钠离子电池行业深度研究报告：钠电量产元年来临重视“变革”与“切换”-20221124-华福证券-37正式版.pdf

!#$%&()*+,-./0,12/!#$%&()*+,-./0,12/!#$%&()*+,#$%&()*+,证券分析师：邓伟 执业证书编号：S0210522050005研究助理：游宝来证券研究报告行业评级!#$!#$2022年11月24日请务必阅读报告末页的重要声明 投资要点高锂价是短期驱动，资源安全是发展内核。锂盐价格持续上探突破60万元/吨，且资源（尤其是开采成本更低的矿产）区位分布不均，存在地缘风险隐患。钠盐价格不到0.27万元/吨、储量丰富资源易得，我们预计行业形成规模化生产后，钠电成本有望下降到500元/kWh以下。因此出于短期降本和长期资源战略储备考量，钠离子电池是新能源电池体系降本、保障供应链安全的优选互补方案。不仅仅是“备选方案”：低温性能优越，快充无损耗。相比磷酸铁锂电池，钠离子电池安全性、低温性能更佳，排列无序的无定形碳比石墨快充损耗更小。钠离子电池发展相对滞后主要是由于早期未发现储钠能力强的负极材料，学界商界优先发展锂电体系。在持续加大研发力度、量产技改后，当前的能量密度和循环性能差距有望被逐步追平。量产元年即将开启，初期可预见应用场景丰富。当前国内外多企业已展开产业化布局，中长期规划产能超过100GWh，正负极工艺路线尝试较为丰富，各家在探索“性能-成本-安全-量产”平衡点，2022年下半年以中科海钠为代表的钠离子电池专业企业中试线、1GWh级别产线陆续投放，2023年以宁德时代为代表的锂离子电池龙头企业即将推出钠离子电池批量生产方案。对能量密度和循环性能要求相对较低、且格局相对分散的两轮车、消费电子、家用储能领域可为钠电提供包容性更强的初步应用场景，低速电动汽车、大型储能有望提供更广阔空间。关注“变革”与“切换”：“变革”环节重点关注负极【贝特瑞】【元力股份】【杉杉股份】【圣泉集团】等、普鲁士类【百合花】【美联新材】等、铝箔【鼎胜新材】【万顺新材】等；“切换”环节重点关注锂电池龙头【宁德时代】【孚能科技】【鹏辉能源】等、钠电池新秀【华阳股份】【维科技术】【传艺科技】等、层状正极【振华新材】【容百科技】【当升科技】【厦钨新能】【万润新能】等；电解液【天赐材料】【多氟多】【新宙邦】【丰山集团】等。风险提示：钠离子电池产业化落地、配套材料方案、降本路径和周期尚存不确定性。2 oPnOnNoQxOxPtNnNoNmNsQ9PaO8OoMmMmOpNfQmNoPiNsQsPaQrQmQwMtRpOMYqQrRn#$%&-./0#$%&-./0n%&123456789%&123456789n#$%&#$%&:;:;?=?nABCDEFG?ABCDEFG?nAHIJKLMNOCDAHIJKLMNOCDnPQRSPQRSTTUU3 钠离子电池具备成锂离子电池互补方案的天然优势钠元素储量丰富分布均匀，是锂离子电池可期互补方案锂离子电池较早开始商业化进程，主要是由于锂相对原子质量小、标准电极电位低、比容量高。而钠元素储量丰富、分布更均匀，且能兼容已有的锂电产线，从资源供应保障、成本角度考虑，钠离子电池是锂离子电池的优选互补方案。4资料来源：中科院物理所，各公司专利，华福证券研究所项目钠离子电池锂离子电池钒液流电池铅酸电池三元磷酸铁锂地壳丰度2.60%锂：0.0017%；镍：0.008%；钴：0.002%锂：0.0017%0.02%0.0016%资源保障来源丰富，分布广泛，提炼简单分布不均，锂集中在澳大利亚、南美等；镍集中在印尼、北美等；钴集中在刚果（金）、澳大利亚等分布不均匀，我国已探明锂资源占全球6%多为共生矿，作为冶金业副产品我国铅资源丰富，探明储量近亿吨，占全球20%左右。2020年进口134万吨，铅产量544万吨环境影响较轻，氰化钠有毒较轻，钴有毒较轻五氧化二钒为剧毒物质2B类致癌物，三大重金属污染物之一，有毒有害实际能量密度140-160Wh/kg240-280Wh/kg150-180Wh/kg15-50Wh/kg50-70wh/kg循环次数1000-5000次3000-6000次4000-8000次10000-15000次300-500次热稳定性较好高镍较差较好较好-低温性能较好较好较差较好-电压平台2.8-3.7V4.2-4.5V3.2V-2V投资成本推广期 0.5-0.7元/Wh；发展期0.3-0.5元/Wh；爆发期0.3元/Wh 以下当前0.9-1.1元/Wh；2021年0.7-0.8元/Wh当前0.8-1元/Wh；2021年0.6-0.7元/Wh3.8-6元/Wh0.4-0.5元/Wh其他优点负极可用铝箔代替铜箔；快充不影响寿命-回收简单，残值高-图表：钠离子电池特性及优势 钠离子电池研究发源已久，即将进入爆发期萌芽期：1967年从高温钠硫电池出发。停滞期：在1979年法国Armand提出“摇椅电池”概念后，由于锂离子电池体系中应用较为广泛的石墨负极储钠能力欠缺，对钠离子电池的研究几乎停滞。重启期：直至2000年加拿大Dahn等发现硬碳负极具备优异的可逆储钠能力，学界才继续推进。复兴期：到2010年，随锂离子电池研究和产业链建设趋于成熟，以及对锂资源的担忧，钠离子电池的研究和产业化进程，进入复兴时期，海内外出现产业化公司和零星商业化应用。爆发期：直至2021年7月，宁德时代发布第一代钠离子电池，宣布计划2023年形成基本产业链，叠加锂价在2021年底-2022年年初快速上涨，引发全产业链对互补、替代方案钠离子电池的高度重视，涌现数十家推动钠离子电池及原材料量产的企业。当前碳酸锂价格突破60万元/吨，更近一步加速钠离子电池产业化进程。5资料来源：中科院物理所，华福证券研究所；注：高温钠电池主要包括钠硫电池和ZEBRA电池，用可实现钠离子导电的陶瓷电解质作为离子交换的隔膜，并将金属钠或者化合物形式的钠作为电价变化的活性物质制造二次发电电池，必须在高温下才能运行。而常温钠离子电池类似于锂离子电池，依靠钠离子在正负极之间的嵌入脱出和迁移实现充放电过程。1967美国Yao和Kummer发现Na+在Na !#中的快速传导1968美国Ford公司发明高温钠硫电池；中科院上海硅盐研究所开始研发1972法国Armand首次构建了基于石墨衍生的嵌入式化合物正极的固态钠电池1976Goodenough和Hong提出$%&#&$固体电解质1977中科院上海硅酸盐研究所研制出6kW钠硫电池模块并成功驱动电动车1979法国Armand提出“摇椅式电池”概念1986南非Coetzer提出ZEBRA（Na|!#|)钠镍电池1981法国Delmas等首次报道Na(CoO层状氧化物正极的脱嵌钠电化学性能2000转折点：加拿大Dahn等发现钠离子电池高容量硬碳负极材料2006日本Okada等首次报道NaFeO2的可逆充放电行为2003日本NGK公司实现高温钠硫电池商业化2007加拿大Nazar等提出形变较小的Na2FePO4F聚阴离子正极材料2011全球首家钠离子电池公司英国Faradion建立；日本Komaba等首次报道NaNi0.5Mn0.5O2|硬碳全电池性能2009中科院上海硅酸盐研究所建成中试线2010中科院上海硅酸盐研究所研制出100kW/800kWh电池组并于世博会示范运行2013美国Goodenough等提出普鲁士白正极2014中科院物理所胡勇胜等首次发现Cu#%/Cu%电化学活性，并提出Cu基正极材料中科院上海硅酸盐研究所开始针对ZEBRA电池展开产学研合作2015中科院物理所胡胜勇等首次提出低成本煤基无定型碳负极材料2017承袭中科院物理所研究成果的中科海钠成立，研制出用于电动自行车的电池组2019中科海钠推出全球首个100kWh钠离子电池储能电站中科院上海硅酸盐研究所成立公司“奥能瑞拉”2018中科海钠推出全球首辆钠离子电池电动汽车20217月宁德时代发布第一代钠离子电池，计划2023年形成基本产业链；2022中科海钠投产2条GWh级别钠离子电池产线；湖南立方发布第一代钠离子电池常温钠离子电池高温钠电池研究停滞：研究条件限制，重心转向锂离子电池，石墨几乎不具备储钠能力进入复兴时期：锂离子电池研究成熟，对锂资源的担忧图表：高温钠电池和常温钠离子电池发展历程 n#$%&-./0#$%&-./0n%&123456789%&123456789n#$%&#$%&:;:;?=?nABCDEFG?ABCDEFG?nAHIJKLMNOCDAHIJKLMNOCDnPQRSPQRSTTUU6 电池：工艺与锂离子电池类似资料来源：各公司公告，中科院物理所，华福证券研究所 钠离子电池与锂离子电池生产工艺基本类似，传统锂离子电池产线可调试转产。钠离子电池生产工序主要包括极片制作（制浆-涂布-辊压-模切）和电芯的组装（卷绕/叠片、入壳、封装、化成、分容），整体生产工艺与锂离子电池类似，仅在负极集流体上换用铝箔、以及配方调整。目前锂离子电池产线基本在调试之后可切换成钠离子电池产线，不需要额外设备投资。与锂离子电池类似，钠离子电池也可制成软包、圆柱、方壳形态。图表：钠离子电池生产工序图表：钠离子电池产业链图谱7 正极：三条路线各有千秋，层状氧化物有望率先应用资料来源：中科院物理所，华福证券研究所 层状氧化物（基本已攻克，量产首选方案）：结构类似锂离子电池三元正极材料，比容量相对较高、综合性能好，通过调整过渡金属元素选择和比例，可以兼顾动力、储能等多场景需求。工艺成熟（工艺流程和设备和锂电三元材料相似），配套企业基本为成熟三元正极材料厂商，能够提供一致性好、性能稳定的样品、量产原料，是近期产业化首选方案。普鲁士蓝白（攻克中）：过渡金属可仅使用成本较低的Fe或Mn，理论能量密度较高，合成温度低（能耗成本低），是初期热门路线，但由于量产时结晶水控制较难（影响循环和安全性），当前稳定性较差，待未来工艺控制成熟后有望成为高能量密度+低成本优选方案。图表：钠离子电池正极技术路线对比层状金属氧化物普鲁士类化合物聚阴离子类化合物结构优点制备简单，技术转化容易比容量高（阴离子氧化还原也提升能量密度）电压高倍率性能高开放性三维通道，Na快速迁移：结构稳定性、倍率性工作电压高可实现2个Na可逆脱出嵌入：理论比容量高合成温度低：成本低开放三维骨架：支撑稳定晶格，提升循环性、安全性F-和阴离子电负性大：工作电压高含有多个Na+、过渡金属多价态：更高比容量空气稳定性好不足易吸水、与空气反应：影响稳定性循环性能稍差结晶水难以去除：降低首周效率和循环效率过渡金属易溶解导电性差空位、水分子占用Na嵌入点：容量利用率低阴离子强共价键：导电率差掺杂包覆后降低能量密度部分含有毒元素比容量理论220mAh/g；产业化150mAh/g理论200+mAh/g；实际应用140-150mAh/g110mAh/g循环寿命目前2000-4000次受结晶水影响：1000-1500次能达到4000-5000次电压3.1-3.7V3.1-3.4V2.8-3.3V成本不同过渡金属配方成本差距较大，目前7-15万元/吨，成熟后5-8万元/吨。颜料级2.5万元/吨，电池级成熟后预计3-4万元/吨磷酸钒钠路线成本最高硫酸铁钠预计低于层状环境影响较好氰化钠有毒钒有毒图表：钠离子电池正极技术路线性能 聚阴离子（储备方案）：类似磷酸铁锂的橄榄石结构，结构稳定性高，从而具备最长的理论循环寿命，更适合用于储能市场。但导电性较差，能量密度较低。其中掺钒路线成本较高、掺铁路线能量密度表现较差，当前主要作为储备方案。8 层状氧化物：工艺流程与三元正极类似，配方可调节性较高资料来源：公司公告，专利、华福证券研究所 层状氧化物结构通式为Na!MO，其中M为过渡金属元素，MO八面体过渡金属层和NaO碱金属层交替排布。常见的是八面体位置（O3，初始钠含量更高，容量更高）和三棱柱位置（P2，层间距更大，提升传输速率（倍率性）和结构稳定性）两种排列方式。由于钠比锂更容易与过渡金属分离形成层状结构，目前仅发现镍钴锰形成的锂层状氧化物可以可逆充放电，而钠的选择还包括Ti、V、Cr、Fe、Cu等。不同配方对结构影响很大，除了通过对合成出的材料进行物理表征以确定其具体构型外，目前还没有一种方法能够直接预测层状材料的堆叠结构，进而指导设计制备。产业化进展：主要生产步骤分为前驱体混合和正极烧结，改性措施包括包覆、掺杂等，基本可与锂离子电池三元正极产线兼容，烧结气氛没有强制要求纯氧，密闭性要求较低，烧结次数一般为2次，中低镍产线基本满足要求，按高镍要求设计的产线有超产比例（产能弹性来源于烧结时长和次数）。图表：层状氧化物工艺流程与三元正极工艺流程对比液相混合镍源、钴源、锰源烧结高镍：纯氧低镍：空气粉碎、筛分洗涤、脱水、干燥锂离子三元正极共沉淀包覆烧结液碱、氨水洗涤、干燥、筛分、除铁锂源前驱体高镍：纯氧低镍：空气包覆剂粉碎筛分、除铁中低镍高镍改性步骤包覆剂部分高镍烧结、粉碎混合钠源、锰源、铁源、镍源烧结860-990下烧结6-40小时空气、氧气或二者混合气粉碎烧结350-900下烧结2-15小时N源（包覆元素：Ca、B、Nb、Al、Ti、Mg、Cu、Y、Zr、F、Zn、Cu等）M源（掺杂元素：Ca、B、Nb、Al、Mg、Cu、Y、Zr、Zn等）振华新材-单晶钠离子电池正极固相混料：超高速混料机液相混料磨盘气流粉碎机粉碎过筛空气、氧气或二者混合气9 层状氧化物：0-1过程中的产业化瓶颈及解决方案资料来源：公司公告，华福证券研究所 技术挑战：由于钠离子半径较大，多次脱嵌容易发生相变，产生游离钠，残碱高，对空气敏感易吸湿，电池匀浆时变成凝胶果冻态（影响涂布）。进而影响循环寿命和实际克容量。工艺解决：可通过形貌调控（单晶化）、界面修饰（包覆）、元素掺杂等工艺解决上述问题。此外，也需要电解液环节配合开发和工艺定型。图表：层状氧化物工艺难点及解决方案技术挑战具体产业化瓶颈江苏翔鹰解决方案振华新材解决方案当升科技解决方案空气敏感使用环境湿度要求高：钠电层状氧化物正极材料与锂电三元材料对环境湿度的反应有明显区别。锂电三元材料吸附水分子后，体相中的锂离子与质子交换速率低；钠电层状氧化物表面吸附水分子后，体相中的钠离子会与质子快速交换，钠离子析出，导致体相晶体结构发生变化。因此钠电层状氧化物使用时，投料、混浆和极片放置过程中，以及负极极片入壳前，均需要严格控制湿度和水分。否则会出现克容量低、循环性能差的问题。1、通过单晶结构减少新表面的产生；2、通过表面特殊的包覆抑制质子与体相钠离子的交换。常规钠电层状氧化物正极材料使用的环境相对湿度2%，江苏翔鹰钠电正极能达到15%左右，远远高于常规层状氧化物。针对游离钠含量偏高、空气稳定性欠佳等缺点，公司采用不同元素掺杂包覆改善材料结构，并通过溶胶凝胶法、化学沉积、机械固相法等多种技术手段对材料进行表面修饰，获得低pH值、低游离钠的材料，从而提高材料的空气稳定性和循环稳定性，改善电池产气鼓胀缺陷体相-界面-表面的系统修饰和优化；复合正极材料，能够有效提高包覆层的离子导电率、电子导电率和表面活性，同时，将该包覆层包覆在特定的基体上，能够显著提升复合正极材料的结构稳定性和化学稳定性。材料PH值高由于钠电层状氧化物正极材料体相中的钠离子极易与水的质子进行交换，测PH值时，材料分散在水中，体相钠离子溶出，导致PH值在13左右。过高ph会影响电池涂布，加强吸水性，形成果冻状，增加不可逆容量损失，同时产生胀气。通过掺杂形式成功地抑制体项钠离子的溶出，进一步降低材料对湿度的敏感度。江苏翔鹰产品的残余氢氧化钠做到稳定在0.05%左右。正极材料与电解液的适配性钠电循环性能是检验材料质量的标准之一。由公式E(Li+/Li)=0V,E(Na+/Na)=0.3V 可知，钠电在4.0V时，相当于锂电体系的4.3V，此时锂电体系需要4.3V电解液与之匹配，对于钠电体系，也急需电池厂和电解液厂针对钠电开发高电压电解液。针对正极材料，进行表面钝化处理，提高材料对电解液的适配性，并且取得了一定进展，融入到新一代产品中。结构稳定性差钠离子半径大于锂离子，需要层状材料有更大的晶格参数以容纳其自由移动，但易导致材料结构不稳定。循环过程中表面晶体结构重构，由于各向异性的体积膨胀导致的团聚颗粒破裂。当钠离子电池正极材料脱钠量较大时，结构变得十分脆弱，晶格内活性金属和氧原子发生位移，达到一定的高温高压，使得晶粒体积和晶体结构发生较大变化。同时，当正极材料脱钠后，氧化性增强，极易与电解液发生化学和电化学作用，导致材料容易脱氧、过渡金属溶解，提高了电解液的酸度，使电极材料表面膜遭到破坏，界面的成分和结构进一步被改变，严重影响材料的电化学性能和循环性能。形貌尺寸及颗粒粒径调控技术：调控合成工艺以及不同掺杂元素的选用，合成不同形貌尺寸、不同颗粒粒径的材料，优化材料的结构及形貌，改善压实密度、循环、倍率及加工性能等。大单晶技术：材料结构完整，加工性能良好，在循环过程中不会出现颗粒碎裂的情况，改善高温高电压循环性能。多元素协同掺杂技术：锚定晶格，减少相变。晶体结构调控技术：通过配方和工艺调控，合成出多相共存的复合层状氧化物，从而实现循环性能和能量密度之间的平衡。特殊微晶结构的均相前驱体设计、系统化优化固相结晶技术工艺传统包覆剂导致导电性差针对钠离子电池金属氧化物正极材料循环性能差的问题，通常可以通过表面包覆进行改善。CN110838576A公开了一种Al(NO3)3包覆的钠离子电池正极材料，Al(NO3)3在NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2表面生成了部分NaAlO2，有效隔绝了电解液与正极材料的副反应，改善了样品的循环性能。但是由于Al(NO3)3和NaAlO2的离子导电率和电子电导率均较低，无法在正极材料表面提供离子和电子通道，因此材料的放电比容量普遍低于120mAh/g；此外，由于Al(NO3)3和NaAlO2包覆层并不能在正极材料表面构建稳定的表层结构，因此对材料热稳定性并未能起到提升作用。对包覆物Na1+MTi2-M(PO4)3-w(ROv)w 进行元素掺杂的碳包覆改善包覆层的电子导电率。再将包覆层和基体在非氧化气体中进行热处理。（包覆层占比0.1-5wt%）10 普鲁士类：比容量高、理论成本低但工艺难度大资料来源：各公司专利，华福证券研究所 化学通式：普鲁士蓝/白化学式为Na!M#()$%&nH#O（M为过渡金属原子，如Fe、Mn、Co等，0 x2）。普鲁士材料呈三维立方体结构，Na+具备合适扩散通道，理论倍率性能和循环性能好（通过选择不同的过渡金属可以调控电压和比容量，具备很高的材料设计灵活性）。根据Na+含量不同，x1称为普鲁士蓝，x1成为普鲁士白。由于普鲁士白含钠量较高，比容量也更高。由于溶度积常数较低，可以作为水溶液体系正极材料。发展历程：最初的用途是上釉和油画染料，可追溯到1704年，德国人海因里希狄斯巴赫在实验室中生产一种红色颜料时，由于实验污染而获得了深蓝色沉淀，毕加索、梵高画作频繁使用。制备方法：普鲁士类材料制备常采用共沉淀法、水热法，70-120 即可，无需高温烧结，成本较低；目前实际比容量可以达到150-160mAh/g，工作电压可以达到3.3-3.4V。由于铁氰化物结构稳定、前驱体简单易得，研究多集中于此。加工难度：普鲁士类材料瓶颈在于易吸水加工难度大。生产过程中会存在一定结晶水，存在脱出导致电池短路和与电解液反应产生HF的风险。大规模量产对控水要求极高，大规模量产工艺端存在较大的难度。图表：普鲁士蓝/白制备工艺图筛分，除铁调节pH值120C干燥共沉淀法混合溶解Fe(CN)64-加入铁盐、钠盐等共沉淀过滤洗涤混批包装，成品调节pH值水热法混合溶解铁氰化物、钠盐等装釜水热反应11 聚阴离子：理论循环寿命最长，在储能领域具备发展前景资料来源：中国科学院网站，物理化学学报钠离子电池磷酸盐正极材料研究进展，华福证券研究所 聚阴离子类似磷酸铁锂。聚阴离子化学式Na&()*+，其中M为可变价态的过渡金属，X为P、S等，Z为F、OH等。聚阴离子具备开放的三维骨架（稳定的橄榄石结构），所以具备较好的倍率性能、循环性能和安全性能。但是导电性较差，为了提升电子离子导电性需要碳包覆和掺杂，从而又降低了体积能量密度。常见的有磷酸盐及硫酸盐体系，产业化研究方向为硫酸铁钠/磷酸铁钠和氟磷酸钒钠等。通过现有液相、固相方法合成的磷酸铁钠缺乏电化学活性，需要采用改性、包覆等多种手段提升导电性。图表：聚阴离子制备工艺路线12 硬碳软碳结构原理基本结构单元不平行排列，任何温度下均难以石墨化，微孔更多，便于吸附-插层/插层-填孔由碳六角网平面平形重叠，高温下易于石墨化前驱体热固性（富氧or缺氢）：生物质、碳水化合物、树脂等热塑性（缺氧or富氢）：石油焦、沥青、无烟煤等炭化温度1000-15001000-2000层间距0.37-0.42nm0.34-0.37nm微晶1.1-1.2nm2-20nm比表面积38m2/g20.2m2/g电极密度(g/cm3)0.9-11.2左右比容量（mAh/g）270-450250-340电极膨胀率小中相关公司日本可乐丽、佰思格、神华、元力股份、圣泉集团、贝特瑞、杉杉股份、璞泰来、中科院山西煤化所等中科海钠、贝特瑞、杉杉股份、璞泰来等负极：由石墨切换为无定形碳，硬碳和软碳均有发展潜力资料来源：各公司官网，华福证券研究所 钠离子电池负极当前一般不使用石墨，在碳基体系中多采用无定形碳。早期观点认为Na+直径是Li+1.3倍，无法在石墨层间自由迁移，但K、Rb、Cs仍有较高的可逆比容量表现。本质上还是由于热力学问题，钠离子与石墨层之间相互作用力弱，在当前常用电解液中难以形成稳定插层化合物（除非替换成醚类溶剂）。钠离子电池无法直接沿用石墨负极，多采用石墨化程度较低的无定形碳，层间距比石墨高，为实现无损耗的高倍率性打下基础。硬碳比容量较高，但成本和规模化尚存劣势。硬碳前驱体为热固性材料，高温下难以石墨化，结构排布更无序，有丰富微孔、材料间隙更大，比容量更高、膨胀系数小。但孔洞过多导致比表面积较大，首次效率低。且硬碳一般采用生物质、淀粉、树脂等前驱体，产碳效率低，成本相对较高。软碳储钠容量低，但前驱体产碳率更高，具备成本优势。软碳前驱体为热塑性材料，高温下易于石墨化，结构更有序，层间距更短，储钠容量较低。前驱体一般采用煤、沥青、石油焦等石化工业副产品，产业链配套更为成熟，产碳效率可以达到90%以上。此外，合金类、金属氧化物或金属硫化物等负极一般具有较高的比容量，但存在首次库伦效率低、电极粉化等问题。钛基负极空气稳定性好，也具备储备潜力。图表：钠离子电池负极技术路线对比13 负极前驱体：软碳早期成本优势明显，硬碳中长期有望实现降本资料来源：中科院物理所，华福证券研究所 软碳前驱体：主要为无烟煤、中间相碳微球、渣油、沥青等石油化工副产品，已有成熟产业链，较易获得，且产碳率更高，其中无烟煤可达到90%，沥青可达到60%。原材料成本优势非常明显，软碳前驱体无烟煤、沥青等经过预活化、包覆、掺杂等手段也可提升比容量，具备量产潜力。硬碳前驱体：主要为树脂基、生物质基、碳水化合物基等（注：锂离子电池体系中有部分方案采用沥青交联高分子聚合物等生产硬碳，沥青也常作为硬碳的包覆材料）。树脂包括酚醛树脂、聚苯胺、聚丙烯腈等，成本相对较高，产碳率低于软碳前驱体。生物质基包括椰壳等植物根茎叶，产碳率仅为10%左右。碳水化合物主要是生物质提取的化工品，产碳率相对前者略高一些，成本相对树脂更低。当前材料成本在2-3万/吨之间，进口价接近15万元/吨，在规模量产后产碳率有望提升，国产化、规模化也有望降低加工费用。图表：钠离子电池负极前驱体成本对比石墨结焦（固态）硬碳热解400C炭化1000C3000C焦炭（液态）+焦油（易挥发）软碳400C1000C石墨化3000C热固性前驱体（富氧or缺氢）热塑性前驱体（缺氧or富氢）玻璃碳图表：硬碳与软碳前驱体炭化原理前驱体前驱体价格（万元/t）产碳率碳材料成本（万元/t）比容量（mAh/g）硬碳前驱体生物质植物根茎叶：椰壳、香蕉皮、花生壳、树叶等椰壳0.210%2.00 300碳水化合物生物质提取的化工品：葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素、木质素葡萄糖0.5-树脂酚醛树脂、聚苯胺、聚丙烯腈等酚醛树脂1.240%3.00 300软碳前驱体无烟煤俗称白煤或红煤。是煤化程度最大的煤。固定碳含量高，挥发分产率低，燃烧时不冒烟无烟煤0.1390%0.14 222沥青由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，是高黏度有机液体的一种沥青0.3560%0.58 85石油焦石油的减压渣油，经焦化装置，在500-550下裂解焦化而生成的黑色固体焦炭-14 负极生产工艺：碳化比石墨化能耗更低，工艺呈现多样性资料来源：专利信息，华福证券研究所 钠离子碳基负极制备温度更低：无定形碳加工基本仅需1000-1500C左右碳化加热，而石墨负极的石墨化工序温度至少要达到3000C以上，从能耗成本角度更为节约。生产环节相似，部分环节对设备有特殊要求：设备主要为粉碎混合用的球磨机、混合机等，加热用的窑炉、炭化炉等，其中部分加热工序需要特殊气氛（对密闭性有要求），此外部分预处理工序对耐腐蚀性有要求，硬碳前驱体粉末需要扬尘控制。技术发展和可选改性方案：软碳、硬碳前期研究目的主要是在锂离子电池石墨负极体系中进行掺杂/包覆以实现改性（提升倍率性等），主流负极企业多有相关布局。在钠离子电池体系中，由于软碳、硬碳材料本身均存在性能缺陷，为提升综合性能，可进行预活化、预氧化、混合掺杂、包覆等改性处理。如：碳源的选取可混合软碳和硬碳；可掺杂N、S、金属氧化物、合金等；通过包覆形成三维立体核壳结构，在形成丰富微孔储钠的同时改善表面导电性能。此外在烧结工艺、负极极片制作工艺上也有丰富提升手段。总体而言，负极前驱体选型、加工工艺、改性手段均存在技术多样性，成本拆分、定价模型不透明，负极厂商更易形成技术壁垒和议价优势。图表：部分钠离子电池负极加工流程粉碎混合主体：亚烟煤、褐煤、烟煤、无烟煤等煤基材料低温氧化300-500 1-5h回转窑、马弗炉等高温碳化冷却辅材：沥青、石油焦、针状焦等软碳前驱体中科海钠-煤基氧化性气氛：空气、水蒸气、二氧化碳等1100-1500 3-9h炭化炉保护性气氛：氮气等预处理酸浸、碱浸、碱熔和氯气焙烧等佰思格-硬碳掺杂N、S球磨混合碳源：蔗糖、椰子壳加热800 0.5h氮气混合碳化-活化+水蒸气行星式混合机0.5h高温化学气相沉积氮源：三聚氰胺硫源：升华硫粉+椰子壳、淀粉900 1h氮气9001h+乙炔/甲烷15 电解液：六氟磷酸钠可使用现有产线，为量产首选方案资料来源：中科院物理所，各公司专利，华福证券研究所 钠离子电池电解液与锂离子电池类似，由溶质、溶剂、添加剂组成。其中溶质须锂盐替换为钠盐，溶剂、添加剂基本可复用锂离子电池中的成熟体系，但也需要根据钠离子特性做配方调整以提升性能。钠离子斯托克斯直径比锂离子小，低浓度的钠盐电解液具有较高的离子导电率，理论上可以使用低浓度电解液，以节约成本。溶质钠盐主要分为有机钠盐和无机钠盐两大类，其中无机钠盐中的NaPF6生产工艺与锂离子电池体系成熟运用的六氟磷酸锂工艺结构类似，被认为是最具产业化前景的钠盐，但热稳定性欠佳。有机钠盐中的NaFSI导电率高但电化学窗口窄，NaTFSI热稳定性好但低浓度易腐蚀集流体。性质化学式分子量（g/mol）熔点（C）电导率（*7S/cm）优点劣势无机钠盐六氟磷酸钠NaPF6167.93007.98可溶解度高，导电率高，可使铝箔表面形成稳定钝化层，兼容碳基负极和各类正极材料；合成工艺与类似，可用现成产线量产；关键在提纯（除HF）热稳定性差（好于LiPF:），在有机溶剂中会产生NaF和PF:，高温下分解加剧；P-F键极易水解，生成HF，与溶剂、电极材料、界面膜反应，使过渡金属溶出，造成容量衰减高氯酸钠NaClO4122.44686.4实验室最常用，电导率高，成本低，水敏感性低，适用于高电压体系高价氯元素氧化性强，存在安全隐患有机钠盐双氟磺酰亚胺钠NaFSI203.3118-在聚合物电解质中可改善导电率电化学窗口窄，阴离子对铝箔集流体有腐蚀作用双三氟甲基磺酰亚胺钠NaTFSI303.12576.2电导率接近NaPF6，C-F键稳定不易水解，比NaPF6稳定性更好；在聚合物电解质中可改善导电率，低浓度下会腐蚀铝集流体图表：电解液不同溶质性能参数比较企业专利或量产方案永太科技产能规划：六氟磷酸钠、双氟磺酰亚胺钠、二氟二草酸硼酸钠钠创新能源六氟磷酸钠、含硼聚合物多氟多六氟铁酸钠：聚合物包覆星恒电源六氟磷酸钠等湖北万润双氟磺酰亚胺钠新宙邦六氟磷酸钠、双三氟甲烷磺酰亚胺钠、双氟磺酰亚胺钠、高氯酸钠、三氟甲基磺酸钠和四氟硼酸钠等天赐材料产线兼容：六氟磷酸钠衢州九洲六氟磷酸钠江苏新泰六氟磷酸钠湖南钠方六氟磷酸钠中科院物理所高氯酸钠、四氟硼酸钠、六氟磷酸钠、六氟砷酸钠、三氟乙酸钠)、四苯硼酸钠、三氟甲基磺酸钠、双(氟磺酰)亚胺钠、双(三氟甲基磺酰)亚胺钠等图表：部分企业钠离子电解液溶质量产或专利路线16 辅材：集流体铝箔用量翻倍，关注粘结剂、导电剂升级机会资料来源：天津大学专利，中科院物理所，华福证券研究所 集流体：由于锂离子容易在低电位与铝箔反应生成Al-Li合金，因此锂电池负极极片一般采用铜箔集流体。而钠离子在负极不会和铝反应，负极集流体可替换为成本更低的铝箔。为抑制钠枝晶、降本、提高安全性，钠离子体系中铝集流体也存在复合、造孔等多种改性方案。黏结剂：当前已披露正负极极片、电池等专利信息中，一般对黏结剂选择没有硬性要求，量产基本沿用当前锂离子电池体系中量产的PVDF等传统黏结剂。但PVDF必须配合NMP使用，长期来看污染较大。部分学术研究发现水系黏结剂中的CMC+SBR、PAA等在钠离子电池首次库伦效率和可逆比容量等方面均有优势。导电剂：基本也可沿用锂离子电池体系，但出于成本考量，产业化更倾向于成本较低的炭黑等方案。图表：一种抑制钠枝晶的多孔铝集流体活性材料黏结剂初始放电容量/(mAh/g)可逆放电比容量/(mAh/g)循环次数NaMnO2PVDF110100800CMC11099.7800Na3V2O2x(PO4)2F3-2xPVDF1038760CMC108105250Na3V2(PO4)2F3PVDF90803500CMC90603500CNTPVDF22564.2300PAA230175.5300SbCMC1400850140MoS2PVDF680950SA82059550CuOPVDF23832450CMC/PAA40163090图表：钠离子不同体系中代表性的粘结剂性能对比17 n#$%&-./0#$%&-./0n%&123456789%&123456789n#$%&#$%&:;:;?=?nABCDEFG?ABCDEFG?nAHIJKLMNOCDAHIJKLMNOCDnPQRSPQRSTTUU18 钠离子电池成本测算资料来源：中科院物理所，华福证券研究所图表：钠离子电池成本测算注：以铜铁锰层状氧化物软包路线为例图表：钠离子电池成本测算注：以普鲁士白软包路线为例 定价对标磷酸铁锂平替，仍有较大下降空间。由于正极、负极等原材料尚未形成市场规模，多数企业选择自供，尚无稳定市场报价。我们预测产业化初期，钠离子电池每kwh制造成本在600-700元之间。待产业链形成规模化生产后，有望下降到500元/kwh以下。假设碳酸锂价格跌回15万元/吨，LFP价格回落到7.35万元/吨左右，对应LFP电芯全成本约为700元/kWh左右，钠离子电池仍将具备明显的成本优势。用量单位中期单价单位成本（元/kWh）占比初期单价初期成本铜铁锰层状氧化物正极2.48 kg/kWh28.8 元/kg71.5 80198.58 软碳1.14 kg/kWh15.0 元/kg17.1 5057.16 正极黏结剂0.08 kg/kWh115.0 元/kg9.1 132.3 10.50 负极黏结剂0.05 kg/kWh45.0 元/kg2.1 51.8 2.47 正极导电炭0.08 kg/kWh60.0 元/kg4.8 69.0 5.48 负极导电炭0.01 kg/kWh60.0 元/kg0.6 69.0 0.73 NMP1.42 kg/kWh15.0 元/kg21.4 17.3 24.56 正极铝箔0.32 kg/kWh23.5 元/kg7.5 27.0 8.58 负极铝箔0.35 kg/kWh23.5 元/kg8.2 27.0 9.44 隔膜35.17 m2/kWh1.3 元/m245.7 1.5 52.59 高温绝缘胶带1.91 卷/kWh2.5 元/卷4.8 2.9 5.48 极耳105.85 Pcs/kWh0.3 元/PCS31.8 0.3 36.52 铝塑膜0.55 kg/kWh26.0 元/kg14.2 29.9 16.30 电解液1.59 kg/kWh20.0 元/kg31.8 23.0 36.52 原材料BOM270.5 60%464.9 人工成本63.12 14%72.59 质量环境9.02 2%10.37 设备折旧58.61 13%67.40 管理费用9.02 2%10.37 能源消耗40.58 9%46.66 综合成本450.85 672.29 合理利润率10%15%合理利润45.09 100.84 售价495.94 773.13 用量单位中期单价单位成本（元/kWh）占比初期单价初期成本普鲁士白类正极材料2.28 kg/kWh26.5元/kg60.4 80182.24 软碳1.15 kg/kWh15.0元/kg17.2 5057.35 正极黏结剂0.13 kg/kWh115.0元/kg14.7 132.3 16.85 负极黏结剂0.05 kg/kWh45.0元/kg2.2 51.8 2.47 正极导电炭0.13 kg/kWh60.0元/kg7.6 69.0 8.79 负极导电炭0.01 kg/kWh60.0元/kg0.6 69.0 0.73 NMP2.11 kg/kWh15.0元/kg31.6 17.3 36.36 正极铝箔0.30 kg/kWh23.5元/kg7.1 27.0 8.18 负极铝箔0.33 kg/kWh23.5元/kg7.9 27.0 9.04 隔膜33.76 m2/kWh1.3元/m243.9 1.5 50.46 高温绝缘胶带1.91 卷/kWh2.5元/卷4.8 2.9 5.50 极耳106.20 Pcs/kWh0.3元/PCS31.9 0.3 36.64 铝塑膜0.55 kg/kWh26.0元/kg14.2 29.9 16.35 电解液1.59 kg/kWh20.0元/kg31.9 23.0 36.64 原材料BOM275.9 60%467.6 人工成本63.12 14%72.59 质量环境9.02 2%10.37 设备折旧58.61 13%67.40 管理费用9.02 2%10.37 能源消耗40.58 9%46.66 综合成本459.76 675.00 合理利润率10%15%合理利润45.98 101.25 售价505.73 776.25 19 n#$%&-./0#$%&-./0n%&123456789%&123456789n#$%&#$%&:;:;?=?nABCDEFG?ABCDEFG?nAHIJKLMNOCDAHIJKLMNOCDnPQRSPQRSTTUU20 钠离子电芯产能规划超过100GWh资料来源：各公司公告、官网，地方政府官网，华福证券研究所 据公开资料统计，钠离子电芯头部厂商产能规划合计超过100GWh。主要分为传统锂离子电池厂商转型，和钠离子电池专业化厂商。由于钠离子电芯产线和锂离子电芯产线设备相似度较高，存在从锂离子电芯产线技改切换的可能性，实际上产能弹性较大。从投资强度来看，钠电池与锂电工艺设备基本类似，投资强度与锂电接近；正极分为普鲁士类和层状氧化物，根据企业公告数据，普鲁士类投资强度在1.4-2亿元，层状氧化物与三元共线，投资成本接近；负极和电解液溶质投资预计将会低于现有锂电水平。图表：国内钠离子电芯产能规划梳理环节单GWh/万吨投资备注电池2-3亿元工艺、设备与锂电基本类似正极1