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钠离子电池行业深度报告目录1 .钠离子电池量产化在即32 .钠离子电池的构造决定其电化学性能42.1. 钠离子电池正极材料重要性显著52.2. 钠电池的主流负极材料是无定形碳92.3. 钠电池的集流器可以采用低成本的铝箔112.4. 钠电池隔膜可以与锂电池相同,电解液各异123 .钠电池目标市场小动力两轮车.储能，市场空间较大123.1. 钠电池成本低，性能好带来了产业化优势1232市场定位小动力、两轮车和储能市场，未来市场空间较大164 .各公司共同推进钠电池产业化发展174.1. 海外：欧美和日本是钠电池发展的主要推动国家174.2. 中国：创业公司和老牌电池公司共同推动顶尖技术研发195 .投资建议236 .风险提示241 .钠离子电池量产化在即钠电池随着产业化加速,量产在即。1979年法国的Armand提出了摇椅式电池的概念,开始钠离子电池的研究。随后Delmas和Goodenough发现了层状氧化物材料可作为钠电池正极材料，Stevens和Dahn发现硬碳材料作为负极有良好的钠离子嵌脱性能。2010年以来，钠电池的研发进程加速。2011年中科院物理所研究员团队开始了钠离子电池核心技术的研发，自此以后开发出低成本的电极材料。2017年国内第一家专注于钠离子电池研发和生产的公司中科海钠成立。2021年宁德时代成功举行了第一代钠离子电池线上发布会。2022年，中科海纳和传艺科技均预计2023年量产其钠离子电池。图1.2010年起钠电池发展提速2015 年18650规格钠离子电池被研发出来2021年工信部支持钠电怨发展2017年苜家钠电池公司成立20世纪80年代良好的钠电池正极材料破发现.2011年1979年低成本的电极材料据盗皤子和电解液被发现电池被提出数据来源：公开信息整理，财通证券研究所钠电池和锂电池均是摇椅式二次电池,是一种依靠离子在正负电极之间往返嵌入和脱出的二次电池,其中正极和负极材料均允许钠离子可逆地插入和脱出。在充电过程中，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，使正负极发生氧化还原反应，保证正负极电荷平衡；放电时则相反。电解质数据来源：国际能源网，财通证券研究所2 .钠离子电池的构造决定其电化学性能材料选择上，钠离子和锂离子存在较大差异，并间接导致成本差异较大。A正极方面，由于钠离子比锂离子半径大，导致其很难从层状正负极材料嵌入/脱出，因此钠离子正极材料在能量密度上有所欠缺，同时为了使钠离子更容易嵌入/脱出，相对应的正极材料选择也和锂离子电池有所差别；A负极方面，锂离子电池常用的石墨材料无法有效嵌入钠离子，需要更换材料，目前常见的是各类硬碳材料；A电解液方面，钠离子摩尔电导率更高，使得钠离子电池所需电解液浓度较低，对添加剂的要求也较低，从而带来电解液成本也较低。A隔膜方面，无较大差异；A集流体方面，钠离子电池正负极集流体均可以选用成本较低的铝箔，锂离子电池则需要正极集流体铝箔，负极集流体铜箔。由于材料选择的差异，其成本也有较大差异。根据中科海纳官网披露的数据，如果钠离子电池选用NaCUFeMno/软碳体系，锂离子电池选用磷酸铁锂/石墨体系，钠离子电池材料成本可降低30-40%o表1.钠离子电池和锂离子电池重要材料对比类别钠陶子电池锂离子电池正极层状氧化物类（中科海纳）、普鲁士蓝磷酸铁锂、三元（银钻镒锂不类似物（宁德时代）、聚阴离子化合物同比例）负极无定型碳（硬碳、软碳）石墨、硅碳隔膜PP/PEPP/PE电解液钠盐阴离子等（探索中）六氟磷酸锂、LiFSl等集流体铝箔正极铝箔、负极铜箔数据来源：公开资料整理，财通证券研究所图3.钠离子电池和锂离子电池成本对比注：，/电池一用NaCUFeMn（V注碳体系.理餐子电池选用候册¾理/石紧 数据来源：中科海纳官网，财通证券研究所钠离子 电池成本VS.锂离子 电池成本2.1. 钠离子电池正极材料重要性显著正极材料的电化学特性影响了整个电池的电化学特性。正极材料的理论能量密度就是电芯能量密度的上限，正极材料通过影响容纳钠离子的能力和传输通道的通畅性来影响钠电池的功率密度。同时，正极材料活性物质的损耗以及杂质成分会影响电池的寿命。目前，主流的正极材料主要包括过渡金属氧化物材料、聚阴离子类材料、普鲁士蓝类材料等。2.1.1.层状金属氧化物技术较为成熟过渡金属氧化物对储存条件要求较高，需要掺杂元素提升比容量。过渡金属氧化物可分为层状和隧道状，用NaxMeO2表示，其中Me包括Mn.Fe.Ni、Co等过渡金属元素，X为钠的化学计量数。金属氧化物合成方便、结构简单，原料来源广，但是钠离子在参与嵌脱反应的过程中由于离子半径较大，会引起氧层的滑移，造成材料结构不可逆的改变,影响循环性能。而且，材料易与空气中的水分反应，对储存条件要求较高。目前多使用元素掺杂诱导氧化还原反应来提高电池容量，减少嵌脱反应中结构的改变程度，构造人工界面包覆稳定晶体结构并提高电化学性能。图4.层状金属氧化物掺杂铁元素后比容增高图5.预嵌钠构造人工界面可增加电极材料（NaFeaSNiOs2）稳定性数据来源：<Excdlen(ComprehenU¼ePerforiiuinceofXa-BasedLayeredOiidcBcnt(ingfrom(heSyncrgctlcContributionsofMuItimetaIlots>Hu-Ron)>YaO等.财通证届研究所数据来源：（纳离子电池JB状*化物正极材料研究进展）金俊等，财通证券研究所层状金属氧化物热量高，合成方便，但稳定性较低。自1980年以来，锂离子层状氧化物一直是锂离子电池的主要正极材料，因而层状金属氧化物也得到了大家的关注。层状金属氧化物可以根据钠离子和氧形成的结构分为0型（八面体结构）和P型（三棱柱型1其中常见的03型钠离子含量高，电池容量高;P2型钠离子之间的层间距较高，传输速度和倍率性能较高。图6.P2金属氧化物可以滑移为02/OP4结构，稳定性低数据来源：钠离子层状化物材料相变及其对性能的即丁飞翔等，财通证券研究所隧道型氧化物稳定性更高，但可逆容量低，没有得到市场的关注度。由于存在八面体结构，材料的结构更加稳定，循环性能更好。但是由于材料中钠含量较低，可逆容量较低，市场关注度不高。数据来源：<Rationaldesignoflayeredoxidematerialsforsodiu-ionbatteries>QiDiUan等，财通证券研丽FaradiOn、中科海纳等公司使用层状金属氧化物为钠电池的正极材料。其中英国Faradion公司采用Mn-Ni-Ti-Mg四元层状氧化物作为正极材料，电池能量密度超过140Whkg,循环寿命超过3000次；中科海钠采用Cu-Fe-Mn三元层状氧化物正极材料，电池能量密度达到145Whkg;钠创新能源采用Fe-Ni-Mn三元层状氧化物，比容量超过13OmAh/g,能量密度约为130-160Whkgo2.1.2.普鲁土蓝类化合物比容量高，稳定性较低普鲁士蓝类化合物通过引入非活性金属离子或设计不同结构等方法提升电化学性能。普鲁土蓝类化合物用AxMAMB(CN)6zH2O表示，其中A为碱金属离子，MA和MB为过渡金属离子。其中过渡金属离子与鼠根形成六配位,形成较大的三位多通道结构，有利于钠离子的嵌脱反应，所以有较高的比能量。但是普鲁土蓝类化合物热稳定性较差，电池工作过程中产生的热量会使材料分解且材料制作过程中形成的结晶水可能导致材料的晶格结构破坏造成安全问题。目前通过引入非活性金属离子或者Cydenumber数据来嬴(掺杂对钠离子电池正极材料性能影8»机制的研丽丽M 财通证券研究所图8.普鲁士蓝类化合物比容较高，稳定性较低立方相设计不同的结构等方法可以保持材料的结构稳定性,提高电化学性能。KKHBtX-MOL,财通证券研究所目前星空钠电和宁德时代都采用了普鲁土蓝化合物作为正极材料。其中宁德时代于2021年发布的钠离子电池，电芯单体能量密度达到了160Whkg,为目前全球最高水平,具有良好的快充性能,在常温下充电15分钟，电量可达80%;也具有良好的低温稳定性，在零下20低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。2.1.3.聚阴离子类化合物稳定性较高，比容量较低聚阴离子类化合物结构较稳定。聚阴离子化合物用NaxMy(XOm)n-z表示，其中M为可变价态的金属离子；X为P、S、V、Si等元素。聚阴离子化合物主要是多面体框架连接而成,共价键较强因而抗氧化性能高,结构稳定，循环性能较好，但由于阴离子较多，比容量和导电性偏低，且常用的钢元素价格较高，材料成本较贵。目前多使用离子掺杂来提高电池倍率能力，调节脱嵌钠的电化学性能；使用聚合物包覆提高聚阴离子化合物的比表面积，从而提高电池的导电性和容量。MKKR:敏K学人,财通证JWff究所MME*:<oardscnhunccdsodiumni211i>nof（he1.iiondopingandrcumncmcnfmechanisminn5V2（P04）3forsodiumIonbaUerks>Xi三oM9>财通证券研究所目前使用聚阴离子类化合物为正极材料的公司相对另外两种材料而言较少。众钠能源和高博能源使用钢基聚阴离子化合物作为电池的正极材料,广州鹏辉科技公司使用磷酸盐类钠正极做出了钠离子电池样品。其中众钠能源全体系电芯能量密度为120-160Whkg,循环性能可以达到2000-10000圈,且可以在零下20。C正常工作。基于以上分析可以知道钠电池常用正极材料的特性。其中普鲁士蓝类化合物可逆容量（120-14OmAh/g）和比容量较高;聚阴离子类化合物材料能量密度、稳定性和循环次数（2000次）较高；层状金属氧化物全寿命周期成本较高。表2.钠电池常用正极材料的特性层状金属氯化物普鲁士蓝类化合物聚阴离子型化合物可逆容量（mAh/g）100120-140120比容量中高低材料能量密度低中局结构稳定性中低高循环次数（次）I(XX)6002000倍率性能低中高全寿命周期成本中低低数据来源：高工锂电，财通证券研究所2.2. 钠电池的主流负极材料是无定形碳可以用作钠电池负极的无定形碳主要分为硬碳和软碳。其中在2500以上的高温下能石墨化的为软碳，在2500以上的高温下不易石墨化的为硬碳。无定形碳储钠能力好、可逆比容量高、循环性能好，商业化趋势明显。同时软碳和硬碳都可以通过原子掺杂提高材料的层间距,制备纳米结构碳材料缩短钠离子扩散途径等方式提高电化学性能。SPeeifiC CaPaCity (mAh gT)图12.硫掺杂硬碳负极材料可以提高比容量s> >)6e=o>数据来源：MaterialsNiew5,财通证券研究所软碳导电性较好，不可逆容量较高。软碳的结构规整程度较高，导电性较好，原材料丰富，成本低。但是钠离子在发生嵌脱反应的时候容易引起层间距的改变，所以首次充放电的不可逆容量较高。且软碳在高温下容易石墨化，层间距会减小，降低材料的储钠能力。硬碳比容量和首次充放电效率优于软碳，成本也高于软碳。硬碳的分子结构主要是随机排列，内部可以储存钠离子的空间较大，比容量高，可达到350mAhg以上。但由于加工要求更为严格,开发成本高于软碳，且倍率性能较差，首周库伦效率低。图13.