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    钠离子电池及材料

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    • 钠离子电池
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      电池达人

        钠离子电池产业链全景图

        钠离子电池最早在20世纪80年代初出现,随后由于锂离子电池的性能更为优异,钠离子电池的研究一度停滞。2010年后,随着动力电池领域的需求越来越大导致锂离子电池的材料供不应求,室温钠离子电池的研究重新兴起。

        根据应用场景不同,钠离子电池主要可分为动力和储能两种。相比成熟的锂离子电池商业化水平,钠离子电池的商业化进度仅仅处于起步阶段,仅有少数企业的钠离子电池进行了初步的商业化,完整成熟的产业链也未形成。

        产业链上游

        电池原材料

        由于钠离子电池与锂离子电池的工作原理相似,很多材料和工艺可以复用,从原材料的方面看来也是如此。

        在原材料方面,钠离子电池和锂离子电池首先最明显的区别就是工作离子的不同。锂离子电池一般使用碳酸锂作为原材料,而目前实验室中合成钠离子电池用正极材料,钠的来源十分广泛,包括碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠、草酸钠、柠檬酸钠、硝酸钠、氢氧化钠甚至偶见关于金属钠的讨论,但是大规模工业生产对于成本、工艺安全性、酸碱性都有一定的要求,最有可能成为工业生产原料的还是碳酸钠(即纯碱),其他材料因为成本、安全性或物化指标的原因,或多或少存在一定的缺陷。与锂资源在全球分布不均且稀少的情况相反,钠资源在全球广泛分布,其在地壳中的丰度位于第6位,我们日常食用的食盐就是最常见的钠盐——氯化钠。最常见的氯化钠来源有海盐、湖盐以及岩盐(矿盐)等。

        其他原材料有作为电极正极材料的锰、铁、钴、铜、镍等,作为电极负极材料的碳、钛、磷等,以及作为集流体材料的铝。

        钠离子电池组成结构

        主要包括正极材料、负极材料、电解质、集流体和隔膜五个部分。

        正极材料

        正极和负极材料影响着钠离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等关键性能指标,对电池性能至关重要。

        和锂离子电池正极技术路线基本确定不同,目前钠离子电池相关的正极材料超 100种,技术路线尚处于演进中。根据成分,主流钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。由于产业体系在商业化初期,竞争格局还需继续跟踪,相关龙头企业仍然具有先发优势。

        正极材料部分生产企业

        格林美(深圳)、贝特瑞(深圳)、华阳股份(阳泉)、容百科技(宁波)。

        负极材料

        与锂离子电池采用的石墨材料负极不同,由于石墨层间距过小,较大半径的钠离子嵌入石墨层间需要更大的能量,无法在有效的电位窗口内进行可逆脱嵌,因此认为传统的石墨无法作为钠离子电池的负极。钠离子电池负极材料的研究方向有硬碳,软碳,钛基氧化物以及合金等,针对硬碳的研究最多,目前商业化的钠离子电池也以硬碳材料作为负极为主。

        负极材料部分生产企业

        杉杉股份(宁波)、璞泰来(上海)、中科电气(岳阳)、翔丰华(深圳)、贝特瑞(深圳)、华阳股份(阳泉)。

        隔膜

        目前最常见的有机电解液系的钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液成分非常相近,溶剂不变,仅是溶质盐从六氟磷酸锂改为六氟磷酸钠,隔膜完全可以使用和锂离子电池一样的隔膜。

        隔膜用于隔离钠离子电池的正负极,防止短路现象,同时起到离子通道的作用。美国、日本、韩国在隔膜生产上处于领先地位,我国的隔膜产业经过多年发展,也逐渐挺进了国际市场,成为第四大隔膜生产国。目前常用的隔膜有:

        隔膜部分生产企业

        恩捷(上海)、星源材质(深圳)、明珠塑料(沧州)、捷力(苏州)、中兴新材(深圳)、鸿图(辽源)、惠强(武汉)、中锂(长园)、义腾(三门峡)、云天化纽米(重庆)。

        电解质

        电解质是发生电化学反应所必需的离子电荷载体,是提高钠离子电池功率特性的关键。电解质主要由溶剂、溶液、添加剂等组成。钠离子电池最常见的电解质为有机液体电解质。有机电解质的有机溶剂部分与锂离子电池的对应成分相似。

        电解液盐部分生产企业

        多氟多(焦作)、天赐材料(广州)

        集流体材料

        与锂不同,由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应,钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔而不是成本更高的铜箔。据判断,钠离子电池集流体铝箔与锂电池基本相同,性能要求基本接近。

        电池用铝箔部分生产企业

        鼎盛新材(镇江)、南山铝业(烟台)、万顺新材(汕头)

        材料成本占比

        生产所用设备

        混合设备、烧结设备、粉碎设备、水洗设备、包覆设备、包装设备、检测仪器等。

        产业链中游:钠离子电池

        简介

        工作原理

        主要依靠钠离子在正极和负极之间移动进行工作:充电时,钠离子从正极脱嵌,在电解液中游动穿过隔膜嵌入负极,负极处于富钠状态;放电时则相反。

        性能优势

        能量密度较高、使用安全性高(可放电到0V),环保(不含铅、镉、汞等对环境有污染的元素)、资源来源广泛、成本低。

        电池种类

        电芯的类型从结构上分类主要包括软包电池和圆柱形电池;从材料体系分类包括固态钠离子电池、钠硫电池、室温钠离子电池、zebra电池等。

        电池生产

        由于钠离子电池工作原理以及电池材料与锂离子电池高度相似,电池生产的工艺和设备可以复用。

        电池系统

        由于钠离子电池的商业化水平仅处于起步阶段,对电池系统的研究也相对较少。宁德时代在电池系统集成方面开发了AB电池系统解决方案,即钠离子电池与锂离子电池两种电池按一定比例进行混搭,集成到同一个电池系统里,通过BMS精准算法进行不同电池体系的均衡控制。

        部分钠离子电池生产企业

        宁德时代(宁德)、中科海钠(溧阳)、钠创新能源(绍兴)、鹏辉能源(广州)、圣阳股份(济宁曲阜)、猛狮科技(汕头)、欣旺达(深圳)、山东章鼓(济南)。

        产业链下游:应用市场

        目前的二次电池市场,锂离子电池是绝对的主力和核心。基于新能源汽车需求持续增长,尽管锂离子电池相对没有明显的性能限制,但碳酸锂和钴酸锂等原材料的来源变得越来越困难。2010年后,随着电池组尺寸和安装数量的增加,锂资源越来越难以满足需求。因为钠离子电池在本质上拥有最与锂离子电池性能相匹配的潜力,因此钠离子的研究重新开展。

        尽管钠离子电池研发的初衷是用来补充和替代锂离子电池在动力电池领域的应用,但是由于目前钠离子电池的能量密度不及锂离子电池,在高速电动汽车领域锂离子电池的主导地位目前无法撼动;而在固定储能方面,由于对体积和质量要求不高,钠离子电池有广阔的前景。

        由于钠离子电池的商业化处于起步阶段,因此对产业链下游的分析更多在于预测和展望。

        电动汽车

        目前商业化的新能源汽车的动力电池以锂离子电池为主和少量燃料电池,钠离子电池用于电动汽车仍处于实验阶段。由于钠离子电池的低能量密度,只能率先用于低速电动汽车以及部分低续航乘用车领域。中科海钠已有生产的用于低速电动车的钠离子电池备用电池组,型号为DZ72V60Ah-6P24S。

        电动自行车

        钠离子电池是用于电动自行车领域的铅酸电池的上位替代品,将来有希望替代锂离子电池在该领域的运用。中科海钠生产的用于电动自行车的钠离子电池组有两种型号,分别是DZ48V12Ah-4P16S和DZ48V12Ah-2P16S。

        固定储能

        钠离子电池将来在固定储能领域会有重要的发挥。日本的储能领域已有属于高温钠离子电池的钠硫电池的实际应用。室温钠离子方面,中科海钠已有生产的储能用钠离子电池,型号为DZ48V36Ah-6P16S。

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