2022年钠离子电池行业发展现状及产业链分析.docx

2022年钠离子电池行业发展现状及产业链分析1.钠电工艺复用率超80%，短期看好层状金属氧化物路线1.1.钠电三条路线各有优劣，层状金属氧化物发展最成熟钠离子电池组成与锂离子电池类似，主要由正极、负极、电解液、隔膜几大部分组成。目前，常用的钠离子正极材料主要为层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物三类。其中，层状过渡金属氧化物与锂电三元材料类似，聚阴离子化合物则更接近磷酸铁锂结构，普鲁士蓝是钠电新增路线。短期层状过渡金属氧化物材料走在产业化最前列。与其他两种路线相比，层状氧化物路线发展最为成熟，产业传导路径顺畅，最先具备产业化基本条件。层状过渡金属材料基本无短板，电化学性能在三者中最为优异，理论比容量最高（~240mAh/g）。且由于其合成方便、结构简单、原料来源广，是最具潜力的钠离子电池正极材料之一。包括中科海钠、钠创新能源在内的多家钠离子电池公司优先选择此条电池路线。2022年末，中科海钠1GWh钠离子量产线投产，将带领层状过渡金属氧化物材料成为最先产业化的钠电材料。长期三路径或并行发展。长期来看，其他两路径各有优劣。聚阴离子化合物路线表现出较高的热稳定性、安全性和循环性，但其比容量低，导电性差，材料较贵。而普鲁士蓝化合物合成成本很低，比容量较高（~170mAh/g），快充性能优异，但结构中结晶水难以去除，存在一定的安全隐患。如果未来两类材料限制因素得到改善，有望形成三足鼎立、优势互补新局面。1.2.层状金属氧化物路线无短板，制备工艺承袭锂电三元比容量高，综合性能无短板。层状过渡金属氧化物（NaxMO2）结构同锂离子三元材料类似，由过渡金属层和碱金属层交替排布。该路线比容量最高，压实密度存在显著优势，具备制备较高能量密度钠离子电池潜能。与三元锂电材料相比，大体积的Na+在层状结构中的脱嵌过程往往会对材料结构造成不可逆改变（~23%），从而影响材料循环性能，需要通过元素掺杂等方法加以改性。从材料角度，层状过渡金属氧化物材料无明显短板，适用于各领域储能需求。P2型层状过渡金属氧化物潜力亮眼。层状过渡金属氧化物以O3型（八面体型）和P2型（三棱柱型）为主流。O3型结构容量保持率低，但Na+含量高，能量密度高。P2型结构则与之互补，循环性能较好，而比容量受到限制。由于P2型结构空气稳定性更好，在安全性、倍率性能上存在优势，未来可能成为兼具比容与安全的钠电优选路线。层状金属氧化物工艺易于放大，液相法与锂电三元工艺大同小异。层状金属氧化物作为发展最为成熟的路线，制备过程简单，易于放大，从技术端向产业端传导更顺畅。目前产业化层状金属氧化物钠离子电池工艺主要有液相法与固相法两类，其中，除原材料和具体工艺参数外，液相法与锂电三元正极材料制备工艺高度一致，锂电设备复用率高，易于钠离子电池的迅速产业化。固相法与液相法相比，无需前驱体制备步骤，但烧结温度更高。1.3.聚阴离子材料高循环高成本，核心工艺复用锂电高稳定性聚阴离子材料短板在能量密度与成本。聚阴离子化合物结构式为NaxMy[(XOm)n-]z（M为可变价态的过渡金属，X为P、S、V、Si等元素）。该结构中，X的氧多面体与过渡金属通过共用顶点的方式构成稳定的框架结构，Na+储存在这些框架之中。这种稳定的框架结构赋予了这类电极材料高度结构和热力学稳定性，循环寿命可以做到10000次以上。其中，包括磷酸钒钠和氟磷酸钒钠在内的NASICON（Nasuperionicconductor，Na+快离子导体材料）材料性能最为优异，Na+传输速率达10-11cm2/s，比其他钠离子正极快3-6个数量级。但庞大的阴离子基团使其比容量低且电子导电性较差，需要加入大量的碳进行包覆，而此工艺又拉低了其振实密度，使其全电池能量密度不尽理想。除此以外，所用到的钒元素较贵且有毒，难以体现钠离子电池的低成本特性。主流制备工艺高度类似，新兴球磨法赋予材料降本可能。目前，磷酸铁锂制备工艺主要包括以德方纳米为首的溶胶凝胶法和大多数厂家所采用的高温固相法。溶胶凝胶法工艺产品一致性更高，但对工艺要求较高，合成难度更大。高温固相法则与之相反，设备和合成工艺简单，制备条件容易控制，但对产品批次的一致性则稍差。在钠电生产工艺中，两种方法具备与磷酸铁锂工艺相似性质，而两种方法均需用到高温烧结法。近期，中科院过程所采用新型一步机械法工艺，实现原位碳骨架构建，强化界面反应，将液相法的7天生产时间缩短至30分钟，并已与中科海钠合作，放大到商业26650圆柱电池中。该工艺为聚阴离子材料的降本提供了可能。1.4.普鲁士蓝成本低比容高，工艺与锂电差异显著普鲁士蓝类似物优缺点两极化。普鲁士蓝类似物结构式为NaxM1[M2(CN)6]y□1-y·zH2O，M1和M2一般为过渡金属元素，□为由于失去M2(CN)6基团造成的空位，一般被结合水及