拓尔德简析钠离子电池深度研究报告

来源:【拓尔德TRD】 发布日期:2022-12-05 分享 加入收藏 关注:690

核心观点:

1.从本质上看,钠离子电池具备性能和成本优势,适用于储能、A00、两轮车等场景。性能方面,钠离子电池具备更优的安全性、放电性和工作温度区间。成本方面,由于钠资源储备丰富,正极上游材料价格低廉且稳定 ,以 及钠离子电池正负极集流体均可使用价格便宜的铝箔,钠离子电池具备显著的成本优势。性能和成本的双重优势使钠电池贴合储能、A00、 两轮车等对能量密度要求较低且价格敏感的场景。


1、钠电池与锂电池同源,具备性能和成本优势

1.1、与锂电池工作原理相似,拥有独特性能优势

钠离子电池与锂离子电池工作原理类似,也是一种依靠离子在正负电极之间往返嵌入和脱出的摇椅式二次电池。钠离子电池具备更优的安全性、放电性和工作温度区间。钠电池在放电的时候可以放电到0伏,不存在锂电池同情况下面 临的安全问题;同浓度的钠盐电解液比锂盐电解液离子导电率更高,这决定了钠离子电池具有更优秀的快充性能;钠离子 电池低温性能更优异,在-20℃低温环境中,也拥有88%以上的放电保持率。


1.2、成本下降空间大,具备更高经济性

钠资源储备丰富,正极上游材料价格低廉且稳定。相比锂资源,钠资源非常丰富,地壳中钠是锂的423倍。钠资源更高 的丰度保证了正极材料上游原材料价格的低廉。目前碳酸钠价格在 0.3万元/吨左右,显著低于目前的碳酸锂的价格(50万元/吨左右)。钠离子电池正负极集流体均可使用价格便宜的铝箔。相较于锂元素,钠离子和铝在低电位下不易发生合金化反应。这使 得钠离子电池的负极集流体可替换为成本更具有优势的铝箔(当前 铝价1.8万元/吨、铜价6.3元/吨)。与锂电池生产流程相似,可共用产线。钠电池和锂电池均为摇椅式二次电池,并且两者在化学反应中具有 相似的性质。结构的高度相似决定了两者的生产流程和产线接近, 未来可共用产线,降低产线建设成本。


2、应用场景成熟及钠电池技术突破,钠电池发展到达0-1关键时间点

2.1、十年积累,应用场景成熟及主材技术突破,到达0-1关键时间点

研发史复盘:能量密度低未受重视, 2022年是钠电池产业化0-1质变的关键节点。钠离子电池的研究工作在20世纪70-80年代和锂离子电池同时期萌芽。但负极材料嵌钠能力较弱、钠电池能量密度较低成 为钠离子电池商业化的瓶颈。从研究论文上看,2010年以后文献数量近似于锂离子电池在1995年前的状态。2020年以后受 锂资源的供需紧张刺激以及储能发展的带动,钠离子电池凭借成本优势重视度不断提升,叠加技术不断创新,国内外各企 业开始进行GWh级产能规划,预计规划产能将集中在2023-2024年投产。


2.2、驱动因素:电动车爆发推动锂价飙涨,钠电池低成本受到关注

电动车的快速渗透对上游锂材料价格产生了显著的拉动作用,构成钠离子历史机遇的第一个推手。根据国际能源署统 计,全球纯电小汽车渗透率从2016年的0.87%快速提升至2021年的8.7%。过去五年,全球纯电小汽车渗透率增长9倍, 这导致上游电池锂盐的需求快速增长;并且受到全球疫情对于供应链的打击,以及各国对于稀有金属锂的管控,锂资源 扩产周期大幅长于下游扩产速度,锂盐价格上涨显著。截至2022年9月29日,碳酸锂/氢氧化锂价格分别较2022年年初上 涨80.41%/117.67%。


2.3、驱动因素:性能特性和储能适配,显著提升大储收益率

市场快速响应顶层规划+清洁能源刚性需求,储能规模有望快速放大。2022年6月,伴随《南方区域新型储能并网与 辅助服务管理实施细则》等对《“十四五”新型储能发展实施方案》顶层规划的落实,风光发电的进一步持续成长和 储能的配套渗透率提升已是明确的趋势。钠离子电池高度匹配储能需求,成本优势使其有望显著改善大储能的收益率,并在大储能领域快速渗透。电化学储 能技术具有高转化效率、组装灵活、成本下降迅速等优点。在海外市场,分布式储能系统已经初步具备商业化应用 的条件。在大规模的电力储能应用方面,目前电化学储能技术还需要满足各项技术指标和成本要求。其中,高安全 性、低成本、长寿命、环保是全球储能技术发展的核心目标。


3、多场景发力:储能+两轮车+动力,推动电池空间第三次跃迁(再次十倍级别增长)

3.1、钠电池推动实现电池空间第三次跃迁,有望迎来十万亿级市场

电池空间三次跃迁:消费电池百亿级→ 动力电池万亿级→ 储能电池十万亿级;钠电池有望在储能市场发展中发挥核心 作用。


3.2、应用场景:新能源配储是未来趋势,钠电池特性与储能场景需求高度贴合

全球范围内可再生能源战略地位提高,不断提升储能潜在市场。2021年COP26全球气候峰会举行,碳中和成为全球目标, 可再生能源战略地位提高。由于风光发电的输出功率具有时间上的不确定性,以可再生能源为主的能源远景必须依靠储 能来完成发电与用电的匹配。我们预计到2025年全球储能的潜在市场规模预计将超过300GWh。随着新能源发电占比持续提升,储能发展的迫切性同步提升。2021年中国的可再生能源占比已经达到14%,以风力和光 伏发电为主。在当前新能源发电占比显著提升的情况下,可再生能源的消纳问题凸显,需要储能协同发展。发电测和电 网侧对储能的关注点主要在于经济性、安全性和寿命,能量密度的优先级较低。钠离子电池的特性与储能场景要求高度 贴合,未来在储能领域的发展空间将随着技术进步不断扩大。


3.3、应用场景:两轮电动车,成本优势快速替换铅酸电池

铅酸电池被替代成趋势,但锂电池的高价使其渗透率提升大幅减缓,未来钠离子电池渗透率有望快速提升。两轮电动车 市场面向中低消费人群,对价格十分敏感。锂离子电池原材料价格大幅上涨,锂电池竞争优势锐减,而钠离子电池是铅 酸电池更好的替代品。钠离子电池具有低成本、安全性强等特性,且钠离子电池在低温下的容积保持率高,可在低至40℃下工作。未来钠离子电池在电动两轮车市场上前景广阔。


3.4、应用场景:钠电池有望最先在储能和两轮车领域渗透

应用场景上,首先开始渗透的是储能和两轮车。关键场景:储能尤其是表前侧储能。重要假设:1)表前侧储能和用户侧储能市场景气度快速 提升,预计到2025年储能市场新增装机量将超过300GWh。2)2025年钠离子电池在储能市场渗透率达到13%。关键场景:电动两轮车。重要假设:1)两轮车整体进入存量市场,需求量增速7- 9%,2023-2024年受新国标推进延迟增速补偿2%;2)锂 电池渗透率受锂电价格影响,处于微增水平;3)钠离子 的渗透率复合增速40%,对应0.5-0.7元的电池价格,参考 2018-2020年锂离子电池0.6元/Wh的均价水平对渗透率的 驱动。


3.5、应用场景:在新能源汽车方面,钠电池有望在低速乘用车、物流车、公交等细分领域突破

新能源汽车场景:钠电池的渗透机会优先存在于乘用车中的低速车和商用车中的物流车、公交,其主要特点是对续航要求较低,而对充 电需求相对较高。乘用车市场:主要应用于A0/A00级别电动车。此类电动车里程要求较低,对电池能量密度要求较低;一般使用家用充电桩即可完成 充电,充电便捷性高。但由于近两年此类车型受到法规限制和新能源上牌政策不稳定影响,市场总量前景仍不明朗。商用车市场:主要看好钠电池对物流车、公交车场景的渗透。公交车营运线路固定、路线长度较短,对配电量要求较低;同时统一 配置充电较便利和高效。物流车、叉车等使用场所单次充电里程要求较低,速度需求低,综合对电池能量密度要求不 高;且同样适合集中配置充电设施。


3.6、市场需求预测:钠离子电池市场空间和需求量将不断释放

未来钠离子电池发展潜力将逐步显现。我们预测,2023-2025年期间,随着各大厂商的钠电池技术的逐步突破,第一批 钠离子电池产能逐渐投放。需求端市场处于验证钠离子电池产品阶段;供给端随着商业化达产,产业链建设不断推进, 规模效应将逐渐显现。我们预计到2026年,全球钠离子电池需求将超过130GWh,在各应用场景中综合渗透率达到5%。从结构上来看,未来 储能市场有望成为对钠电池需求最大的市场。我们预计2026年储能对钠电池的需求量将超过90GWh,占钠离子电池市 场总体规模的70%左右。


4、产业链各环节加速落地,重视中长期趋势性机会

4.1、钠电池产业链产能加速建设,从0到1真正开启

中游电池方面,主要玩家包括锂电龙头(如宁德时代、鹏辉能源)、具有研究机构背景的创新型企业(如中科海钠-中科 院、钠创新能源-上海交大),以及新兴企业(如传艺科技、维科技术)等。电池材料方面,正极、负极和电解液为重点布局环节。钠电池正极、负极和电解液与锂电池差异较大,具有更高的技术 壁垒(隔膜环节与锂离子电池差异较小)。


4.2、电池企业集中发力,GWh级产能有望2022年内落地

以宁德时代为代表的锂电池龙头、以中科海纳为代表的科研创新公司和以传艺科技为代表的新兴企业都在加速进行钠离子 的技术、生产验证和投产。目前中科海纳与华阳股份投产速度领先,合作的1GWh电芯产线已于9月30日正式投产运营。


4.3、钠电池正极与锂电池区别最为显著,三种技术路线同时推进

目前钠离子电池正极材料以三种类型为主:过渡金属氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物。不同正极材料对应 不同的结构性质,从而具备不同的能量密度、倍率性能、循环寿命和安全性能等。当前各公司在正极技术路线的选择上 差异化较大,不同路线的竞争仍将持续。


4.4、负极材料广泛采用无定型碳,以硬碳路线为主

负极材料主要包括碳基材料(石墨、无定形碳、纳米碳等)和非碳基材料(硅基、钛基、锂金属等)。碳基材料由于 资源丰富、价格低廉、环境友好,被视为最具发展潜力的钠离子电池负极材料。碳基材料中,石墨作为己实现商业化 应用的锂离子电池负极材料具备先发优势,但钠离子难以嵌入石墨层间,难与碳形成稳定的插层化合物。纳米碳材料 主要包括石墨烯和碳纳米管等,主要依靠表面吸附储钠,可快速充放电,但是首周库仑效率低和循环性能差等问题限 制其实际应用发展。而无序度较大的无定形碳材料具有较高的储钠比容量、较低的储钠电位和优异的循环稳定性,是 最有前景的钠离子电池负极材料。


4.5、电解液溶质以六氟磷酸钠为主,可共享锂电产线量产难度低

钠盐作为电解液的重要组成部分,是电解液中载流子的主要来源,能影响离子传导效率、SEI膜的生成,目前满足需求的 钠盐主要为具有大半径阴离子的钠基化合物。六氟磷酸钠与锂离子电池电解液中广泛使用的六氟磷酸锂合成原理类似,可共享生产线,量产门槛、难度较小,且溶解度 高、导电率好,与正极、碳基负极都有较佳的兼容性。但其化学稳定性、热稳定性差,分解产物的堆积不利于钠离子的传 导,影响界面膜的生成,可加入适量FEC等添加剂提升电解液性能。目前布局六氟磷酸钠的企业主要为锂电池电解液龙头。


文章来源:报告出品方/作者:太平洋证券,刘强,张方一

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