那张电池纸
锂、钠、钾属于元素周期表的IA族碱金属元素，在物理化学性质上有相似性，理论上都可以作为二次电池的金属离子载体。
锂由于比钠、钾离子半径小、标准电位高、比容量高，在二次电池中的应用较早，也比较广泛。
然而，全球锂资源的储量是有限的。随着新能源汽车的发展，电池的需求急剧上升，资源端的瓶颈逐渐显现。由此造成的锂供需周期性波动，对电池企业和主机厂的经营造成负面影响。因此，行业内部加快了资源储备更丰富、成本更低的电池体系的研究和量产进程，钠作为锂的替代品应运而生，在电池领域越来越受到关注。
1.2的综合性能优于铅酸蓄电池，能量密度是短板。
钠离子电池的工作原理和锂离子电池类似。与其他二次电池类似，钠离子电池也遵循脱嵌的工作原理。在充电过程中，钠离子从正极脱出，嵌入负极。负极中嵌入的钠离子越多，充电容量越高。放电时，过程相反。返回正极的钠离子越多，放电容量越高。
能量密度比锂电池弱，比铅酸强。
能量密度方面，钠离子电池的电芯能量密度为100-160Wh/kg，远高于铅酸电池(30-50Wh/kg)，与磷酸铁锂电池(120-200Wh/kg)也有重叠范围。
目前量产的三元电池能量密度普遍在200Wh/kg以上，高镍系甚至超过250Wh/kg，对钠电池有显著的领先优势。
在循环寿命方面，钠电池是3000次以上，也是远远超出铅酸电池的300次。
因此，仅从能量密度和循环寿命来看，钠电池有望在启停、低速电动车、储能等市场取代铅酸和磷酸铁锂电池，但难以应用于电动车和消费电子，锂电池仍将是这两个领域的主流选择。
高安全性和优异的高低温性能。
钠离子电池的内阻比锂电池高，而且比锂电池瞬时发热量小，温升低，热逸散温度高，因此安全性更高。因此，对于过充、过放、短路、针刺、挤压等试验，钠电池不会着火或爆炸。
另一方面，钠离子电池可以在-40 ~ 80的温度范围内正常工作，在-20的环境下容量保持率接近90%，高低温性能优于其他二次电池。
倍率性能好，快充有优势。
依托开放式3D结构，钠离子电池具有良好的倍率性能，能够适应响应式储能和规模化供电，这是钠电池在储能领域的又一优势。
快充能力方面，钠离子电池充电时间仅需10分钟左右。相比较而言，量产的三元锂电池，电池从20%充到80%通常需要30分钟，磷酸亚铁锂需要45分钟左右。
2.1资源端:克服锂电池瓶颈
锂电池面临资源瓶颈，钠资源相对丰富。地壳中锂的丰度只有0.0065%。
根据美国地质调查局的报告，随着锂资源勘探力度的加大，2020年全球锂矿储量将增至21万吨锂金属当量(相当于1.1.2亿吨碳酸锂)，同比增长23.5%。如果每辆电动车使用50kg碳酸锂，不考虑碳酸锂的其他下游市场，目前的锂储量只能满足20亿辆车的需求，因此在资源端存在瓶颈。
从地区来看，世界主要锂矿资源国的锂储量均有不同程度的增长，其中澳大利亚和中国增长较多。其中，澳大利亚的锂储量已从2019年的280万吨增加到470万吨锂金属当量，而中国的锂储量将在2020年增加50%，达到1.5万吨锂金属当量。
总体来看，智利和澳大利亚仍是世界锂资源储量前两位的国家，分别占2020年全球锂资源储量的43.8%和22.4%。
相比之下，钠资源的地壳丰度为2.74%，是锂资源的440倍。同时分布广泛，提取简单，钠离子电池在资源端有很强的优势。
锂价上涨给企业成本端带来扰动。
短期来看，随着2021锂需求增加，上游锂矿供应收缩缺货，2020年锂矿和锂盐价格触底，2021上半年价格大幅反弹；长期来看，锂资源的产能瓶颈引发了市场对锂价中枢上移的预期。
对于企业来说，长期稳定的原材料价格对其正常经营意义重大，锂价的持续上涨可能会加速企业寻找更具性价比替代品的进程。
中国的锂资源对外依存度很高。
中国锂矿主要分布在青海、西藏、新疆、四川、江西、湖南等省，包括锂辉石、锂云母和盐湖卤水。
受提锂技术、地理环境、交通条件等客观因素制约，长期以来，我国锂资源开发缓慢，主要依赖进口；近年来，随着下游需求增长和技术进步，中国锂资源开发进度加快。
在不考虑库存的情况下，2020年中国锂产业对外资源的依存度将超过70%，保持较高水平。
发展钠离子电池具有战略意义。
除了减少碳排放和解决环境问题，中国大力发展新能源汽车的目的是减少对传统化石燃料进口的依赖。
因此，如果不能有效解决资源瓶颈问题，发展电动汽车的意义就要打折扣。
除了锂资源，锂电池的其他环节如钴、镍等也面临进口依赖和价格波动，因此钠离子电池的发展具有国家层面的战略意义。
2020年，美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系；欧盟储能计划的“电池2030”项目将钠离子电池排在非锂离子电池系统的顶端，欧盟的“地平线2020研究与创新计划”将钠离子材料作为制造非汽车应用的耐用电池的重点发展项目。我国两部委发布的《关于加快发展新能源储能的指导意见》提出，储能技术要多元化，加快飞轮储能、钠离子电池等技术的规模化实验和示范。
钠离子电池已经引起越来越多国家的重视和支持。
2.2材料端:突出成本优势
阴极材料
正极材料为钠离子活性材料，选择多样。
正极材料是决定钠离子电池能量密度的关键因素。目前有量产潜力的材料有过渡金属氧化物体系、聚阴离子(磷酸盐或硫酸盐)体系、普鲁士蓝(铁氰化物)体系。
过渡金属氧化物是目前阴极材料的主流选择。
层状过渡金属氧化物2(M为过渡金属元素)具有较高的比容量，在合成和电池制造方面与锂电池正极材料有许多相似之处，是具有商业化生产钠离子电池正极材料潜力的主流材料之一。
而层状过渡金属氧化物在充放电过程中容易发生结构相变，在长循环、大电流充放电过程中容量衰减严重，使得其可逆容量低，循环寿命差。
常见的改善方法主要有阴极材料的体掺杂和表面包覆。
在中科海钠中使用P2型铜基氧化物(P2-Na0.9Cu0.22Fe0.3Mn0.48O2)，显著提高了正极材料的容量水平，电池能量密度达到145Wh/kg。
钠创新能源中使用的O3-NaFe0.33Ni0.33Mn0.33O2，克容量高(超过130mAh/g)，循环稳定性好。
英国Faradion公司采用镍基氧化物材料，电池能量密度超过140Wh/kg。
钒磷酸钠是主要研究方向之一。
聚阴离子化合物Na[()] (M为Fe、V等价态可变的金属离子，X为P、S等元素)具有电压较高、理论比容量较高、结构稳定等优点，但电子电导率低限制了电池的比容量和倍率性能。
目前工业上研究最多的材料主要有磷酸铁钠、磷酸钒钠、硫酸铁钠等。，并通过碳包覆和添加氟来提高导电性和容量。
钠创新能源将磷酸钒钠作为钠电池重点研发正极材料之一，中科院大连理化所实现了三氟化钒钠的高效合成与应用。
普鲁士蓝材料具有更高的理论容量。
普鲁士蓝材料，Na[()6] (Fe、Mn、Ni等元素)具有开放的框架结构，有利于钠离子的快速迁移；理论上可以实现双电子反应，所以理论容量高。
但在制备过程中也存在一些问题，如结构水含量难以控制，容易与电解液发生相变和副反应，导致循环性能较差。
辽宁空性钠电致力于Na1.92FeFe(CN)6的产业化研究，理论容量高达170 mAh/g；当代安普科技有限公司使用普鲁士白(Nan[Fe()6])材料，创新性地重新排列了材料体相结构的电荷，解决了普鲁士白在循环过程中容量迅速衰减的核心问题。
钠离子电池在材料端具有显著的成本优势。
由于碳酸钠的价格远低于碳酸锂，且钠离子电池的正极材料通常采用铜、铁等块体金属材料，因此正极材料的成本低于锂电池。
中科海纳官网数据显示，采用NaCuFeMnO/软碳体系的钠电池正极材料成本仅为采用磷酸亚铁锂/石墨体系的锂电池的40%，而电池总材料成本比后者低30%-40%。
负极材料
钠离子电池的负极材料主要包括碳基材料(硬碳和软碳)、合金(锡、锑等。)、过渡金属氧化物(钛基材料)和磷酸盐材料。
钠离子的半径比锂离子大，很难嵌入石墨材料，所以传统的锂电池石墨负极不适合钠电池。
合金一般体积变化大，循环性能差，而金属氧化物和磷酸盐一般容量低。无定形碳是钠电池的主流材料。
在已报道的钠离子电池负极材料中，非晶碳材料因其相对较低的钠储存电位、较高的钠储存容量和良好的循环稳定性而成为最有前途的钠离子电池负极材料。
无定形碳材料的前体可以分为软碳和硬碳前体。前者价格低廉，可在高温下完全石墨化，并具有优异的导电性。后者价格昂贵(65，438+0-20万元/吨)，高温下不能完全石墨化，但碳化后得到的碳材料的储钠比容量和首周效率相对较高。
次烟煤、烟煤、无烟煤等煤基材料具有资源丰富、价格低廉、碳产率高等特点。由煤基前驱体制备的钠离子电池负极材料，钠储存容量约为220mAh/g，首周效率为80%，是目前性价比最高的钠离子电池碳基负极材料。但这类材料具有微粉、振实密度低、形状不规则等特点，不利于电池生产过程中的加工。
中科海纳以次烟煤、褐煤、烟煤、无烟煤等煤基材料为主要原料，以沥青、石油焦、针状焦等软碳前驱体为辅助原料，提出了一种能够改善煤基钠离子电池正极材料加工性能和电化学性能的方法。制备工艺简单，成本低，可获得微粉含量低、振实密度高的电池正极材料。
当代Amperex科技有限公司开发了一种具有独特孔结构的硬碳材料，具有易脱嵌和优良循环的特点。比容量高达350mAh/g，相当于动力石墨的水平。
电极集流体均为铝箔，成本较低。
在石墨基锂离子电池中，锂可以和铝反应形成合金，所以铝不能作为负极的集流体，只能用铜代替。
钠离子电池的正负极集流体都是铝箔，所以价格更低；中科海纳官网数据显示，采用NaCuFeMnO/软碳体系的钠电池集流体(铝-铝)成本仅为采用磷酸亚铁锂/石墨体系的锂电池集流体(铝-铜)成本的20%-30%。
集流体是除正极外，材料成本与锂电池差别最大的环节。
浴液
与锂离子电池类似，钠离子电池中的电解质主要分为三类:液体电解质、固液复合电解质和固体电解质。
一般来说，液体电解质的离子电导率高于固体电解质。
在溶剂层面，酯类电解质和醚类电解质是最常用的两种有机电解质，其中酯类电解质是锂离子电池体系的主要选择，因为它能有效钝化石墨阳极表面，且其高压稳定性优于醚类电解质。
对于钠离子电池:
首先，主流的R&D机构仍然使用酯类溶剂，如PC、EC、DMC、EMC等。，正负极不同，功能配方不同，而且PC的消耗比锂电池高；
其次，醚电解质中的钠离子和醚溶剂分子能够发生高度可逆的插层反应，在阳极材料表面有效构筑稳定的电极/电解质界面，因此受到越来越多的关注和研究；
最后，水基电解液也是新的研究领域之一。以水代替传统的有机溶剂作为电解质溶剂，更加环保、安全、低成本。
在电解质层面，锂盐将被钠盐取代，如高氯酸钠(NaClO4)、六氟磷酸钠(NaPF6)。
在添加剂层面，传统的通用添加剂体系并没有明显改变，比如FEC仍然广泛应用于钠离子电池。
其他的
隔膜方面，钠离子电池和锂电池在技术上差不多，孔隙率要求可能会有一些差异。
在外形包装上，钠离子电池也包括圆柱形、软袋、方形三种路线。
据各官网介绍，中科海纳主要采用圆柱形和软包路线，钠创新能有三种技术路线。
在设备和技术上，与锂电池差别不大，有利于利用现成的设备和技术快速商业化生产钠电池。
大规模生产后的成本预计低于0.3元/Wh。
目前，由于缺乏配套产业链和规模效应，钠离子电池实际生产成本在1元/以上；政策的支持和龙头企业的推动有望加速产业化进程。如果达到目前锂电池的市场量，成本有望降到0.2-0.3元/Wh，比锂电池有优势。
3.1钠离子电池重返舞台研究发热。
钠离子电池的研究开始于1970左右。起初，钠离子电池和锂离子电池都是电池领域科学家的重点研究方向。
20世纪80年代，锂离子正极材料的研究首先取得突破。以钴酸锂为代表，结合石墨作为正极材料，使得锂电池获得了优异的性能。真正区分两者的是索尼在1991成功商用锂电池，并首次应用于消费电子领域。
锂电池的顺利商业化对钠离子电池技术路线的发展产生了负面抑制。当时商用锂离子电池的循环寿命可以达到钠离子电池的10倍左右，两者性能相差甚远。锂离子电池吸引了科学家、资本和行业的绝对关注。
2010年后，由于大规模储能市场的场景逐渐清晰，以及业界对锂资源未来可能面临供应瓶颈的担忧，钠离子电池重新进入人们的视野。
随后的十年间，世界顶尖的国家实验室和大学都在大力研发钠离子电池，一些企业也开始效仿。
包括国际代表Faradion公司、国内代表机构当代安普科技有限公司、中国科海钠和钠创新能源、锂电池代表企业。
由英国牛津大学牵头的Faradion公司成立于2011，是世界上最早从事钠离子电池研究的公司。15年开发了电池系统，由层状金属氧化物和硬碳系统组成。
之后，很多国家也成立了相关的机构和公司。比如法国科学院在15年就开始研发磷酸钒钠电池，夏普北美研究所几乎同时研发了长循环寿命的钠电池。
中科海钠
中科海纳成立于2017，是国内第一家专注于钠离子电池研发的公司。公司团队主要来自中国科学院物理化学研究所。
2017年底，中科海纳研发出电动自行车用48V/10Ah钠离子电池组。2065438+2008年9月，公司推出首款钠离子电池低速电动车；
2065438+2009年3月，公司自主研发的30kW/100kWh钠离子电池储能电站在江苏省溧阳市示范运行成功。2020年9月，公司实现钠离子电池产品量产，产能30万片/月；
2021年3月，公司完成1亿元系列融资，建设年产2000吨钠离子电池正负极材料生产线；2021年6月，公司全球首个1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投产。
在材料体系方面，分别采用低成本的Na-Cu-Fe-Mn氧化物和无烟煤基软碳作为阳极和阴极材料。电池能量密度接近1.50 Wh/kg，循环寿命超过4000次。产品主要包括钠电池、阳极、电解液及其他配套材料。
钠创新能源
钠创新能量诞生于2018。由上海电化学能源装置工程技术研究中心、上海紫建化工科技有限公司、浙江医药股份有限公司* * * *共同创办，技术团队主要来自上海交通大学。
2065438+2009年4月，正极材料中试线建成并满负荷运行；5438年6月至2020年10月，建成公司二期生产计划基地；2021年7月，公司与刘梦洁公司联合发布电动两轮车钠离子电池系统。
在材料体系方面，公司对铁酸钠基三元氧化物进行了深入研究，产品主要有钠电池、铁基三元前驱体、三元材料、钠电解质等。
当代安培科技有限公司
当代安培科技有限公司从2015开始研发钠离子电池，R&D团队迅速扩大。2020年6月，公司宣布成立21C创新实验室，以锂金属电池、固态锂电池、钠离子电池为中短期主攻方向。
2021年7月，公司推出第一代钠离子电池，采用普鲁士白/硬碳体系，单体能量密度高达160 Wh/kg。室温充电15分钟，电量可达80%以上；
在-20℃的低温环境下，放电保持率在90%以上。系统集成效率可达80%以上，热稳定性远超国标安全要求；
公司表示，下一代钠离子电池的能量密度研发目标在200Wh/kg以上。
在系统创新方面，公司开发了AB电池系统解决方案，即将钠离子电池和锂离子电池按照一定比例混合集成到同一个电池系统中，通过BMS精准算法进行不同电池系统的均衡控制。
AB电池系统解决方案不仅弥补了目前钠离子电池能量密度的不足，还发挥了其功率高、低温性能好的优势。基于这种体系结构的创新，可以为锂钠电池系统拓展更多的应用场景。公司已经开始了相应的产业化布局，计划在2023年形成基础产业链。
3.2剑指储能和低速车市场，潜在市场空间大。
预计2025年钠离子电池潜在市场空间将超过200GWh。
根据以上分析，钠离子电池有望在储能、低速车辆和一些能量密度低、成本敏感性强的低续航乘用车领域率先替代应用。
不考虑电池系统改进(如锂钠混合)带来的应用场景拓展，2020年全球储能、两轮车、A00车装机容量分别为14/28/4.6 GWh，预计2025年三种场景电池装机容量分别为180/39/31 GWh。
钠离子电池作为二次电池的重要技术路线之一，在上游资源短缺和制造成本日益受到关注的现状下，凭借资源和成本优势获得了市场的广泛关注。
但钠离子电池由于能量密度较低，提升空间有限，在行业新能源细分领域作为替代品发挥的作用更大，有望率先在储能、低速车辆和部分能量密度要求低、成本敏感性强的低续航乘用车领域替代应用，对中高端乘用车市场影响非常有限。
在龙头企业的带动下，钠离子电池的产业化进程有望加快。
行业公司:
1)传统电池及电池材料企业，布局钠离子电池相关技术。
虽然技术路线存在差异，但传统的锂电池龙头企业在资金和研发方面优势明显，对各种技术路线高度敏感，对钠离子电池相关技术有诸多布局。
当代安培科技有限公司和彭辉能源均在钠电领域保持长期R&D投资，后者预计21年底电池量产；杉杉股份、普泰来、新舟邦关注欣旺达、白蓉科技、翔凤华，均在钠电池或材料领域拥有专利或R&D布局。
2)投资钠离子电池企业的公司。
华阳股份，公司间接持有中科海纳1.66%股权；浙江医药股份有限公司持有钠创新能40%股权。
3)重塑产业链带来的机遇。
钠离子电池的量会带动电解液中正负极和锂盐技术路线的改变，新的优秀供应商会脱颖而出。
华阳股份与中化海纳既有股权关系，也有业务合作。生产的无烟煤是海纳煤基阳极的重要原料之一，与后者合资建设阳极和阴极材料项目；中烟化工、南风化工有上游钠盐储备。
1)钠离子电池技术进步或成本降低不及预期的风险:
钠离子电池的产业化还处于起步阶段。如果技术进步或成本提高的速度慢于预期，就会影响工业化进程，导致其竞争优势的丧失。
2)企业推广不如预期的风险:
目前钠电池由于规模小，缺乏配套产业链，生产成本高，其规模化生产离不开龙头企业的大力推动；如果未来企业态度软化，将会影响钠电池的产业化进程。
3)储能和低速车辆市场发展不如预期的风险:
钠离子电池主要应用于储能和低速车辆领域。如果下游市场发展速度低于预期，将影响钠电池的潜在市场空间。
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作者:平安证券朱栋皮秀王子曰
报告原名为《电力设备行业深度报告:巨头摇旗呐喊“钠”入市，技术路线面临分化》