钠离子电池工作原理与锂离子电池相似。充电时,Na+从阴极脱出并嵌入阳极,同时电子通过外部电路,此时阳极处于低电势富钠态,阴极处于高电势贫钠态,嵌入阳极的Na+越多,充电容量越高;放电时,发生相反的过程,Na+从负极脱出,嵌入正极,正极回到富钠态,回到正极的Na+越多,放电容量越高。与锂离子电池构造相同,钠离子电池主要由正极、负极、电解质和隔膜组成。
正极材料:主流钠离子材料包括聚阴离子型化合物、层状过渡金属氧化物以及普鲁士蓝类化合物。
负极材料:目前常用的钠离子负极材料为硬碳和软碳材料。
电解质:与锂离子电池电解质相同,钠离子电池电解质分为液体电解质、固液复合电解质、固态电解质。电解质盐一般为NaPF6,合成方法与锂离子电池电解液相似。
优点:
1、资源优势:钠资源供需关系稳定,价格波动小
钠在地壳中含量很高,地壳丰度为锂元素的1000倍以上。随着新能源产业的蓬勃发展,电池级碳酸锂价格持续上涨。数据统计显示,2022年以来碳酸锂平均单价高于40万/吨,而与之对应的钠离子电池原料轻质纯碱维持在0.2-0.4万元/吨,不到前者的1%。而纯碱资源极为丰富,且涉及行业众多,开采成本在可预见的未来也不会有所上升,因而钠资源的供需关系更稳定,不易出现供给缺口,钠离子电池下游生产商的原材料货源有充分保障。
同时,我国固体离子学和能源材料专家,中国工程院院士陈立泉曾在中国电动汽车百人会的讲话中强调:“全世界的电能都用锂离子电池储存,根本不够,钠离子电池是新电池首选。”锂、钴、镍本身的储量就是有限的,不一定足以支撑锂电行业顺利迈向TWh时代。
2、成本优势:钠离子电池价格低廉且性能良好
钠离子电池相较锂电子电池成本更低廉。钠电池由于嵌入效率低,能量密度受影响,但成本优势显著。钠离子电池正极材料无须价格较高的锂盐,也可以使用铜基正极材料以避免价格较高的过渡金属元素化合物,据数据显示,钠离子电池铜基正极成本相比磷酸铁锂正极可降低近60%;同时,由于钠与铝不易发生合金化反应,集流体可以全部使用铝箔代替铜箔,成本可降低近70%。
另外,钠离子电池负极材料可以使用价格较低的无烟煤加工获得,隔膜与锂离子电池类似,两者基本维持与锂离子电池相近的成本。根据中科海钠的综合测算,钠离子电池成本相比性能接近的磷酸铁锂电池可降低约30%-40%。目前,钠离子电池制造工艺尚未完全成熟,制造规模较小,其制造成本约为1元/Wh,与三元锂电池相当。而据中科海钠预测,在规模效应的加持下,钠离子电池成本有望进一步压缩至0.2~0.3元/Wh。
3、安全优势:安全性能好,运输不易起火
钠离子电池安全性能好,体现在测试环节,表现就是能在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中做到不起火不爆炸;而在运输环节,则表现为可以实现0V运输,降低电池运输的安全风险。锂离子电池用铜箔作为负极集流体,当处于低电压时,铜箔易氧化,导致电池性能衰减及电池失效。为避免出现这种问题,锂离子在运输前,一般要把电量充到80%以上。相比低电量电池,高电量电池的运输风险更高。
而钠离子电池用稳定性更好的铝箔做负极集流体,不用担心电压低导致电池性能衰减、失效的问题,所以可以在运输前将电量完全放空,保障运输安全,又不影响后续的电池性能。
缺点:
资料显示,钠离子电池也有不足,主要是能量密度和循环寿命较低,目前钠离子电池的能量密度在140Wh/kg左右,循环寿命在2000次左右。
申港证券指出,也正因为如此,结合钠离子电池的优势与不足,其更适用于储能电池、两轮车等场景。
太平洋证券研报表示:
储能方面,预计未来表前侧储能和用户侧储能市场景气度将迅速增长,到2025年储能市场新增装机量预计将超300GWh。钠离子电池成本下降空间大,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。预计2025年,中性/乐观情况下,钠电池在储能领域的渗透率有望提升至6%/13%,在两轮电动车领域渗透率有望提升至20%/40%,预计全球钠电池总需求量有望超过30/70GWh。
从产业链看,钠电池各环节加速落地,从0到1的过程加快推进。目前钠电池暂无大批商业化应用,但由于有锂电池成熟产业链为基础,钠电池从0到1的过程将加快推进。2022年三季度中科海纳和华阳股份GWh级别产能已经实现投产,新兴企业维科技术、传艺科技等+锂电企业宁德时代、多氟多等有望2023年实现GWh级的产能投产,正极、负极、电解液等钠电池材料产能也有望于2023年集中投产,钠电池产业化元年已经开启。
重视钠电池中长期机会,从弹性、确定性、主产业链三个维度看未来投资趋势:
从弹性角度看,电池、正极、负极等环节面临变革性机会,新公司进入有望改变竞争格局:传艺科技、维科技术等电池新公司,美联新材、华阳股份等正负极新公司受益。
从确定性角度看,铝箔等环节需求量具有倍增效应(正负极都用铝箔):鼎胜新材、万顺新材等受益。
3)从主产业链看,锂电池产业链创新型公司有望拓展较好第二增长曲线,受益标的包括:容百科技、振华新材、当升科技、贝特瑞、杉杉股份等正负极公司;宁德时代、鹏辉能源、派能科技等电池公司;多氟多、天赐材料、永太科技等电解液产业链公司;恩捷股份、星源材质、中材科技等隔膜公司。
风险提示:技术进步不及预期、下游需求不及预期、市场竞争加剧。