鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪？
編者按：本文來自微信公眾號 經(jīng)緯創(chuàng)投（ID：matrixpartnerschina），作者：經(jīng)緯創(chuàng)投，創(chuàng)業(yè)邦經(jīng)授權(quán)發(fā)布，頭圖來源攝圖網(wǎng)。
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去年股市里最火的就是新能源板塊，而新能源板塊里最火的幾個子板塊之一就是鈉離子電池。
原本生產(chǎn)鍵盤和鼠標的傳藝科技，一透露自己將進軍鈉離子電池，股價一度暴漲了5倍；而主營煤炭生產(chǎn)的山西華陽股份，也因有鈉離子電芯生產(chǎn)子公司的新聞，而隨后連續(xù)上漲，證監(jiān)會也向這兩家公司發(fā)布了關(guān)注函和詢證函。
在一項新技術(shù)真正到來之前，必然會伴隨著市場的泡沫和炒作，我們反而需要潛心觀察，去看是否到了爆發(fā)前夜。
鈉離子電池以其豐富的鈉資源，和逐漸追趕鋰離子電池的性能，正在儲能和低速電動車領(lǐng)域形成替代鋰電池的潛力。鋰和鈉在元素周期表上屬于同一主族，化學性質(zhì)相近，也幾乎在同一時間起步，但因為更適于鋰電池的負極材料的突破，和鋰能量密度更高的特性，鋰電池一騎絕塵，甩下鈉電池二十年。
但自2021年以來，隨著更稀缺的鋰資源價格飆升，以及儲能等新賽道的崛起、鈉離子電池本身的技術(shù)突破，鈉電池又開始重回人們的視野，成為在某些領(lǐng)域替代鋰電池的潛在選擇。
今天這篇文章我們就來分析一下鈉離子電池的發(fā)展歷史，與鋰離子電池的異同，以及轉(zhuǎn)折點在哪、為什么現(xiàn)在能產(chǎn)生分庭抗“鋰”的勢頭。Enjoy：
1 鋰鈉同時起步，為什么“鈉”滯后了20年？如果我們回顧歷史，鋰和鈉的研究幾乎都是在上世紀七十年代起步，在元素周期表上，兩者也是同一主族的相鄰元素，化學性質(zhì)相近，但為什么鈉的商業(yè)化才幾乎剛起步，而鋰已經(jīng)如此成熟？
最初鋰金屬和鈉金屬同時作為電池負極出現(xiàn)，此時搭配的正極是TiS2（二硫化鈦）。但隨著持續(xù)的研究進展，科學家發(fā)現(xiàn)用嵌入化合物來替代金屬負極，能有效解決鋰枝晶的生長問題，而鋰枝晶極大影響了電池的循環(huán)壽命和安全性。并且拿層狀金屬氧化物代替TiS2，能大幅改善電池容量和循環(huán)性能。
更大的技術(shù)突破來自負極?？茖W家發(fā)現(xiàn)用石墨等碳基材料作為負極，能極大提升電池性能，自1991年開始，鋰離子電池的商業(yè)化發(fā)展步入爆發(fā)期，在各種消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應用。
但對于鈉離子來說，此時就被“打入冷宮”，因為鈉離子相較于鋰離子半徑更大，石墨嵌鋰可以，但嵌鈉不太行，這使得鈉離子電池的能量密度遠不如鋰。
除了負極因素，鈉離子本身的能量密度也低于鋰離子。雖然單個鋰離子和鈉離子帶電量相同，但鈉離子摩爾質(zhì)量是鋰離子的3倍、直徑是鋰離子的1.3倍，導致鈉離子電池理論質(zhì)量比容量和體積比容量小于鋰離子電池。
而電池的初期發(fā)展需求，來自消費類電子產(chǎn)品，比如筆記本電腦、手機等，要求的是便攜、短小輕薄、能量密度高，于是鋰電池就迅速把鈉甩到了身后。在整個20世紀80年代，到21世紀初，鈉離子電池的研究投入大幅度降低，逐漸淡出人們的視野。
直到2000年，低電壓、高容量的硬碳材料，終于被科學家發(fā)現(xiàn)，它克服了長久以來負極的發(fā)展瓶頸，終于使鈉離子電池有了商業(yè)化的可能性。
但此時下游應用場景依然是對能量密度和便攜性要求高的消費電子產(chǎn)品，以及2006年后對能量密度有較高要求的電動車，都使得鈉離子在市場上還是被鋰離子壓制。
根據(jù)對學術(shù)文獻和專利的梳理，中金公司將鈉離子電池2010年之后的發(fā)展歷程，分為了4個階段：
創(chuàng)新萌發(fā)期（2010-2012）：即新技術(shù)的第一個上升階段，主要由技術(shù)突破或新增需求引發(fā)市場關(guān)注度的加速提升；對于鈉離子電池來說，此階段的驅(qū)動力主要來自于對鋰離子電池的替代需求。
泡沫過熱期（2013-2017）：新技術(shù)的關(guān)注度和期望出現(xiàn)高峰，逐漸超出市場現(xiàn)實情況和技術(shù)實際能力。此階段市場持續(xù)的高度關(guān)注推動鈉離子技術(shù)發(fā)展，研究氛圍活躍、部分廠商開始入場。
行業(yè)低谷期（2018-2020）：新技術(shù)由于自身短板，發(fā)展出現(xiàn)瓶頸、市場潛力不明朗，導致關(guān)注度和期望下滑；由于自身能量密度的限制以及鋰離子電池的快速降本，鈉離子電池的應用場景局限于儲能、中低速車和電動兩輪車等方面，導致市場期望的快速下滑、進入低谷期。
復蘇爬升期（2021-）：第二個上升階段，新技術(shù)成熟度的增高以及應用場景的完善帶來的市場需求的提升，兩者共同推動新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化加速。而目前，鈉離子電池正處于突破低谷進入復蘇爬升期的拐點。
那么經(jīng)歷了20年滯后期，鈉離子電池發(fā)展的轉(zhuǎn)折點在哪？
2 鈉離子電池的轉(zhuǎn)折點在哪？主要有兩大因素：
一是鋰資源快速稀缺，價格飆漲，而鈉資源眾多，成本低廉；
二是隨著儲能等新賽道的爆發(fā)，以及鈉離子電池本身綜合性能的提升，一些有不錯潛力的應用場景開始出現(xiàn)。
針對第一點鋰資源問題，核心是全世界鋰資源的分布非常不均，并且可開發(fā)儲量有限。全球的鋰礦資源幾乎都聚集在“鋰三角”（玻利維亞、阿根廷、智利）和澳大利亞，超過一半（53%）的可開發(fā)儲量位于南美，分布在智利（42%）和阿根廷（10%）等地；澳大利亞的鋰資源可開發(fā)儲量位列第二，約占全球總量的四分之一，而這些國家對開采多少態(tài)度各異。
而鋰離子電池的主要產(chǎn)能集中在亞洲，中國高品質(zhì)鋰礦資源相對稀缺，探明量和可開發(fā)儲量僅占全球的6%和7%，從進口情況來看，截止到 2022上半年，中國鋰資源（氫氧化鋰）進口依賴超60%。
作為鋰資源消耗大國，而自有資源儲量又少，在電動車需求暴增的大背景下，鋰價急劇攀升。截至2022年12月已突破55萬元/噸，相較于2020年7月漲幅近1300%。鋰電池材料成本也隨之翻倍上漲，產(chǎn)業(yè)鏈利潤向上游原材料集中，中下游苦不堪言。
如果我們考慮一種極端情況，在戰(zhàn)爭或是逆全球化等突發(fā)事件之下，如果不考慮進口，那么中國的鋰資源什么時候會出現(xiàn)“硬缺口”呢？
按中金公司的預測，中國鋰供給的“硬缺口”會在2030年之前就出現(xiàn)。
中金公司的這種測算方法，是把電動車作為碳酸鋰的主要下游應用，通過比對中國已探明鋰儲量在不同開發(fā)利用率水平下，對電動車保有量的支撐水平，進而測算鋰資源硬約束的時間位置。
從電動車需求端來看，按照公安部數(shù)據(jù)，2021年底我國電動車保有量達到784萬輛，約占全球40~50%，而根據(jù)世界能源署的預計，到2030年全球電動車保有量將達到3.81億輛。假設到2030年中國電動車保有量約為50%、35%、25%（三種假設情形），對應2030年全國電動車保有量約為1.9億輛、1.3億輛和0.95億輛。
中國的鋰資源以鹽湖鹵水型為主，占比達到80%左右，主要分布在青海、西藏等地，但這些鹽湖鋰含量較低，開采條件不如南美鹽湖。那么根據(jù)需求端和供給端的情況，我們可以假設出三種情況：
情景假設1：有效開采率100%情況下。我們假設單車帶電量為70KWh，根據(jù)正極材料體系的差異單車碳酸鋰消耗約為34~50kg，在極端情況下，假設已探明的可開采鋰資源可以100%有效開發(fā)利用，則可以支撐1.83億輛新能源車的碳酸鋰需求。
情景假設2：有效開采率70%情況下，支撐1.28億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。
情景假設3：有效開采率50%情況下，支撐0.91億輛新能源車保有量碳酸鋰需求。
綜合來說，在100%可開采鋰礦利用率的極端假設下，到2030年中國將出現(xiàn)鋰供應的“硬缺口”。而這還是只考慮了電動車的消耗，但儲能也在快速發(fā)展，儲能電池也主要是磷酸鐵鋰電池，也需要大量的鋰資源，這會導致越來越稀缺。
當然以上測算只考慮了中國自身的情況下，如果考慮全球資源，市場的預判是鋰礦足夠未來60-80年的需求，并且鋰電池回收也在快速發(fā)展。但由于鋰資源高度集中在南美和澳大利亞，鋰可能會像石油一樣，價格并不是由產(chǎn)量來決定，而是根據(jù)資源擁有國的生產(chǎn)意愿來決定，作為生產(chǎn)全球65%電池的中國，資源的地緣政治性問題也會凸顯。
這時候人們把眼光看向了鈉。鋰資源本身在自然界的儲量就比較低，地殼豐度度僅0.002%，而地殼中含有2.27%的鈉，使其成為地球上第七大最豐富的元素，和第五大最豐富的金屬，鈉與鋰還處于同一主族，具有相似物理化學性質(zhì)。鈉分布于全球各地，完全不受資源和地域的限制，資源供應豐富且安全，這是鈉離子電池最大的優(yōu)勢。
針對第二點，鈉離子電池技術(shù)并未被遺忘，也在日趨成熟，并且有更多適合鈉離子的應用場景出現(xiàn)。
在近十年內(nèi)，美國Goodenough等提出普魯士白正極，中科院物理所胡勝勇等首次提出低成本煤基無定形碳負極材料，研發(fā)開始大跨步向?qū)嶋H應用邁進。
自2021年開始，隨著儲能市場的爆發(fā)，鈉電池又迎來了新機遇。核心在于大規(guī)模儲能的首要因素是安全和成本，對能量密度的要求比電子產(chǎn)品或是電動車要弱，這與鈉離子電池的特性契合。
下面，我們就來分析一下鈉離子電池與鋰離子電池有何異同，鈉離子電池的優(yōu)劣勢是哪些。
3 鈉離子電池能分庭抗“鋰”嗎？最早在1979年，法國的Armand提出了“搖椅式電池”的概念，開啟了鋰離子和鈉離子電池的研究。與鋰離子電池相同，鈉離子電池的構(gòu)成同樣主要是正極、負極、隔膜、電解液和集流體等，從技術(shù)原理來說，鈉和鋰電池基本是相通的。
鈉和鋰電池的主要區(qū)別是在正負極的材料選擇上：
1）正極材料
由于離子特性的差異，直接將鋰電池中的鋰換成鈉并不合適，因此尋找適合鈉離子電池的電極材料，是商業(yè)化的關(guān)鍵。目前主要是“三種技術(shù)路線之爭”——過渡金屬氧化物類、聚陰離子類和普魯士藍類。
層狀氧化物正極結(jié)構(gòu)與鋰電三元材料類似，且兼顧能量密度與循環(huán)壽命，且較少使用到鈷、鎳等價格較高的過渡金屬，成本可控，因此最早量產(chǎn)。但層狀氧化物材料空氣穩(wěn)定性差，需要通過包覆或摻雜提高其空氣穩(wěn)定性，這會提升其制造成本。
普魯士藍類正極能量密度高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，倍率性能好，成本低廉，但是由于其晶格中配位水的存在，普魯士藍類正極與商用有機電解液的兼容性差，循環(huán)壽命也受影響。且普魯士藍類正極的生產(chǎn)涉及到劇毒的氰化物，生產(chǎn)要求較高。
聚陰離子正極的循環(huán)性能較好，且工作電壓高，但能量密度較低，導電性較差，大電流充放電性能較差，需要使用碳包覆或摻雜提高電子電導率，理論容量存在局限。
綜合來說，鈉離子電池的三類正極材料各有優(yōu)缺點，未來可能在不同應用場景，適配不同的材料。例如在工商業(yè)儲能場景中，聚陰離子材料中硫酸鐵鈉材料成本低，循環(huán)壽命高，考慮容量租賃、峰谷價差套利、容量補償?shù)仁找鎭碓?，聚陰離子型材料儲能擁有優(yōu)勢。
此外，由于正極材料不再需要用鎳、鈷等貴重的材料，或用量很低。鈉離子電池正極材料的原材料成本與鋰電池的價差相差了三倍左右。
2）負極材料
我們在上文中提過，不同于鋰離子，在碳酸酯電解質(zhì)中不易實現(xiàn)石墨儲鈉，因此鈉離子電池也需要尋求新的負極材料。目前來看，能夠讓大量鈉離子存儲和快速通行、具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳，是比較合適商業(yè)化的材料之一。
而生物質(zhì)硬碳，是主流的負極路線之一，來源非常廣泛、合成簡單，比如椰殼、杏仁殼、秸稈等等都是理想的鈉離子電池負極材料。這方面也帶來一定的成本下降，由于鈉離子電池負極所用的硬碳，只需要1200-1600度碳化就可以了，省去了鋰電池負極石墨化燒結(jié)所需的2800-3200度高溫要求，更加省電和環(huán)保。此外，還可以用無煙煤等煤基材料為主體，以瀝青、石油焦等軟碳前驅(qū)體為輔材，來制得負極材料。
另外，在電解液、隔膜、集流體方面，由于鈉和鋰離子電池的工作原理類似，只需根據(jù)鈉離子的一些特點，在鋰離子電池體系的基礎上做一些改進即可。例如在集流體方面，因為低溫下鋰和鋁會發(fā)生合金化反應，因此鋰離子電池通常正極集流體選擇鋁箔，負極集流體選擇銅箔；而鈉離子電池正負極均可以選擇成本較低的鋁箔。再比如在電解液方面，目前主要沿用鋰電池的溶劑，但會改變一些針對鈉電池的鹽類（六氟磷酸鋰變成六氟磷酸鈉）。
據(jù)中金公司分析，市場主要從能量密度、循環(huán)壽命、快充性能、低溫性能、安全性、成本六個方面，來判斷一款電池的性能：
能量密度：鈉離子電池能量密度低于鋰電池。對比來看，磷酸鐵鋰單體的能量密度主要分布在160Wh/kg左右，而國內(nèi)外主流鈉離子電池企業(yè)的能量密度在50-140Wh/kg，2021年7月寧德時代發(fā)布的第一代鈉離子電池能量密度達到160Wh/kg， 與鋰離子電池類似，鈉離子電池的能量密度同樣取決于正極，三種正極材料之爭如上文所述。
循環(huán)壽命：鈉離子電池循環(huán)次數(shù)仍有待提升。主要是鈉離子體積較鋰離子更大，在嵌入脫出的過程中會導致結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，循環(huán)性能不穩(wěn)定。目前常見的鈉電池循環(huán)壽命在3000次左右，較磷酸鐵鋰電池3000-6000次的循環(huán)壽命仍有一定差距。雖然有實驗室采用面心立方結(jié)構(gòu)的普魯士藍材料，開發(fā)出了高倍率水系鈉電池，循環(huán)壽命可達到一萬次，但其能量密度僅為50Wh/kg，生產(chǎn)工藝也更為復雜。所以整體而言，鈉離子電池的循環(huán)壽命仍有待提升，目前對比三種主流鈉離子正極材料的循環(huán)壽命，普魯士藍>聚陰離子>層狀金屬氧化物。
快充性能：鈉離子電池優(yōu)于鋰電池?？斐湫阅艿谋举|(zhì)是指電池的充放電倍率，主要由鈉離子在正負極、電解液以及界面處的遷移能力決定。目前鈉離子電池的離子遷移速度，和電極界面反應快，快充性能優(yōu)于鋰離子電池。
低溫性能：鈉離子電池同樣具有更優(yōu)的低溫性能。在低溫環(huán)境下，鈉離子電池電解液/電極界面膜阻抗和電荷轉(zhuǎn)移阻抗的增大、以及鈉離子在正負極中遷移速度的降低，與鋰離子電池相比變化較小。
安全性能：鈉離子電池安全性更高。與鋰離子電池只存在一個平臺電壓不同，鈉離子電池在充放電過程中存在多個平臺電壓，降低電池過充或過放風險。此外，鈉離子電池較鋰離子電池具有更高的電導率，意味著電池內(nèi)阻較低，在電池運行過程中不會產(chǎn)生或多的熱量，因此較鋰離子電池具備更高的安全性能。
成本：鈉離子商業(yè)化仍未成熟，降本空間可期。從成本來講，鈉電池的成本優(yōu)勢主要體現(xiàn)在正極/電解液（鈉比鋰更容易獲得）、負極（成本更低的硬碳）以及集流體（鋁箔價格更低）的材料降本?，F(xiàn)階段因為產(chǎn)業(yè)成熟度低，所以整體成本還比較高，但未來可能存在30%-40%的下降空間。
綜合來看，目前鈉離子電池在低溫性能、安全性、快充等方面，表現(xiàn)是優(yōu)于鋰離子電池的，但在能量密度、循環(huán)壽命等方面，仍然有待提升。在成本方面，由于鈉離子電池的商業(yè)化還未成熟，當下還相對高，但考慮到鈉的材料來源豐富，還有比較大的降本空間。
此外，也有巨頭公司（例如寧德時代）在嘗試將鈉離子和鋰離子電池混搭，這種混搭方案的構(gòu)想是利用各個體系的特點和優(yōu)點，比如鈉離子電池的原材料優(yōu)勢，以及較好的低溫性能，來彌補磷酸鐵鋰和三元的薄弱點。例如寧德時代首創(chuàng)了AB電池系統(tǒng)集成技術(shù)，將鈉離子電池與鋰離子電池同時集成到同一個電池系統(tǒng)里，并且將兩種電池按一定的比例和排列進行混搭，串聯(lián)、并聯(lián)集成，再通過BMS的精準算法進行不同電池體系的均衡控制。
當然，不同材料的電壓范圍、曲線、循環(huán)都有不一樣的地方，如何有機結(jié)合還存在很多技術(shù)難點，值得持續(xù)觀察。
從市場角度來說，鈉離子電池主要是在儲能和動力電池場景的滲透：
儲能：儲能電池方面，鈉離子電池主要針對的是表前側(cè)規(guī)模儲電，和工商業(yè)儲能，因為這些領(lǐng)域?qū)﹄姵氐哪芰棵芏鹊囊?，不體現(xiàn)在鈉弱勢的體積/質(zhì)量能量密度，且對安全性、高功率性、低成本更加側(cè)重，所以比較適合鈉離子電池。而家儲產(chǎn)品，卻對體積能量密度需求較高，還是更適合鋰電池。
?動力電池：主要針對A0或A00級電動車（小型車和微型車），A0或A00級平均單次充電里程要求較低、單車配電在10-20KWh，車身空間較為充裕，對動力電池能量密度要求較低；且一般使用家用充電樁即可完成充電，充電便捷性高，因此比較適合鈉離子電池。而在低速兩輪車方面，鈉離子電池也有替代鉛酸電池的可能性。此外，在商用車方面，對于日營運里程在50-150公里之間的城市公交，以及廠區(qū)所用的叉車或AGV，也都比較適合鈉離子電池。
在應用場景方面，雖然鈉離子電池在能量密度方面不如鋰離子電池，但原材料成本較低、低溫性能和安全性良好，非常適合大規(guī)模儲能的應用場景。以及目前鈉離子電池的性能和成本，也能夠匹配部分商用車以及中低速電動車的動力電池，在這些領(lǐng)域有望替代部分鋰離子電池，緩解鋰資源不足。
按中金公司預測，預計到2025年全球鈉離子電池需求規(guī)模約為67.4GWh，滲透率達到3.5%，從結(jié)構(gòu)上來看，2025年儲能的表前市場有望成為最大的下游。
如今，有很多市場預測認為，2023年會是鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的元年。當然，鈉電不可能完全取代鋰電，當下還存在能量密度和綜合成本的劣勢，但鈉電的產(chǎn)業(yè)化速度會更快，因為它的生產(chǎn)工藝與鋰離子電池趨同，設備可遷移，產(chǎn)業(yè)鏈可復刻。
或許，鈉電最本質(zhì)的價值在于，能給市場另一個選擇，在沒有B方案的情況下，A方案的成本將很難降下去，只有B方案出現(xiàn)，各方相互制衡，市場才有選擇機會，才能會讓鋰的價格產(chǎn)生下降趨勢。而從國家能源安全角度來看，多一條替代選擇，也比把寶全壓在鋰離子電池上好。
當然，最終鈉離子電池能實現(xiàn)怎樣的替代，還得依靠兩者在性價比上的綜合比拼（也許鋰鈉混搭的融合方案也是不錯的選擇），來決定市場最終的走向。
References：
1.中金：儲能深度系列：鈉離子電池，鋰資源不足的新解法
2.中金：鈉電正極——三足鼎立，各有所長
3.浙商證券：鈉離子電池行業(yè)深度：空間釋放未來可期
4.海通國際：鈉離子電池入局企業(yè)眾多，產(chǎn)業(yè)前景廣闊
5.東方證券：鈉離子電池應用拓寬降本可期，產(chǎn)業(yè)化邁入快車道
6.國海證券：鈉離子電池發(fā)展迅速，負極材料產(chǎn)業(yè)化進程加快
7.華泰證券：鈉離子電池之二：產(chǎn)業(yè)生態(tài)漸露雛形
8.國泰君安：鈉離子負極明珠蒙塵引關(guān)注，降本峰回路轉(zhuǎn)在當前
9.中信證券：鈉電池時機已至，花開在即
10.天風證券：鈉離子電池初探：從儲能走向動力