水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析2022

• 2022年10月24日 GuoMeng來源：互聯(lián)網(wǎng) 923 57
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歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化日趨臨近，2023年或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)化元年。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，鈉離子電池“量產(chǎn)元年”的到來或?qū)⒃谝欢ǔ潭壬细纳苾δ茈姵毓┎粦?yīng)求的局面。寧德時代方面表示，正在推進鈉離子電池明年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;鵬輝能源也表示，希望明年推動鈉離子電池批量生產(chǎn)。

歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化日趨臨近，2023年或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)化元年。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，鈉離子電池“量產(chǎn)元年”的到來或?qū)⒃谝欢ǔ潭壬细纳苾δ茈姵毓┎粦?yīng)求的局面。寧德時代方面表示，正在推進鈉離子電池明年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;鵬輝能源也表示，希望明年推動鈉離子電池批量生產(chǎn)。

水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析2022

政策層面，今年 8 月科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達峰碳中和實施方案(2022 — 2030 年)》，明確提出研發(fā)液態(tài)鈉離子電池儲能、液流電池儲能等高效儲能技術(shù)。工信部同月發(fā)文，提出要加強新型儲能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，加快研鈉離子電池等新型電池。

此前發(fā)改委等九部門印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，提出目標(biāo)到2025年，可再生能源年發(fā)電量達3.3萬億千瓦時左右，加強可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。涉及的技術(shù)中，除去超大型海上風(fēng)電機組、高海拔大功率風(fēng)電機組、新一代高效低成本光伏電池、綠氫制備等技術(shù)之外，多項高能量密度儲能技術(shù)也被囊括其中，包括鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池。

近年來，水系離子(鋰、鈉等)電池的研發(fā)越來越受到關(guān)注。但是，地球上的鋰資源實際上是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應(yīng)用需求的。于是，與鋰的化學(xué)性能類似的鈉被認(rèn)為能夠替代鋰適用于水系離子電池體系。鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。因此，水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認(rèn)為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池之一，成為最近業(yè)界研究工作的焦點。實際上，鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入-脫出反應(yīng)的“搖椅式”機理作為充放電反應(yīng)機理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。

目前，國內(nèi)布局鈉離子電池業(yè)務(wù)的企業(yè)大致可以分為兩大類，分別是以寧德時代、欣旺達和億緯鋰能等為代表的鋰電巨頭企業(yè)，和以中科海鈉、眾鈉能源等為代表專注于鈉離子電池領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)。

除了資源端外，鈉離子電池成本優(yōu)勢還體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)建設(shè)端。與鋰離子電池工作原理相同，鈉離子電池同樣依靠離子在正負(fù)電極之間往返嵌入和脫出的搖椅式二次電池。從生產(chǎn)流程和工藝路線上看，鈉電池結(jié)構(gòu)也與鋰電高度相似，其決定了兩者的生產(chǎn)流程和產(chǎn)線接近，這意味著鋰電池材料廠商未來可與鈉電池共用產(chǎn)線中的絕大多數(shù)環(huán)節(jié)，從而降低產(chǎn)線建設(shè)成本。

資源儲量上，鋰元素的地殼豐度僅0.0065%，絕大多數(shù)分布在美洲。鈉資源地殼豐度高達2.75%，且全球到處都有分布。鈉資源價格與鋰資源價格就已經(jīng)差距懸殊。綜合各項材料成本測算，相比鋰離子電池，鈉離子電池材料成本要降低30-40%。

雖然水系鈉離子電池技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)，但它仍然為大規(guī)模儲能提供了一種安全、廉價、清潔和耐久的新體系。現(xiàn)在，越來越多的新材料，新構(gòu)思和新技術(shù)被應(yīng)用到水系鈉離子電池體系的開發(fā)中，其綜合性能也在不斷提升。相信隨著研究與開發(fā)的不斷深入，在不久的將來一定能夠?qū)崿F(xiàn)其在儲能上的大規(guī)模應(yīng)用，從而推動以智能電網(wǎng)和可再生能源并網(wǎng)為代表的清潔能源的應(yīng)用。

據(jù)中研普華研究報告《2022-2027年中國水系鈉離子電池行業(yè)深度分析與投資預(yù)測報告》分析

第一節(jié) 水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

一、水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展概況分析

鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入一脫出反應(yīng)的“搖椅式”機理作為充放電反應(yīng)機理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。直到近年，在容量利用率和循環(huán)壽命方面基本滿足要求的有機系鈉離子電池用負(fù)極材料才被開發(fā)出來。

早在150多年前，剛發(fā)明的鉛酸電池就是使用水系電解液對的。后來，Dahn小組1994年首次報道了以LiMn2O4作正極、VO2作負(fù)極、Li2SO4水溶液為電解質(zhì)的水系鋰離子電池，提出利用兩電極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想，此后在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上開始水系鈉離子電池的設(shè)計及材料研制。

2005年，夏永姚課題組報道了以LiMn2O4作正極、活性炭為負(fù)極的非對稱電容電池，隨后他們又再次研發(fā)了以LiMn2O4作正極在鈉、鋰混合離子電解質(zhì)中的水系離子電池，進一步推動了對水系電池的研究。電池的制造成本及運行安全可靠性通常是大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用的首要考慮因素。盡管鈉離子電池在有機電解液體系下具有較高的能量密度和輸出電壓，但是有機電解液的高成本、易揮發(fā)、易燃及生產(chǎn)復(fù)雜等缺點是其在大規(guī)模儲能應(yīng)用時面臨的瓶頸。所以當(dāng)我們使用比有機電解質(zhì)更快的離子遷移速率的水溶液電解質(zhì)時，既能降低電池的制備成本也能夠在安全性、功率密度和環(huán)境兼容性等方面有所改善?？上ё畲蟮娜秉c是水溶液電解質(zhì)的工作電壓窗口比較窄。

目前，國內(nèi)外的一些研究者越來越多的開展對水系鈉離子電池的探索了。例如2007年Sauvage等發(fā)現(xiàn)了Na0.44MnO2在水溶液電解質(zhì)中的嵌脫鈉機制。然后，2010年Whitacre等報道了以Na0.44MnO2為正極、活性炭為負(fù)極及Na2SO4水溶液作電解質(zhì)的水系鈉離子電池。另外，水系鈉離子電池的研究是新電池體系的一個優(yōu)化和前進過程，在實際應(yīng)用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要我們繼續(xù)在制備工藝、電極材料的選擇改進以及全電池的匹配上作出更多的努力，早日實現(xiàn)水系鈉離子電池的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

在水系電解質(zhì)體系中，存在水電解引起的負(fù)極析氫和正極析氧的副反應(yīng)。由于水的熱力學(xué)電化學(xué)窗口為1.23V，為了避免水電解反應(yīng)的發(fā)生，即使考慮到動力學(xué)因素，水系鈉離子電池的電壓通常在1.5V左右，最高也不能高于1.8V。而且，在電極材料的選擇上也必須考慮要抑制水分解副反應(yīng)的影響。正極材料嵌鈉反應(yīng)的電位要低于水的析氧過電位，而負(fù)極材料的嵌鈉反應(yīng)的電位應(yīng)高于水的析氫過電位，這就限制了許多在有機系電解質(zhì)中表現(xiàn)良好的儲鈉正負(fù)極材料的應(yīng)用。另外，許多鈉鹽化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，進一步限制了儲鈉材料的選擇。自從1994年，DAHN等制作了以V205為負(fù)極、LiMn204為正極、Li2S04/H20為電解質(zhì)的鋰離子電池，首次提出利用兩極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想之后，水系鈉離子電池的設(shè)計和材料研制就在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上展開。

二、水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模分析

2019年我國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模僅為0.8億元，隨著水系鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，該行業(yè)市場規(guī)模發(fā)展迅速，2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模將達到6.5億元。

圖表：2019-2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模(單位：億元)

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

三、水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展特點分析

水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時間都很短，技術(shù)層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有以下幾點。

(1)水是最常見的液體，同時也是常見液體中極性最強的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期(10-20年)持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料;亦可以是從電池設(shè)計的角度考慮，加強電極的成型后的強度以抗抵水溶液的侵蝕;

(2)由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前已見報道的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25W·h/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負(fù)極材料，才能提升整個電池的質(zhì)量比能量;

(3)水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型、集流體的選擇、電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術(shù)難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。

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  2022-2027年中國水系鈉離子電池行業(yè)深度分析與投資預(yù)測報告

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