一、鈉離子電池及其與鋰離子電池的比較
鈉離子電池誕生于上世紀(jì)80年代，隨著Sony公司在1991年成功將鋰離子電池推向市場，鈉離子電池的研發(fā)及商業(yè)化進程變得相對緩慢。近年來，隨著電動汽車、智能電網(wǎng)的迅速發(fā)展，以及間歇性可再生能源（如太陽能、風(fēng)能等）在能源結(jié)構(gòu)中的占比日益提高，大規(guī)模儲能需求愈加迫切。與鋰離子電池相比，鈉離子電池雖在能量密度、循環(huán)次數(shù)等方面處于劣勢，但在倍率性能、快充性能、高低溫性能、安全性等方面相對鋰離子電池具有明顯優(yōu)勢，尤其是鈉元素相對鋰元素儲量非常豐富且全球分布均勻，規(guī)模量產(chǎn)后鈉離子電池成本有望較鋰離子電池大幅下降。因此，鈉離子電池被認(rèn)為是下一代大規(guī)模儲能技術(shù)的一個理想選擇，并有望在電動自行車、低速電動車等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對磷酸鐵鋰電池及鉛酸電池的替代。
表1：二次電池性能對比
資料來源：公開資料整理
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理類似，也是一種“搖椅式”電池。鈉離子電池作為充電電池的一種，主要由正負極、電解液、隔膜、集流體等組成。其工作原理是利用鈉離子在正負極之間的可逆脫嵌實現(xiàn)充放電，與鋰離子電池類似。
圖1：鈉離子電池工作原理
資料來源：中科海鈉官網(wǎng)
截止2020年，全球從事鈉離子電池工程化的公司超過20家，包括英國Faradion、法國Naiades、日本岸田化學(xué)、松下、豐田、美國NatronEnergy等。我國鈉離子電池生產(chǎn)企業(yè)以中科海鈉、寧德時代、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等為代表。中科海鈉成立于2017年，是我國首家鈉離子電池公司，依托中國科學(xué)院物理研究所的技術(shù)，目前在技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品生產(chǎn)上都初具規(guī)模；寧德時代于2021年7月29日發(fā)布了第一代鈉離子電池，其能量密度略低于磷酸鐵鋰電池，電芯單體能量密度可達160Wh/kg，是目前全球最高水平，在常溫下充電15分鐘，電量可達80%，零下20℃低溫環(huán)境下仍然有90%以上的放電保持率。
圖2：寧德時代鈉離子電池性能概況
資料來源：寧德時代官網(wǎng)
二、鈉離子電池主要材料及成本構(gòu)成
相比鋰離子電池，鈉離子電池材料使用有差異。鈉元素雖與鋰元素屬同族元素，但鈉離子相比鋰離子大且重，導(dǎo)致其遷移動力學(xué)緩慢，且儲鈉過程容易造成電極材料產(chǎn)生較大的體積變化，甚至誘導(dǎo)不可逆結(jié)構(gòu)相變，影響電池的循環(huán)穩(wěn)定性。再者，鈉的電位相比鋰更高，會降低電池的工作電壓和能量密度。以上因素導(dǎo)致鈉離子電池的電極材料、電解質(zhì)、隔膜、集流體的選擇與鋰離子電池有所不同。
表2：鈉元素及鋰元素對比
資料來源：百度百科、中科海鈉官網(wǎng)
目前鈉離子電池的正極材料技術(shù)路線尚處于演進之中，相關(guān)正極材料超100種。根據(jù)成分不同，主流鈉離子電池正極材料可分為層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類化合物體系，其中過渡金屬氧化物根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)又可分為層狀金屬氧化物和隧道型過渡金屬氧化物，因隧道型氧化物初始鈉離子含量低，市場關(guān)注較少。目前鈉離子電池三類正極材料各有優(yōu)劣，預(yù)計未來三大正極材料的競爭將持續(xù)。
鈉離子電池的電解液和隔膜基本沿用鋰離子電池體系，但其電解質(zhì)選擇范圍更廣泛，常見的有NaPF6、NaFSI、NaClO4和NaSO3CF3等，溶劑主要有酯類和醚類兩種。集流體方面，由于鋰離子電池主要以石墨作為負極，鋁箔作為負極集流體在低電位下易與鋰形成合金，因此需使用銅集流體，而鈉離子電池正負極均可使用價格較低的鋁箔作為集流體。
表3：鈉離子電池與鋰離子電池材料體系對比
資料來源：CNKI
圖3：鈉離子電池的材料成本優(yōu)勢明顯
資料來源：中科海鈉官網(wǎng)
三、鈉離子電池的負極材料對比
負極材料方面，由于鈉的半徑較大，不能在石墨層中可逆的脫嵌，因此不能選擇鋰離子電池的石墨材料作為負極材料。常見的鈉離子電池負極材料包括碳質(zhì)材料、合金化反應(yīng)材料和金屬氧化物/硫化物等。其中，雖然合金化反應(yīng)材料和金屬氧化物/硫化物理論比容量較高，但充放電過程會伴隨較大的體積膨脹進而影響電池電化學(xué)性能，而以硬碳為代表的碳質(zhì)材料具備嵌入鈉離子能力強、體積變形小、擴散通道好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，商業(yè)化前景最被看好。
表4：鈉離子電池的負極材料性能比較
資料來源：公開資料整理
碳質(zhì)材料主要分為軟碳和硬碳。其中軟碳又稱為易石墨化碳材料，是指在2500℃以上的高溫下能石墨化的無定型碳，常見的軟碳有石油焦、針狀焦、碳纖維和碳微球等。硬碳又稱為難石墨化碳材料，其在2500℃以上的高溫條件下也難以石墨化，一般是在500℃-1200℃溫度范圍內(nèi)熱處理得來，常見的硬碳有樹脂碳、有機聚合物熱解碳、碳黑及生物質(zhì)碳等。硬碳作為鈉離子負極材料在比容量、首次充放電效率、電位平穩(wěn)性等方面均優(yōu)于軟碳，其比容量可達到350mAh/g以上。因此，硬碳更適合作為鈉離子電池負極材料，軟碳則主要用作人造石墨原料，或者作為摻雜、包覆材料改性天然石墨、合金等負極材料。目前主流鈉離子電池生產(chǎn)商也主要是采用硬碳作為負極材料。
表5：主要鈉離子電池公司產(chǎn)業(yè)化路線情況
資料來源：賽迪顧問、CNKI、各公司官網(wǎng)
四、總結(jié)及投資建議
現(xiàn)階段，鈉離子電池或已處于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的前夜。中科海鈉預(yù)計2022年將形成鈉離子電池及鈉離子電池儲能系統(tǒng)銷售；寧德時代目標(biāo)2023年形成鈉離子電池基本產(chǎn)業(yè)鏈。因此，從投資時點看，未來兩到三年或?qū)⑹氢c離子電池負極材料投資的黃金窗口期。
另一方面，雖然鈉離子電池大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚未真正到來，但相關(guān)公司均已展開布局。中科海鈉和華陽股份（600348.SH）合資成立鈉離子電池2000噸正極、2000噸負極材料生產(chǎn)基地（約0.8GWh容量），于2021年年底投產(chǎn)，并計劃2023年擴產(chǎn)至10GWh產(chǎn)能；杉杉股份（600884.SH）、翔豐華（300890.SZ）、璞泰來（603659.SH）、貝特瑞（中國寶安（000009.SZ）子公司）等原有鋰離子電池負極材料生產(chǎn)商也公布了鈉離子電池負極材料的研發(fā)和生產(chǎn)計劃；鵬輝能源（300438.SZ）等上市公司也通過參股公司進入鈉離子電池負極材料行業(yè)。由于碳質(zhì)負極材料相對于鋰離子電池石墨負極材料合成更為簡單、制造工藝要求更低且原料豐富，同時考慮到鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司的既有技術(shù)積累及渠道優(yōu)勢，預(yù)計鈉離子電池負極材料將很大程度延續(xù)現(xiàn)有鋰離子電池負極材料的競爭格局，同時華陽股份、成都佰思格等公司也有望在供應(yīng)鏈變革中占據(jù)一席之地。
圖4：成都佰思格生產(chǎn)的鈉離子電池硬碳材料
資料來源：佰思格公司官網(wǎng)
圖5：中科海鈉生產(chǎn)的鈉離子電池負極材料
資料來源：中科海鈉官網(wǎng)
表6：主要鈉離子電池負極材料供應(yīng)商的研發(fā)及生產(chǎn)規(guī)劃
資料來源：公司公告、公司官網(wǎng)、投資者互動平臺
