鈉電池產業行動方案

國家有關部門高度重視新型電池產業發展，從加強行業管理、統籌產業規劃、支持技術創新、加快標準建設等角度出發，采取一系列措施促進新型電池產業健康有序發展。國內碳酸鋰價格飆漲從碳酸鋰價格來看，自2021年8月至2022年3月，電池級碳酸鋰的價格幾乎呈直線上升，歷史最高與最低價格相差約10倍。價格易受地緣性影響，基于當前鋰資源集中壟斷的情況，預計未來鋰價不僅會由實際市場供需決定，更易受到國際形勢等多重因素的影響。當前鋰價的持續走高和鋰資源的供需緊張問題亟待解決。中國鈉離子電池市場前瞻鈉離子電池主要分為四種，其中鈉硫電池和鈉-氯化鈉電池為高溫鈉離子電池，水系鈉離子電池和溶劑系鈉離子電池為常溫鈉離子電池。目前已開始小批量應用的主要是常溫鈉離子電池，尤其是以溶劑系鈉離子電池。在產業鏈方面，上游的正極和負極以及電解液添加劑都需要培育新的供應鏈，在隔膜、集流體、電解液溶質以及生產線可以與鋰離子電池共用；而在下游，主要取代鉛酸電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池的市場，主要應用領域為電動二輪車、低速車、儲能、電動船舶以及電動工具。造成鈉離子電池目前沒有大規模應用的主要原因有：鈉離子電池現階段相對于鋰離子電池并沒有明顯的價格優勢。鈉離子電池相對于鋰離子電池（磷酸鐵鋰電池和錳酸鋰電池）存在能量密度劣勢。由于鈉離子電池產業鏈不夠成熟，鈉離子電池的配方沒有經過足夠多的迭代，性能潛力挖掘不夠，潛在的性能缺陷較多。由于用戶的使用慣性和路徑依賴，用戶更愿意接受成熟度更高的鋰離子電池。各細分領域，鈉離子電池并沒有表現出不可替代的性能。鈉離子電池沒有大規模應用，導致鈉離子電池上游供應鏈并不成熟，鈉離子電池沒有獲得明顯的成本優勢。從廢舊鋰電池回收退下來的梯次利用鋰電池價格低廉，并且供應量不斷增加，進一步削減了鈉離子電池的市場可能性。目前國內主流的最為成熟的技術路線為：正極為鈉過度金屬氧化物，過度金屬為銅鐵錳或鎳鐵錳，負極為硬碳或無煙煤軟碳，電解液溶質為六氟磷酸鈉，電解液溶劑與目前鋰離子電池溶劑相同，正負極集流體均為鋁箔。鈉離子電池的主要競爭產品為錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池以及梯次利用鋰電池。通過計算鈉離子正負極能量密度差異，可以得出，在相同技術條件下，鈉離子的能量密度約為錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池能量密度的0．7-0．8倍。在對比鈉離子電池與錳酸鋰電池及磷酸鐵鋰電池的性能后，高工產研鋰電研究所認為鈉離子電池未來的應用領域有望主要集中在電動二輪車市場、家庭儲能、低速車以及備電等領域。鈉離子電池行業發展歷程與鋰離子電池工作原理相似，鈉離子電池是主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，以鈉離子嵌入化合物作為正極材料的一種可二次充電的電化學鈉離子電池。鈉離子和鋰離子電池研究均起始于20世紀70年代，由于儲能需求日益增長，低成本儲能電池技術的需求愈發緊迫，鈉離子電池研究在近十年內突飛猛進。以NaCuFeMnO/軟碳體系的鈉離子電池較磷酸鐵鋰/石墨體系的鋰離子電池材料成本更低，可降低30-40%。從成本材料結構來看，鋰離子電池正極材料成本占比最高，為43%，而鈉離子電池的正極材料成本僅為26%。鈉離子電池的制造和鋰離子電池的制造完全兼容，可以沿用鋰離子電池設備，目前鈉電池產業鏈主要變化在正極材料。正極路線主要有：過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物、普魯士化合物和非晶態材料四種路線。過渡金屬氧化物是目前最受歡迎的正極材料如磷酸鐵鈉、錳酸鐵鈉、鈦錳酸鈉等，中科海鈉、鈉創新能源和Faradion是該路線的主要公司;普魯士類料，具有較妤的電化學性能，具備成本低、穩定性好等優點。但在制備過程中存在配位水含量難以控制等問題，寧徳時代、星空鈉電和NatronEnergy是該路線的主要公司;聚陰離子型材料，穩定性和循環壽命好，化合物族類具有多樣性，但是較低的本征電子電導率，限制了這類材料的實際應用。鈉電池負極材料-軟碳：儲鈉比容量較低，中科院無煙煤技術賦予軟碳負極新前景軟碳成本低、產碳率高、電子傳導性好，但較低的可逆容量嚴重制約了其在鈉離子電池中的應用。制備軟碳材料的前驅體主要包括石油化工原料及其下游產品，如煤、瀝青、石油焦等，原料成本較為低廉。相比于硬碳，軟碳中富含的sp2碳導致更高的電子導電性和倍率性能，但是直接碳化的軟碳材料在鈉離子電池中表現出較低的可逆容量，儲鈉容量較低，而且沒有儲鈉平臺，限制了其實用性。近期研究表明，通過制備納米結構、設計多孔結構來有利于鈉離子的快速傳輸；異相原子摻雜來增加其層間距、提高電導率和缺陷數量；預氧化策略可以有效抑制其石墨化，促進無序結構的形成，從而有效提升儲鈉容量。這些方法均為改性軟碳材料以提升其儲鈉容量提供了理論基礎。中科院無煙煤技術賦予軟碳負極新前景。中科院物理所采用其作為前驅體，得到一種新型軟碳材料。不同于來自于瀝青的軟碳材料，其在1600°C以下仍具有較高的無序度，產碳率高達90%，儲鈉容量達到220mAh/g，循環穩定性優異，最重要的是在所有的碳基負極材料中具有最高的性價比。以其作為負極和Cu基層狀氧化物作為正極制作的軟包電池的能量密度達到100Wh/kg，在1C充放電倍率下容量保持率為80%。未來隨著更多研究成果的出現和低成本的驅動，如果能以低成本軟碳為前驅體，成功制備出高性能的碳負極材料，將進一步促進鈉離子電池的發展，屆時軟碳或將在鈉電負極市場分得更大份額。全球范圍內，我國鋰資源儲量有限全球可用鋰資源稀缺且分布不均，價格寡頭壟斷，易受地緣性影響。（一）全球可用鋰資源不足鋰是自然界密度最小的金屬，具有極強的電化學活性，具有儲能功能，其在地殼中含量僅約0．0065%，豐度居第二十七位，從資源總量來看其實并不稀缺，但受開采條件和提鋰技術的影響，許多估算的資源量無法轉化為儲量，如全球已知最大的烏尤尼鹽湖（Uyuni）鋰礦床由于沒有經濟可行的鋰鹽提取方法，其中大量的鋰資源量無法計入儲量。（二）全球鋰資源分布不均、寡頭壟斷全球鋰資源分布高度集中，形成寡頭壟斷局面，2020年，73%鋰資源分布在北美洲和南美洲，其他地區如大洋洲（8%）、亞洲（7%）、歐洲（7%）和非洲（5%）則分布較少。關于促進儲能技術與產業發展的指導意見2017年10月11日，《關于促進儲能產業與技術發展的指導意見》（簡稱《指導意見》）正式發布?！吨笇б庖姟肥俏覈笠幠δ芗夹g及應用發展的首個指導性政策，由國家能源局科技司牽頭，電力司、新能源司、市場監管司參加的起草工作小組和20位專家組成的專家咨詢組，委托中關村儲能產業技術聯盟牽頭，中科院工程熱物理所、中科院物理所、中國電科院、清華大學等具體負責相關研究工作。隨著《指導意見》的頒發與落實，以及儲能技術的迅猛發展、成本不斷下降、電力市場改革的推進，儲能技術與產業應用未來的前景無疑將越來越廣闊?！吨笇б庖姟窂拇龠M儲能技術與產業發展的總體要求、重點任務和保障措施三個方面提出了指導性意見，為全面促進儲能技術與產業發展提供了政策依據?！吨笇б庖姟愤€指出，近年來，我國儲能呈現多元發展的良好態勢：抽水蓄能發展迅速；壓縮空氣儲能、飛輪儲能，超導儲能和超級電容，鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等儲能技術研發應用加速；儲熱、儲冷、儲氫技術也取得了一定進展。我國儲能技術總體上已經初步具備了產業化的基礎。加快儲能技術與產業發展，對于構建清潔低碳、安全高效的現代能源產業體系，推進我國能源行業供給側改革、推動能源生產和利用方式變革具有重要戰略意義，同時還將帶動從材料制備到系統集成全產業鏈發展，成為提升產業發展水平、推動經濟社會發展的新動能。鈉電池正極材料-層狀金屬氧化不可逆容量損失、易吸水受潮層狀氧化物的苦惱：不可逆容量損失，惡化循環性能；易吸水受潮，惡化加工性能。晶格扭曲及相變的產生，導致不可逆的容量損失，惡化循環性能。由于層狀結構氧化物通常為過渡金屬元素與周圍六個氧形成的MO6八面體結構組成過渡金屬層，鈉離子位于過渡金屬層之間，形成MO6多面體層與NaO6堿金屬層交替排布的層狀結構。這些結構在鈉離子電池充放電過程中會發生晶格扭曲并產生相變，阻礙了鈉離子的傳輸擴散，使得大部分鈉離子游離在材料的表面，與電解液發生副反應，形成不可逆的容量損失，同時惡化循環性能，導致電池性能衰減甚至失效，從而帶來安全方面的隱患?，F有技術大部分采用摻雜極少量的變價金屬以達到改善材料的結構穩定性目的，如振華新材專利CN114975982A，鈉創新能源CN114005969A等。燒結后易產生殘堿，導致材料易吸水受潮，惡化加工性能。在層狀結構氧化物制備過程中，考慮到鈉元素的流失，材料生產過程中往往會加入過量鈉鹽，導致材料燒結后鈉鹽殘留，主要以碳酸鈉和氫氧化鈉形式存在，簡稱殘堿。如果鈉離子電池極材料的堿性過高，在加工過程中會導致材料易吸水受潮，在攪漿過程中黏度增加，容易形成果凍狀，導致加工性能變差。針對此問題，目前主要通過水洗、酸性氣體等工藝進行改進，如中科海納采用低溫二次燒結，使得層狀正極材料完全去除水分后，通過酸性氣體與層狀正極材料表面的殘堿反應，降低材料表面的殘堿含量。鈉電池在低溫、安全性方面具備優勢鈉電整體性能與鋰電接近，能量密度稍遜，但低溫、安全和倍率性能突出。能量密度方面，在目前的技術條件下，鈉離子電池的電芯能量密度約為70-200Wh/kg，高于鉛酸電池的30-50Wh/kg，相較于三元鋰電的200-350Wh/k有所遜色，但與磷酸鐵鋰電池的150-210Wh/kg有重疊范圍，且尚有較大的技術進步空間。低溫表現方面，相比于鋰離子電池-20℃到60℃的工作溫度區間，鈉離子電池可以在-40℃到50℃的溫度區間正常工作，-20℃環境下容量保持率近90%，高低溫性能更優秀。安全性方面，得益于更高的內阻，鈉離子電池在短路狀況下瞬間發熱量少，熱失控溫度高于鋰離子電池，具備更高的安全性。在針對過充過放、針刺、擠壓測試時，鈉離子電池的安全性表現也讓人滿意。倍率和快充性能方面，鈉離子電池具備更好的倍率性能，適合在快充、響應型儲能和規模供電等場景應用。鈉離子電池有望在儲能、中低續航里程電動車、工程車、小動力等細分市場率先得到推廣應用。鈉電池市場空間：儲能-2025年有望達到50．68GWh發電側和電網側的主要場景是大型儲能，即大儲。區別于戶用的小功率儲能，大儲設備對一致性、儲能功率和循環壽命的要求較高，主流技術路線是磷酸鐵鋰電池，主要應用在新能源電站、電網等場景。預計2023-2025年大儲裝機量分別達到99．8、169．0、282．4GWh。預計鈉電池在大儲市場的滲透率將逐年升高，2023-2025年分別達到1%、3%、8%，2025年對應的大儲鈉電池需求量將達到22．59GWh。用電側儲能，主要包括工商業配儲、戶用配儲、通信基站配儲三大場景，目前的主流技術路線是磷酸鐵鋰電池。用電側儲能前景廣闊，預計2023-2025年鈉電池在工商業配儲、戶用配儲、通信基站配儲的滲透率將逐年升高，2025年對應的鈉電需求量有望分別達到5．44GWh、18．33GWh、4．32GWh。預計2025年儲能對鈉電池的需求有望超50GWh。鈉電池市場空間：兩輪車-2025年有望達到11GWh兩輪車電池現狀：兩輪電動車帶電量為0．6Kwh左右，對電池性能要求不高，但對于價格敏感。所有零件中，電池成本最高占比約25%-30%。故雖然鋰電相比鉛酸電池擁有更好的性能，但由于鋰電原材料供應短缺、價格持續上漲帶動鋰電池成本增加，鋰電電動車與鉛酸電動車的發展仍處膠著狀態。鈉離子電池的性能更介于二者之間，在能量密度上低于鋰電池，高于鉛酸電池，而導電性好、充放電快、耐低溫性強等方面比鉛酸電池也更有優勢，此外，鈉電池報價是鋰電池的75%-8