重卡行驶里程最长,单次充电里程达200公里以上,配电量需求最高;且其对充电桩要求较高,充电便捷性最低,因此钠离子渗透潜力相对较低。

(1)钠离子电池面临的挑战

虽然钠离子电池拥有成本优势,但其产业化方依旧面临较大的挑战:

材料体系尚未完全确定,产业链尚未成熟:钠离子电池处于多种材料体系并行发展状态,正负极材料体系以及与之相匹配的电解液体系的性能仍待进一步提升,对于核心正负极等活性材料规模化渠道供应依然缺失。

能量密度较磷酸铁锂更低:与锂离子电池相比,能量密度还较低,单位能量密度下的非活性材料用量占用的成本会有一定增加,导致整体成本优势不明显。

制造工艺不成熟:钠离子电池虽然可参照锂离子电池的设计和生产工艺,但集流体变化带来的产品设计、极耳制作、化成工艺等与锂电池仍有一定区别,需进一步完善生产工艺。

BMS需重新开发设计:钠离子电池的工作电压上下限与锂离子电池不同,且拥有较强的过放电忍耐能力,电池管理体系(BMS)需要重新开发设计。

(2)钠离子电池总体市场规模预测

我们预测钠离子电池目前仍处于产业化初期,并将通过几个阶段实现逐步渗透:

产业化初期(2022-2025年,渗透率5%以下):主要投向使用程度较浅且空间要求不高的小型储能站或小型BEV(A0级或A00级),通过实际应用场景完善工况测试、失效机制和极端条件下的性能边界测试,并进一步完善产业链,推动使用成本的快速下降。

快速发展期(2025年之后):储能市场逐渐成熟,钠离子技术日趋成熟并形成一定规模化,电芯成本有望将至0.4元/Wh,其在特定场景中的应用性价比逐步超越锂离子电池,但对于超长寿命的场景应用渗透率依然较低。

我们预计到2025年全球钠离子电池需求规模约为67.4GWh,渗透率达到3.5%,从结构上来看,我们认为到2025年储能的表前市场有望成为最大的下游。我们假设未来汽车车型销量结构与2021年情况一致,根据我们的测算,2025年钠离子电池整体渗透率预计达到2.3%;其中表前侧储能应用规模最大,约为24GWh,占钠离子电池市场总体规模的45%。乘用车方面,虽然A0和A00级车钠离子电池渗透率最高,但因采用2021年销量结构进行测算、受其市场总体规模限制,钠离子电池在A0和A00级车中应用规模较小;由于A级乘用车在新能源车总体销量中占比较高,其钠离子电池应用规模占钠离子电池总体规模的18%,是继表前侧储能后第二大的细分应用市场。

图表23:钠离子电池渗透率和市场规模预测及2025年钠离子电池应用场景拆分
资料来源:中汽协、乘车联、万得资讯,GGII,鑫椤锂电,艾瑞咨询,中金公司研究部
 

钠离子电池材料体系与锂电池基本一致

钠离子电池结构与锂离子电池结构相似,主要以正极、负极、隔离膜、电解液以及集流体等组件构成。

正极:正极可选材料路径较多,部分已经实现商业化

目前主流的钠离子正极材料可分为三大类。正极材料直接影响带电池能量密度、循环寿命以及安全性能等。常见的正极材料有过度金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝及其类似物,整体而言第一种主要是层状材料,具有阴离子密堆或准密堆结构,阴离子簇间的交替曾被具有氧化还原性的过渡金属离子占据,钠离子则嵌入剩余簇间空位。而聚阴离子型化合物和普鲁士蓝及其类似物则具有更为敞开的结构。

图表24:钠离子电池正极材料
资料来源:Usiskin R , Lu Y, Popovic J, et al. Fundamentals, status and promise of sodium-based batteries[J]. Nature Reviews Materials,中金公司研究部
 

负极:硬碳为首选材料

区别于锂电池以石墨负极为主,钠电池负极主要采用硬碳。钠离子摩尔质量是锂离子的3倍、直径是锂离子的1.3倍,进而导致钠离子无法在有效的电位窗口内在石墨层间进行可逆的嵌入脱出,同时钠离子-石墨嵌入的化合物在热力学上也并不稳定,容易形成NaC64。而相比于石墨等软碳材料而言,硬碳材料无法石墨化且碳层排列规整度低于软碳,层间形成了较多的缺陷和微孔进而方便钠离子的嵌入和脱出,且具备储钠比容量高、较低储钠电压、循环稳定等优势,是当前首选的负极材料。

图表25:钠离子电池负极材料对比
资料来源:Usiskin R , Lu Y, Popovic J, et al. Fundamentals, status and promise of sodium-based batteries[J]. Nature Reviews Materials, 中金公司研究部
 

电解液:与锂电池电解液体系相似

钠电池的电解质与锂电池相似,包括水系、有机系和固态三类,钠盐与锂盐成分有所差异,目前钠离子电池常用钠盐有:

NaPF6(六氟磷酸钠):电化学稳定性优于六氟磷酸锂,在PC基(碳酸丙烯酯)电解液中导电率最高;但较高的价格和轻微的毒性影响其实际应用。

NaClO4:拥有离子迁移速度快、兼容性好、成本低等优势,但其含水量高、易爆炸和高毒性等不足影响其实际应用。

图表26:钠离子电池主要电解液体系及其性能
资料来源:Usiskin R , Lu Y, Popovic J, et al. Fundamentals, status and promise of sodium-based batteries[J]. Nature Reviews Materials,中金公司研究部
 

集流体:正负极集流体均可采用铝箔

钠在室温下不与铝发生合金反应,因此钠离子电池的正负极均可采用铝箔作为集流体,可以进一步降低钠离子电池的成本。

补钠剂:有效提升电池库伦效率

从全电池的角度来看,钠离子电池有更多正极材料消耗在首次充放电的钠损失上,造成全电池能量密度的下降,其库伦效率较低。从微观结构来看,不同于锂电池光滑平整的SEI膜,钠离子电池SEI膜大多粗糙且不均匀,循环过程中多伴生电解液分解。此外钠离子由于半径较大,在负极碳层之间嵌入、脱出也更为困难,且硬碳材料中缺陷与含氧官能团的“陷阱效应”也造成不可逆的钠损失。而补钠技术可以有效提升钠离子电池的容量和首次库伦效率,常见的补钠方法有正极补钠[1](在正极添加富钠物质,例如钠的氧化物、有机钠盐的复配物等)和负极补钠(钠粉添加剂、电化学预钠等,常见的添加剂有磷化钠等)。

投资建议

我们看好钠离子电池技术潜力和应用市场的高成长性,推荐产业链的核心环节:电池制造;同时推荐对钠离子电池中游的四大主材、集流体以及上游的锰材料:

电池环节:看好钠离子电池渗透率提升

我们认为钠离子电池相对锂离子电池在成本、安全性、低温属性上具备较明显的优势。国内锂电龙头企业凭借电池技术、资金以及供应链上的资源储备,具备较强的先发优势,并借助原有业务的客户渠道资源,有望成为钠离子应用的先锋部队,与锂电一起受益于全球储能需求增长和部分动力需求扩张的机遇。

四大主材:负极、电解液与锂电池差异较大

我们认为,钠离子电池工作原理、电池制备工艺与产业链结构锂离子电池类似,生产线在很大程度上能与锂离子电池共用。四大主材方面,正极制备技术差异不大、隔离膜基本沿用锂离子电池体系,我们看好目前锂离子电池市场中龙头及具备先发优势的企业。

钠离子电池负极和电解液技术较锂离子电池产生较大改变。负极方面,硬碳是目前最有应用前景的材料之一;采用无烟煤制备而成的硬碳成本低,作为钠离子电池负极材料具有较大优势。华阳股份拥有丰富的煤炭资源储备,子公司受让基金参股中科海钠、推动全球首套1兆瓦时钠离子电池储能系统投运。电解液方面,钠离子电池采用钠盐替代锂盐作为电解液溶剂。中盐化工拥有内蒙古和青海省的丰富盐湖资源,以及国内单套产能最大的氯酸钠生产线,具备钠盐的原材料和产业链规模优势。

我们认为钠离子电池较锂离子电池主材方面的异同将带来新的增长点,看好具备先发优势、资源禀赋和产业链规模优势的公司。

箔材:铝箔有望取代锂电池中铜箔地位

由于钠在室温下不与铝发生合金反应,相较于锂离子电池只有正极集流体能使用铝箔、负极集流体需采用铜箔,钠离子电池的正负极则均可采用铝箔作为集流体,考虑到应用铝箔可以实现减重8-10%,进而有效提升能量密度,我们认为钠离子电池的应有将进一步带动二次电池对于铝箔的需求。电池级铝箔对生产工艺要求较高、并且生产周期较长,率先布局产能的公司有望享受需求加速增长带来的业绩提升。

锰资源:锰基正极材料具有更大的应用潜力

钠离子电池正极主要为NaXMO2(M为Mn、Fe、Co等过渡金属)层状氧化物或者NaXM[M'(CN)6]的普鲁士蓝化合物,而在众多的层状氧化物和普鲁士蓝基材料中,锰基材料由于具有相对较高的工作电压,可以显著提升能量密度。从主流企业的技术路线来看,中科海钠、浙江钠创、宁德时代(第二代钠电池)都选择锰基正极材料。随着钠离子电池的逐步推广,我们认为锰有望成为锂、钴、镍之外的第四种电池金属。

风险提示

钠离子电池技术开发不及预期:1)材料:相比于锂电池材料体系相对稳定的格局,钠离子电池仍然处于多种材料体系并行发展的状态,正负极材料体系以及与之相匹配的电解液体系的性能仍待进一步提升。2)降本技术:此外规模化应用的设备、工艺技术等仍相对欠缺,虑到钠离子电池能量密度较低,且非活性物质成本占比有一定增加,若规模化生产的设备和技术进步不及预期,则将导致钠离子电池整体成本优势仍然不明显。3)BMS:钠离子电池的工作电压上下限与锂离子电池不同,且拥有较强的过放电忍耐能力,电池管理体系(BMS)需要重新开发设计。

储能及新能源汽车需求不及预期:目前各国仍然主要通过补贴提升储能经济性,加快电力市场改革以充分挖掘储能对系统的价值并传导到用户,若各国补贴政策、电力市场改革推进不及预期,市场配置储能的动力或将减弱。

[1]郭玉国,郭玉洁,殷雅侠,牛玉斌. 一种钠离子电池正极补钠添加剂、钠离子电池正极片及钠离子电池[P]. 北京市:CN111653744B,2021-11-02.

 

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