鈉電池產業行動計劃

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。《指導意見》是我國大規模儲能技術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。十三五期間，科技部通過國家重點研發計劃智能電網技術與裝備重點專項，對電池儲能相關技術進行了系統部署。其中，鈉基儲能電池技術作為重點支持方向之一，在高安全長壽命和低成本鈉基儲能電池的基礎科學問題研究等項目系列成果推動下進步顯著。國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲能技術試點示范《十四五新型儲能發展實施方案》正式印發，國家正式提出研究開展鈉離子電池等新一代高能量密度儲能技術試點示范。方案提出，推動多元化技術開發。開展鈉離子電池、新型鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、壓縮空氣、氫（氨）儲能、熱（冷）儲能等關鍵核心技術、裝備和集成優化設計研究，集中攻關超導、超級電容等儲能技術，研發儲備液態金屬電池、固態鋰離子電池、金屬空氣電池等新一代高能量密度儲能技術。突破全過程安全技術。突破電池本質安全控制、電化學儲能系統安全預警、系統多級防護結構及關鍵材料、高效滅火及防復燃、儲能電站整體安全性設計等關鍵技術，支撐大規模儲能電站安全運行。鈉電中長期成本優勢顯著成本優勢顯著，鈉在地殼中具有更高的豐度，約占地殼儲量的2．64%，且廣泛分布在世界各地，原料端碳酸鈉提煉簡單、價格遠低于碳酸鋰，碳酸鈉常年處于3000元/噸以內水平，以2022年8月數據為例，兩者價差約170倍。再加之鈉離子電池可以使用較為便宜的鋁箔作為集流體材料，進一步節約成本。從電池循環壽命來看，鈉離子電池遠高于鉛酸電池行業內一般以鈉/鋰電池滿充滿放的循環次數來計算循環壽命。在使用的過程中，離子電池內部會發生不可逆的電化學反應導致容量下降，比如電解液的分解，活性材料的失活，正負極結構的坍塌導致鋰離子嵌入和脫嵌的數量減少等等。通過科學實驗表明，更高倍率的放電會導致容量更快的衰減，如果放電電流較低，電池電壓會接近平衡電壓，能釋放出更多的能量。目前，鈉離子電池的循環壽命遠高于鉛酸電池，距離鋰電池還有些差距;低溫揮發率較高，為85%;每月自放電率低于鋰離子電池，為5%。鈉電池正極材料：多路線推進，層狀氧化物有望率先落地作為優異的鈉離子電池正極材料需要具備以下因素：（1）較高的容量和氧化還原電勢；（2）對電解液適應性強；（3）較好的離子和電子電導率；（4）在空氣中易于制備、保存、運輸以及低的成本；（5）較好的循環性能和倍率性能。目前，受到研究者廣泛關注的鈉離子電池正極材料主要包括層狀金屬氧化物、普魯士藍類化合物及聚陰離子型化合物。每種類型的材料都存在著一些特征缺點，層狀金屬氧化物結構多變從而結構穩定性差;普魯士藍循環穩定性較差且材料高溫易分解，存在潛在危險;聚陰離子型化合物容量較低，導電性也較差。鈉電池負極材料-硬碳：首次庫倫效率和倍率性能是核心參數指標性能短板：低的首次庫倫效率和差的倍率性是硬碳性能的短板，通過優化工藝流程得到初步解決。首次庫倫效率：硬碳具有大的比表面積和大量缺陷，從而造成低的首次庫倫效率。而首次庫倫效率低反應了電池在首次充放電過程中發生了大量的不可逆反應，其中主要包括再循環過程中電解液分解形成電解質界面膜（SEI）對部分鈉離子的消耗和由高比表面積、孔隙、缺陷和官能團引起的其他不可逆反應的結果。在全電池中，鈉含量的消耗直接影響電池的容量，低的庫倫效率必將造成電池整體容量的較大衰減。因此，減小硬碳負極材料的比表面積、減少缺陷及閉合部分孔隙，從而提高硬碳材料的庫倫效率是產業化必須解決的問題。目前在工藝流程上，可通過軟硬碳復合、小分子填補缺陷以及降低熱解速率等措施得到提升。倍率性能：反應出負極材料內部動力學性能，其中包括電子的導電性和離子的擴散速率。普遍認為，相對于鈉離子在硬碳材料層間的脫嵌，在材料表面缺陷的吸/脫附相對來說更容易。豐富的缺陷及較大的層間距都有利于硬碳倍率性能的提升。目前在工藝流程上，可通過軟硬模板結合法、堿活化、摻雜等來改善。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有優勢鈉離子電池與鋰離子電池搖椅式工作原理類似，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作。近幾年，鈉離子電池開始逐步進入規模化試驗示范階段。2018年6月，首輛鈉離子電池低速電動車問世；2021年6月，中科海鈉發布世界首個1MWh鈉離子電池儲能系統。這意味著，繼鉛蓄電池、鋰離子電池等電化學儲能體系后，鈉離子電池開始在儲能領域嶄露頭角，有望推動新能源產業的進一步發展和變革。鈉離子電池在資源豐富度、成本等方面具有一定優勢。一是鈉元素儲備更豐富，鈉是地殼中儲量第六豐富的元素，地理分布均勻，成本低廉；而鋰資源在地殼中儲量僅為0．002%，不到鈉的千分之一，且全球分布具有地域性。二是鈉離子化合物可獲取性強，價格穩定且低廉。此外，在低電壓下鋁不會和鈉合金化，因此鈉離子電池負極可使用鋁集流體而不必像鋰電池使用銅集流體，從而降低電池的成本和重量。三是鈉元素和鋰元素有相似的物理化學特性及儲存機制，鈉離子電池有相對穩定的電化學性能和安全性。另一方面，目前鈉離子電池在產業化進程中尚存在能量密度較低、循環壽命較短、配套供應鏈與產業鏈不完善等問題，仍處于商業化探索和持續改進中。預計未來隨著產業投入的加大，技術走向成熟、產業鏈逐步完善，高性價比的鈉離子電池有望成為鋰離子電池的重要補充，尤其是在固定式儲能領域將具有良好發展前景。鋰電池價格上漲，推動鈉離子電池需求量的增加鈉離子電池的研發起步較早，產業化應用的速度不及鋰離子電池，但近年來學術研究和產業應用的熱度持續上升。在1967年，高溫鈉硫電池出現是鈉離子電池發展的萌芽時期，到1979年法國的Armand提出了搖椅式電池的概念后，由于鋰離子電池體系中應用較為廣泛的石墨負極儲鈉能力欠缺，對鈉離子電池的研究幾乎停滯。直至2000年加拿大Dahn等發現硬碳負極具備優異的可逆儲鈉能力，學界才繼續推進。到2010年，隨鋰離子電池研究和產業鏈建設趨于成熟，以及對鋰資源的擔憂，鈉離子電池的研究和產業化進程，進入復興時期。直至2021年7月，寧德時代發布第一代鈉離子電池，宣布計劃2023年形成基本產業鏈，疊加鋰價在2021年底-2022年年初快速上漲，引發全產業鏈對互補、替代方案鈉離子電池的高度重視，涌現數十家推動鈉離子電池及原材料量產的企業。磷酸鋰是一種鋰離子電池電極材料，主要用于鋰離子電池。近年來由于我國電動汽車產量快速增長，導致鋰離子電池產能的提升，從而出現碳酸鋰價格飛漲的局面。數據顯示，我國磷酸鋰價格在2021年年末到2022年年初價格增長迅速，導致鋰離子電池原材料成本較高，價格上漲趨勢明顯，將使其在大規模儲能中的應用受到限制。同時，鋰元素的地殼豐度只有0．0065%，我國鋰資源十分短缺，大部分依賴于進口，而鈉元素的地殼豐度為2．74%，地域分布廣泛，我國的鈉資源較鋰資源相對豐富，成本低廉。為了防止國外對鋰資源的壟斷，我國將大力發展鈉離子電池，以替代鋰離子電池，在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發的儲能電池發展受限問題。因為能量密度的短板，鈉離子電池的應用尚出現在中高端的電動汽車上，在微型電動車及兩輪電動車上將率先應用。數據顯示，近年來，隨著經濟的快速發展，人們的收入水平的提高，兩輪電動車的產銷量整體呈現上漲趨勢，其中產量從2017年的3113萬輛增加到2021年的5443萬輛，銷售量從2017年的2943萬輛增加到2021年的4100萬輛。由于兩輪電動車產品價格較低，適合中、小型城市和縣鄉市場的用戶，未來市場空間廣闊，有利于促進鈉離子電池需求量的增長。當前電動兩輪車、A00級電動車受鋰離子電池價格上漲的影響，選擇性價比較高的鈉離子電池進行替代，隨著電動兩輪車、A00級電動車的不斷發展，鈉離子電池的需求量向好發展，同時，鈉離子電池可利用廉價的鈉鹽取代鋰鹽作為電池關鍵原料，已經成為新一代儲能電池研究的熱點，在快速發展的儲能領域，鈉離子電池有望成為重要的技術路線之一。在2017-2021年中，我國鈉離子電池供給量和需求量呈現逐年上升的趨勢，其市場價格走勢不斷下降，從2017年的7．14億元/GWh下降到2021年的6．66億元/GWh。目前，我國鈉離子電池處于發展前期，還未形成基本的產業鏈。從專利申請量來看，在2017-2021年間，中國鈉離子電池專利申請量整體上處于上升趨勢，其中2020年受疫情影響，鈉離子電池的申請量有小幅下降，較2019年減少33項，根據IP管家統計，2022年1-11月的申請量達到了1379項，可見，鈉離子電池逐步受到各方面的重視，未來市場占有率也將逐步提升。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