钠电池“备胎转正”还有多远?

2023-01-20 0 12
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“我不认为未来钠离子电池会完全取代锂电池,我认为他们应该是并存的关系”。北京理工大学车辆与交通工程学院副教授 孙立清表示。

不管是哪一种电池体系,材料的进步决定电池的进步。

储量丰富,原料价格低,更不易燃,低温效果更好……,钠离子电池商用并取代锂电池的呼声越来越高。

由于锂电原材料价格持续高企,短期内供需矛盾难改,企业端承压,相对锂电池发展“落后”20年的钠离子电池似乎有了“备胎转正”的可能。

宁德时代计划在今年实现钠离子电池产业化;网传比亚迪计有望成为全球首个钠离子电池装车的企业;另外,蜂巢能源、中科海钠、亿纬锂能、孚能科技等电池开发制造企业先后推进钠离子电池项目。就连华为也通过旗下投资平台哈勃科技认购中科海纳13.3%股份,成为后者第三大股东,跨界涉猎钠离子电池。

2022年以来,新能源汽车高景气,而锂电池原材料价格上涨。在此背景下,钠电池将取代锂电池的声量越来越大,从上游的矿场到中游的动力电池厂商,都争先恐后布局钠电池产业,钠电池概念股也持续呈现高景气状态。

接下来,钠离子电池能否完全取代锂电池?掌握了钠电池,是否就等于拿到了赢得下一个时代的财富密码?

难点:技术性能、产业链存明显短板

与锂电池相比,钠离子电池最明显的优势是价格,另外在性能方面具备低温性能好、适合快充、安全稳定等特点。

从2021年下半年到2022年上半年,全球锂资源处于供需紧平衡的状态,电池级碳酸锂价格自2021年下半年到2022年上半年增速达到433%,到2022年底价格高达56.45万元/吨。相比之下,碳酸钠的价格仅为2650元/吨,是碳酸锂价格的0.47%。

根据中科海纳估计,Cu-Fn-Mn基钠离子电池原材料最终成本相对磷酸铁锂/石墨体系将降低30%-40%。

另外,相比锂资源,钠资源地壳程度更丰富为锂矿的400倍,且分布更为均匀。

虽然,钠离子电池优势明显,但是从扩能投产所目前的角度来看,钠离子电池在技术性能和产业链层面还存在明显的短板。

首先,就技术性能层面来说,钠离子电池的短板主要体现在能量密度和循环寿命等方面。

在能量密度上,钠离子电池在100-150Wh/kg之间,而锂离子电池在150-250Wh/kg之间;在循环寿命方面,钠离子电池为2000+次,而锂离子电池为3000+次。

其次,则是钠离子电池正极三种技术路线都存在一定的短板。据了解,目前,钠离子电池正极三种路线分为层状氧化物、普鲁士蓝/白化合物,聚阴离子化合物。

横向来看,层状氧化物的优点是能量密度高、循环性能和倍率性能好。其缺点是空气中材料稳定性差、浆料容易果冻、容易与电解液发生副反应等。这些问题可能会导致层状氧化物容量衰减严重、循环性能及加工性能变差。

普鲁士蓝/白优点为成本低、合成简单、可塑性强、理论克容量和倍率性能高。其缺点是除水困难、循环寿命低、实际倍率性能差、体积能量密度低、电压极化大、有热失控风险等。

聚阴离子化合物优点为循环寿命高、理论工作电压高、热稳定性好。其缺点是能量密度低、原材料成本高、可逆比容量低和部分材料含有有毒元素,而且聚合阴离子化合物合成方法复杂,同时为提高其电导率往往需要采取碳包覆等手段,材料改性要求较高。

据了解,钠离子电池正极材料与锂电池一大主要差异在于正极材料,而钠离子正极材料多样,正极材料技术路线超百种,现阶段主流路线为上表中的三种,但三者间各有不足,这也对各企业加大研发力度采取多种改性策略提出挑战。换句话,目前行业仍处在寻找最优解的摸索阶段。

孙立清表示:“目前,钠离子电池的套体系没有固定,材料体系没有固定。比如说普鲁士蓝,普鲁士白是化工染料,并不是针对电池的东西。说白了,这拿来搞电池能成吗?另外还有,材料纯度等方面是否合适?这些,我都存在怀疑。所以现在雷声大雨点小,做出来的东西从实验室再到产业化过程中还是存在问题的。”

博弈:如果锂电池寿命延长,钠电池还有未来?

从发展历史上看,由于SONY(索尼)公司率先实现锂电池商业化,导致钠离子电池发展长期陷入停滞期。那么,伴随如今的需求倒逼和未来的研发突破,钠离子是否有机会“替补出场”取代锂电池的位置?

值得一提的是,钠离子电池和锂离子电池的生产工艺相似度颇高。

据了解,钠离子电池和锂离子电池一样都属于“摇椅电池”的模型。区别在于把正极和电解液换成了含钠的正极和含钠的电解液,同时把石墨和铜箔换成了硬碳和铝箔。

有观点认为,钠离子电池的生产工艺与锂离子电池趋同,技术可复刻,设备可迁移。换句话说,对企业而言,如果要转为钠离子电池生产线,只需要部分技术替代,而不需要整体重造。所以未来钠离子电池有望进一步取代锂电池。

对此,孙立清持不同观点,他表示:“钠离子电池替代不了锂电池,两者只能是共存的关系,就像现在锂电池和铅酸一样。”

除了前文中提到的钠离子电池存在的技术难题,孙立清还提出很关键的一点,在不久的将来,锂电池技术还将迎来一次质的飞跃。

孙立清表示:“现在锂资源之所以紧张,很大一部分原因是锂电池的寿命问题,一般电池使用时限在三四年。如果,能通过技术锂电池的寿命延长到十年,那么,由锂资源紧张导致的成本问题就会在很大程度被化解。”

“这种技术可能会很快实现”孙立清表示,“现在正极材料富锂锰基的主要问题就是首效,在电池做好后,要进行首次循环,正极材料里添加的物质要转化成有效的摇椅的成分。而现在首效的过程中效率比较低,只有60%。”

由于成本低、安全性好等有点,富锂锰基正极材料被视为下一代锂动力电池的理想之选。但是,富锂锰基材料首周效率偏低的问题待解。据了解,造成富锂锰基材料首周效率偏低,是由于富锂锰基层状正极材料充电至高电位时易与电解液发生一系列复杂的界面反应导致电解液分解,同时在高电位下还存在不可逆的活化过程,从而使其容量和循环性能降低。

“后续是有办法把守孝提到97以上”孙立清透露,“我们知道用什么方法能把它提升上来,所以,富离锰基做正极的400Wh/kg以上的电池没问题,现在已经有材料可以做到,我预计很快就会应该量产了。”

至于钠离子未来的发展路径,孙立清认为,钠电池有一个是好的趋势,如果未来钠离子电池正极材料的纯度问题和电极之间相互干扰的问题能被解决,那么可能会存在另外一种情形,在某种正极材料和固态电解质搭配组合下,钠电池是有希望望做到250~260Wh/kg能量密度等级的。

“但是,这种固态电解质,不是目前所谓的聚合物,也不是氧化物或者硫化物,需要另外一种物质来解决。而负极材料,可能不是什么所谓的硬碳、软碳,也不是现在大家拿石墨加点硅就能解决的问题,而是需要新型的材料。”孙立清补充说。

然而,即便钠离子在全新的材料技术加持下,做到了250~260Wh/kg能量密度,但是距离完全取代锂电池还有很远的路要走。

“250~260Wh/kg能量密度能量密度相当于是什么?相当于目前我们做的锂的三元电池。”孙立清表示,“换句话说,如果用钠做出来的电池和现在的三元电池性能差不多,按照这个逻辑的话,钠电池在未来际可以替代一部分锂电池,到那个时候这种锂电池,应该叫低温锂电池。”

机会:A00级车型,储能市场

未来,锂离子电池与钠离子电池的技术,更迭有望实现互为补充的双赢格局。

对车企来说,短期来看钠电池对汽车最大赋能应该最先体现在入门级电动车市场,或者说续航里程较短的一类车型之上。

如前文中提到的钠离子的主要劣势体现在能量密度方面,相较于磷酸铁锂电池200-350Wh/kg的能量密度,钠离子电池能量密度偏低,所以更适用于续航较短的纯电细分市场。

浙商证券在行研报告中指出,根据不同场景对于性价比的敏感程度,钠离子电池预计未来首先取代铅酸电池。率先实现电动自行车、低速电动车、备用电源和起动电池的无铅化;标准化程度提高之后,有望实现A00级电动汽车的有效应用。

实际上从市场表现来看,去年持续上涨的锂电价格在一定程度上影响到了纯电市场。

数据显示,在2021年,中国A00级电动车的销量为89.02万辆,在新能源车的渗透率为

27.04%,2022年前11月A00级电动车的销量为125万辆,只有2021年销量的六成左右,渗透率下降至21.77%。

分析认为,A00级车型的用户是成本敏感性,锂电池成本的上涨影响了销量,动力电池方面,用A00级別车型跑量,是过去多年中国新能源汽车发展的基础环节。由于电池及各种零部件成本大涨(原材料包含金属和石油衍生工业品价格上涨),挤压了A00级电动车型的生存空间。

在供给端意愿受影响的情况下,调整的手段主要是通过对整车售价进行大幅调整,这将直接

导致需求减弱。从成本端进行调控成为车企的主要需求。财通证券曾在研报中指出,宏光MINI EV的毛利率只有2%-3%。

显然,A00 电动车的生产企业对于成本的敏感性较高,钠电池的应用具备一定优势。浙商证券行业分析认为,如果钠电池产业化进展顺利的话在2025年就会形成20%~30%的价格优势,对于下游客户来说会形成非常大的吸引力。

事实上,电池生产制造企业以及汽车主机厂已经开始布局。

今年1月宁德时代表示,正在推进钠离子电池在2023年实现产业化。宁德时代研究院副院长黄起森在钠离子电池产业链与标准发展论坛上表示:“在乘用车应用方面,钠离子电池普遍可以满足续航400公里以下的车型需求。”

更远一些来说,对于部分装载钠离子电池的 A0 级汽车车型,会形成一定的降本空问,缩小与原搭载锂电池的A00 级汽车的价差,对于搭载锂电池的 AO级汽车会形成替代效应。

去年12月,孚能科技在投资者互动平台透露,公司钠离子电池产品已处于集中送样阶段,产品已满足A0级车需求。公司计划2023年全面进入钠电池产业化阶段,目前已与江铃集团等多家知名两轮车企和乘用车企开展深入合作。

其中,江铃新能源在2019年推出EV3纯电动车型,目前该车型最新款的售价在8万元左右,续航里程为302公里,搭载是孚能科技的锂电池。

此前有媒体报道称,比亚迪计划在今年二季度量产钠离子电池,搭载于秦、海豚及海鸥等车型,将成为全球第一个将钠离子电池装车的企业。但,该消息目前尚未获得比亚迪方面证实。

除了在汽车方面的应用,钠离子电池更广阔的应用场景或是储能市场。

鑫椤咨询高级研究员张金惠认为,2023年碳酸锂供给增量有限,预计价格将维持高位。张金惠表示:“钠资源更加丰富,可以满足后续广阔的储能市场需求。未来,钠离子电池将全方位取代传统铅酸电池市场,预计替代空间达500GWh左右。”

成本、高低温性能、高安全是下一代产品储能产品重要方向。

据行业研究报告显示,当前,锂电池的下游应用存在痛点:一方面,电池和系统的成本偏高,项目财务收益性受打压;循环次数虛标,相当部分大储电池在实际储环缩水,导致全生命周期度电成本是抽水蓄能的 2-3倍;电池过热引起的爆炸起火事件频发,安全性存忧。

而相比之下,从各种的储能场景来看,钠离子电池更能满足电力储能、通信储能、户用家储的场景和新要求。

车云小结

对车企来说,伴随钠离子电池材料的进步,短期来讲或将被更广泛的运用在里程较短的入门级纯电市场,其优秀的低温性及成本优势,能有助于车企提升毛利并且能更好的下沉更广泛市场。另外,在规模化效应的趋势下,钠离子降本效应进一步凸显,其在储能市场的渗透率也将会提升。

但同时,车云菌认为,关于钠离子电池未来的市场前景应该秉持乐观谨慎的态度。

钠离子电池在2022年迅速走红主要是因为锂电材料紧俏需求倒逼所造成的结果。但近来,锂电材料近来价格有走低之势,如果之后锂资源边际供大于求,电池行业的供需关系或将重新平衡。另外,与商业化程度更为成熟的锂离子电池相比,钠离子电池的商业化进度仍处于起步阶段,在技术层面,钠离子电池还有不少需要突破的地方。

本文来自微信公众号 “车云”(ID:cheyunwang),作者:张宇豪。

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