薦：GSAuto聯(lián)盟|三電技術(shù)專家委員會(huì)，初期僅對(duì)主機(jī)廠、Tirl1等公司新能源汽車三電研發(fā)管理制造方面人員、大學(xué)及科研機(jī)構(gòu)等新能源汽車三電研究人員，現(xiàn)已招募490+人，主要分布在50+主機(jī)廠、50+Tire1、大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)等三電研發(fā)管理崗位人員。

《世界氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告（2021）》重點(diǎn)聚焦“雙碳”目標(biāo)下氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，分為總報(bào)告、氫能篇、整車篇、零部件篇、標(biāo)準(zhǔn)篇、專題篇、借鑒篇七部分。總報(bào)告對(duì)2020年以來(lái)全球和我國(guó)氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全面闡述，分析了氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)面臨的新階段、新機(jī)遇。氫能篇聚焦可再生能源制氫這一發(fā)展方向，對(duì)其未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)及潛力進(jìn)行了分析。整車篇通過(guò)對(duì)中重型車的應(yīng)用場(chǎng)景及技術(shù)要求進(jìn)行研究，分析了燃料電池中重型車的應(yīng)用潛力。零部件篇圍繞燃料電池關(guān)鍵零部件及材料，分析了其國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r、存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)。標(biāo)準(zhǔn)篇對(duì)2021年發(fā)布的三項(xiàng)重要液氫標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了解讀，并分析了液氫標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。專題篇對(duì)氫動(dòng)力運(yùn)輸裝備創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行了研究，提出了氫動(dòng)力運(yùn)輸裝備發(fā)展路線圖。借鑒篇選取上海市、現(xiàn)代汽車、加拿大氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)行分析，以期為城市、企業(yè)、國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

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鈉離子電池

鈉離子電池的發(fā)展

鈉離子電池最早由ARMAND團(tuán)隊(duì)于20世紀(jì)80年代提出，在90年代經(jīng)過(guò)產(chǎn)業(yè)化推廣得到技術(shù)應(yīng)用。從2011年起進(jìn)入成長(zhǎng)期。鈉離子電池本質(zhì)是在充放電過(guò)程中由鈉離子在正負(fù)極間嵌入脫出實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，與鋰離子電池的工作原理類似。

鈉離子發(fā)展歷史

鈉離子電池研究自2010年快速增長(zhǎng)（1980-2021）

鈉離子電池工作原理

利用鈉離子（Na+）在正負(fù)極材料之間的可逆脫嵌實(shí)現(xiàn)充放電。

充電時(shí)，Na+在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)傳輸嵌入負(fù)極，實(shí)現(xiàn)電量?jī)?chǔ)存，放電過(guò)程正好相反。

來(lái)源：中科海納官網(wǎng)

來(lái)源：國(guó)泰君安證券研究

鈉離子電池的組成

鈉離子電池主要由正極、負(fù)極、電解液和隔膜四部分構(gòu)成，其中正極和負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能決定著整個(gè)電池的儲(chǔ)鈉性能。

相較于鋰離子電池，鈉離子半徑和體積較大，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)性能上面不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，需要更多的技術(shù)突破，而技術(shù)選擇的焦點(diǎn)集中于正極材料和負(fù)極材料，這決定了鈉離子電池的性能和成本。

正極材料：

正極材料主要為電池提供離子源，決定了電池的能量密度。

目前正極材料主要有三種路線，分別是層狀過(guò)渡金屬氧化物、普魯士類化合物和聚陰離子化合物，前兩者在商業(yè)應(yīng)用上的實(shí)踐更為廣泛，典型代表分別是中科海鈉和寧德時(shí)代。

鈉離子電池正極材料分類

層狀過(guò)渡金屬氧化物NaxMO2

M為過(guò)渡金屬元素，如Mn、Ni、Cr、Fe、Ti和V及其復(fù)合材料，比容量高且易于加工量產(chǎn)，可以分為單金屬氧化物、二元金屬氧化物、三元金屬氧化物和多金屬氧化物，在合成與電池制造方面與鋰電池有相似之處。

其中單層金屬氧化物是參照鋰電池LiCoO2研究，但是結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，而摻入多種元素的二元或三元金屬氧化物可以具有較高的可逆容量及較好的循環(huán)壽命，但同時(shí)也提升了成本。

在產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面得到了較為廣泛的應(yīng)用，其中英國(guó)Faradion公司采用Mn–Ni–Ti–Mg四元層狀氧化物正極材料，電池能量密度超過(guò)160Wh/kg，循環(huán)壽命在3000次以上，未來(lái)有進(jìn)一步提升的空間。

中科海鈉采用了Cu-Fe-Mn三元層狀氧化物正極材料，電池能量密度達(dá)到135Wh/kg，具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性。

普魯士類化合物

普魯士類化合物是過(guò)渡金屬六氰基鐵酸鹽NaxMa[Mb(CN)6](Ma為Fe、Mn或Ni等元素，Mb為Fe或Mn)，具有開放框架結(jié)構(gòu)，有利于鈉離子的快速遷移，氧化還原活性位點(diǎn)較多，具有較高的理論容量，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)。

但是另一方面晶體骨架中存在較多的空位和大量結(jié)晶水，會(huì)影響削弱材料的比容量和庫(kù)倫效率，影響穩(wěn)定性和循環(huán)性能。這些缺點(diǎn)需要通過(guò)技術(shù)研發(fā)來(lái)彌補(bǔ)，目前主要方式有采用納米結(jié)構(gòu)、表面包覆、金屬元素參雜、改進(jìn)合成工藝降低配位水和空位等。

產(chǎn)業(yè)實(shí)踐以寧德時(shí)代為代表，其開發(fā)的普魯士白（NaxMn[Fe(CN)6]）材料可以較好地控制結(jié)合水形成，鈉電樣品的能量密度達(dá)到160Wh/kg，。

聚陰離子類化合物

聚陰離子類化合物NaxMy[(XOm)n-]z(M為可變價(jià)態(tài)的金屬離子如Fe、V等，X為P、S等元素)具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性很好，同時(shí)也具有工作電壓高和循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

但是比容量較低且導(dǎo)電性偏低，目前主要采用碳材料包覆、氟化、參雜、不同陰離子集團(tuán)混搭、尺寸納米化及形成多孔結(jié)構(gòu)等方式改善。

產(chǎn)業(yè)實(shí)踐相較前兩者少一些，典型代表主要是法國(guó)Tiamat和中國(guó)的鵬輝能源。

資料來(lái)源：CNKI，國(guó)盛證券研究所

負(fù)極材料：優(yōu)選碳基材料負(fù)極材料是鈉離子電池充放電過(guò)程中離子和電子的載體，決定能量?jī)?chǔ)存與釋放，優(yōu)選碳基材料。 ? 目前，可應(yīng)用于鈉離子電池的負(fù)極材料有無(wú)定形碳、金屬化合物和合金類材料，由于合金類材料大多體積變化大，循環(huán)較差；金屬化合物容量較低，因此無(wú)定形碳是目前最為主流的負(fù)極材料，比容量可達(dá)200-450mAh/g，分為硬碳和軟碳，主要由隨機(jī)分布的類石墨微晶構(gòu)成，沒(méi)有石墨長(zhǎng)程有序和堆積有序的結(jié)構(gòu)。 ? 軟碳在高溫下可以完全石墨化，導(dǎo)電性能優(yōu)良；硬碳的優(yōu)點(diǎn)在于儲(chǔ)鈉容量高、嵌鈉電位低，高比容量易合成，其在鈉電的容量（200-450mAh/g）與石墨在鋰電中的容量（375mAh/g）相媲美，應(yīng)用更為廣泛。 ? 產(chǎn)業(yè)內(nèi)，日本公司Kuraray的硬碳產(chǎn)品非常成熟，其硬碳價(jià)格約在18萬(wàn)/噸；國(guó)內(nèi)主要的負(fù)極材料廠商有杉杉股份、貝特瑞和璞泰來(lái)等。 ? 寧德時(shí)代開發(fā)了具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料。中科海鈉創(chuàng)新性地使用無(wú)煙煤作為前驅(qū)體開發(fā)的高溫裂解無(wú)煙煤負(fù)極可逆比容量約220mAh/g。

電解液與隔膜： 近似鋰電電解液是傳輸離子的載體，由電解質(zhì)、溶劑和添加劑構(gòu)成。鈉離子電池的電解質(zhì)與鋰離子電池極為相似，以鈉鹽替代鋰鹽，如高氯酸鈉等，其成本低于鋰鹽。 ? 溶劑分為水系和非水系，大部分沿用鋰電采用的酯類有機(jī)溶劑。添加劑方面幾乎同鋰離子電池相比沒(méi)有區(qū)別。 ? 隔膜一方面用以隔開正、負(fù)極，一方面形成充放電回路使離子通過(guò)，鈉離子電池與鋰離子電池在隔膜方面技術(shù)相近，鋰電池廣泛應(yīng)用的PP/PE隔膜可以復(fù)用，但鈉離子電池更多采用玻纖隔膜，成本更低。

集流體：使用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電鈉電集流體采用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電。 ? 集流體是用來(lái)連接粉末狀活性物質(zhì)，并將將活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集輸出、將電極電流輸入給活性物質(zhì)。 ? 在石墨基鋰電池中，因?yàn)殇嚂?huì)與鋁反應(yīng)產(chǎn)生合金，因此負(fù)極必須采用銅箔作為集流體。而在鈉離子電池中，鈉和鋁不會(huì)反應(yīng)產(chǎn)生合金，因此正負(fù)極集流體都可以采用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電池。

鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)

鈉離子電池用于儲(chǔ)能，具備以下優(yōu)勢(shì)： （1）高低溫性能優(yōu)異，可在大溫度范圍內(nèi)工作，在-40℃低溫下可以放出70%以上容量，高溫80℃可以循環(huán)充放使用。 （2）大功率工作。儲(chǔ)能設(shè)備需要滿足間歇的大規(guī)模儲(chǔ)能，同時(shí)要具備大功率輸出的特點(diǎn)。 （3）綠色環(huán)保可持續(xù)。鈉電正負(fù)極集流體采用鋁箔，電池的結(jié)構(gòu)和組分更簡(jiǎn)單，也更易于回收再利用。

鈉離子電池的應(yīng)用

低速交通工具：

鈉離子電池應(yīng)用于低速交通工具

在低速交通市場(chǎng)上，鈉電性優(yōu)價(jià)廉且環(huán)保，競(jìng)爭(zhēng)力凸顯。 ? 鋰電池市占率逐年提升，但鋰電池成本較高，能量密度優(yōu)于鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)在低速電動(dòng)市場(chǎng)上被弱化，而鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)突出。 ? 同時(shí)，鈉離子電池的性能足夠滿足低速電動(dòng)的需求，以中科海鈉鈉離子電池為例，可達(dá)到145Wh/kg，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)5-10分鐘充電快充，循環(huán)壽命可達(dá)鉛酸電池十倍。而愛(ài)瑪科技也在發(fā)布會(huì)上宣布未來(lái)將使用鈉電池用于自己的電動(dòng)兩輪車中。

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈?

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)與鋰電類似，包括上游資源企業(yè)、中游電池材料及電芯企業(yè)。

鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈圖

1.上游

原材料供給和電極材料合成，主要原材料包括純堿、鋁箔、錳礦等，以及各類輔材，涉及基礎(chǔ)化工和有色金屬等產(chǎn)業(yè)。

正極企業(yè)：

中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、振華新材、容百科技、當(dāng)升科技等；

負(fù)極企業(yè)：

貝特瑞、華陽(yáng)股份、璞泰來(lái)、杉杉股份等；

電解液企業(yè)：

天賜材料、新宙邦、多氟多等；隔膜企業(yè)有恩捷股份、星源材質(zhì)、中材科技等；

鋁箔企業(yè)

：鼎勝新材、南山鋁業(yè)等；

此外上游原材料端主要以純堿/錳/釩企業(yè)。

2.中游

電芯封裝、電池系統(tǒng)構(gòu)建與集成等，涉及各類耗材和電子元器件。

3.下游

終端應(yīng)用市場(chǎng)，主要包括儲(chǔ)能和低速電動(dòng)交通工具等。

由于鈉離子電池具備可觀的能量密度、優(yōu)秀的倍率性能以及顯著的成本優(yōu)勢(shì)，在新能源電池同行中性價(jià)比較高，未來(lái)將被應(yīng)用至大規(guī)模儲(chǔ)能以及低速交通工具領(lǐng)域。

其中，大規(guī)模儲(chǔ)能主要包括風(fēng)力電站、太陽(yáng)能電站以及家庭儲(chǔ)能；低速交通工具主要包括物流車、農(nóng)具車、電動(dòng)車以及電動(dòng)船。

全球主要鈉離子電池生產(chǎn)企業(yè)布局

編輯：黃飛

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