2022年钠离子电池行业专题研究.docx

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1、2022年钠离子电池行业专题研究1.硬碳与软碳为钠电负极两大路线，设计焦点在原料选择与结构优化1.1.软碳成本优势显著，硬碳比容量提升可期目前无定形碳是钠电负极的最优选择。负极是钠离子电池四大主材之一， 规模化量产后约占钠电成本 17%。由于将锂电中用到的石墨作为钠离子 电池的负极材料时，钠-石墨插层化合物（Na-GIC）热力学不稳定，比容 量仅为 31 mAh/g，远不足以支撑钠离子电池的商业化应用。因此，目前 主要研究集中于碳基负极材料、钛基嵌入型负极材料、有机类负极材料、 合金及转换类负极材料。其中，层间距较大的无定形碳材料具备较高的 储钠比容量、较低的储钠电位、优异的循环性能、成本低廉

2、，是目前最 具商业化应用前景的负极材料。无定形碳主要区别在前驱体。无定形碳主要分为硬碳和软碳。在钠离子 电池领域，软碳通常是指 2800以上容易石墨化的碳材料，有序度较高， 软碳层间范德华力较弱，在高温下具有较大的移动能力，因此容易形成 易结晶的石墨；而硬碳层间具备较强的交联相互作用，即使在 2800以 上也难以完全石墨化的碳，有序度较低。所以软碳和硬碳的主要区别主 要来自于前驱体的微观结构，如果是煤、石油焦、沥青这样层间交联作 用较弱的前驱体，则制备出的材料为软碳。硬碳前驱体则主要是生物质、 合成树脂、及碳水化合物这一类层间交联作用较强的材料。软碳经济性占优，硬碳比容优势显著。从经济性考虑，

3、软碳前驱体偏向 于选择用价格便宜的无烟煤烧制，成本优势显著。从性能看，软碳充放 电区以斜坡为主，比容量较低，未改性容量在 200-220mAh/g 左右，适用 于高功率场景；而硬碳充放电区具备斜坡段和平台段，普遍比容量可以 达到 300-350mAh/g，优化改性后可能做到 400mAh/g，将超过锂电石墨 的理论比容量（372mAh/g），在提升钠离子电池能量密度上具备诱人潜 力。1.2.孔结构设计与前驱体选择是钠电负极两大决胜关键造孔设计可提升负极可逆储钠量。在商业化应用过程中，硬碳面临着首 周库伦效率较低的问题。虽然现在硬碳的比容量与商用锂离子电池石墨 负极比容量相当，但在酯基电解液中首

4、周库伦效率大多在 50%-80%左右， 在醚基电解液常在 80%-90%左右，而商用锂离子电池石墨负极的首周库 伦效率通常超过 95%。硬碳首周效率低一方面来源于硬碳较大的表面积 会加速硬碳与电解液之间的副反应，而微晶层间的缺陷浓度也会对其电 化学性能产生影响。因此，需要通过改进前驱体、改善合成条件等方法 减少其内部缺陷，制备出孔隙率低且缺陷少的硬碳。中科海钠团队利用 酚醛树脂作为前驱体、乙醇为造孔剂，形成闭合孔隙以精确调控硬碳微 观结构，得到了可逆比容量为 410 mAh/g 的硬碳负极，储锂容量甚至超 过了石墨。该电池首周库伦效率为 83%，全电池能量密度达到 300 Wh/kg。高性价比

5、生物质碳或成为钠电负极主流。生物质碳前驱体来源多为植物， 大部分为硬碳。与其他负极材料相比，生物质碳成本低廉，电化学性能 优异，具备较大应用潜力。此外，天然的生物质通常含有杂原子，如氮、 氟、硫、硼、钾等，可以增加碳材料的结构缺陷、层间距及电导率，提 升负极储钠性能。针对生物质碳负极的制备，需要选择具有丰富资源、 成本低廉、多孔或多层微观结构、高碳低杂质的植物前体，通过调整热 解温度、掺杂剂、活化剂来控制所得碳材料的层间距、缺陷结构和孔结 构。椰壳、杏壳、稻壳、泥炭藓等都是较为理想的钠离子电池负极材料 来源。目前，日本可乐丽、贝特瑞、翔丰华、佰思格等公司均选用植物 型前驱体作为其负极来源。2.

6、钠电负极降本路径清晰，规模化后有望低于3万元/吨2.1.负极工艺对比：钠电负极能耗低用时短，成本下探大有空间软/硬碳工艺具备低成本潜力。钠离子电池负极制备工艺承袭锂电石墨制 备，主要区别在于：1）同人造石墨可直接购买石油焦、针状焦一类已经 过初步处理的前驱体不同，硬碳和软碳（无烟煤系）的制备需要从源头 开始，比人造石墨多了一道预处理工序。以生物质基石墨为例，预处理 过程包括酸浸/碱浸溶解、纯水洗涤、烘干粉碎等。2）钠离子电池负极 无需高温石墨化，仅需 1000-1500炭化。过程中，仅部分硬碳前驱体发 生炭化，最终形成非晶质碳结构。炭化时长远低于石墨化，工艺更简单， 能耗更低，为负极材料成本下

7、探提供广阔空间。2.2.负极成本下探：规模化后成本有望实现3万元/吨以下原料端与制造端双管齐下，负极成本下探仅欠规模化。钠离子电池负极 单耗约 1500 吨/GWh。由于不同原材料产碳率不同，所需原材料单耗从 高到低排序为生物质基高分子聚合物基煤基。目前，国内硬碳尚未规 模化生产，钠电所用硬碳主要从日本进口，价格维持在 20 万/吨30 万/ 吨高位。从长期来看，我们认为钠电负极所用硬碳和软碳均具备大幅降 本空间。1）原材料端，2021 年以来，受下游需求持续拉动，人造石墨所 用原料如针状焦等供不应求，拉动针状焦价格不断上涨，已突破 12000 元/吨，人造石墨成本承压；天然石墨原料价格始终维

8、持高位。而钠电负 极所用原料具备成本优势，尤其以无烟煤为原料的软碳和生物质基（如椰壳等）为原料的硬碳，单吨价格仅在数千元。2）制造端，由于无定形 碳无需石墨化，平均能耗水平仅为人造石墨的 1/5，略高于天然石墨，具 备成本大幅下探潜力。我们预计，规模化生产后，以优质生物质基原料 价格 5000 元/吨、高分子聚合物基原料价格 12000 元/吨、精质无烟煤原 料价格 2500 元/吨为基础进行测算，软碳和生物质基硬碳成本有望控制 在 3 万元/吨以内。且随着软/硬碳厂商规模化后议价能力增强，原材料 价格有望进一步下探。3.2030年钠电负极需求近40万吨，前驱体原料供应充足2030 年全球钠离

9、子电池负极需求近 40万吨。至 2030年，随着钠离子电 池规模化程度提升，我们测算价格将降低至 0.38 元/wh，比磷酸铁锂电 池低 31%左右。因此，2030 年钠离子电池有望在储能市场及两轮车市场 快速渗透，如在 5G 通信电站、家庭/工业储能、数据中心等储能市场， 及在两轮车市场替代铅酸电池甚至锰酸锂电池，预计负极总需求量近 40 万吨，对应硬碳原材料生物质基需求量达 175 万吨，高分子聚合物基材 料需求量达 131 万吨，软碳煤基需求量近 88 万吨。3.1.生物质基多样充足，仅椰壳便可满足近85%硬碳前驱体需求硬碳生物质前驱体选择多样，有望维持价格稳定低位运行。钠电硬碳所 用生

10、物质基原材料主要包括花生壳、椰壳、稻壳、杏壳、秸秆等富含木 质素和纤维素的生物质原料，该类材料种类丰富，性价比高，且多为不 可回收废弃物，环保可持续。以硬碳中常用前驱体椰壳为例，2020 年全 球椰壳产量达到 128 万吨，且亚洲产量占全球椰壳产量的 97%，我国占 据显著地缘优势。以 1.5%CAGR 测算，2030 年全球椰壳产量将达到 148 万吨，可以解决 84.5%的生物质硬碳需求。除椰壳以外，产量庞大的杏 壳、秸秆、蔗糖等生物质均是理想可供选择硬碳前驱体。3.2.高分子聚合物行业产能过剩，硬碳需求有望加速行业出清硬碳高分子前驱体行业集中度不高，价格较稳定。硬碳高分子聚合物前 驱体主

11、要包括酚醛树脂、环氧树脂等。酚醛树脂具备优良的耐热性、阻 燃性、粘附性、电绝缘性、耐酸性，被广泛应用于模塑料、木材加工、 磨具磨料、耐火隔热材料等。我国是全球酚醛树脂生产大国，2021 年酚 醛树脂产能达到 185.5 万吨，产量达 153.5 万吨。由于中低端市场行业 壁垒较低，酚醛树脂行业集中度不高，产能 10 万吨以上企业仅 5 家，其 中，树脂龙头圣泉新材料占比 23%。环氧树脂为热固性树脂主要品种之 一，被广泛应用于涂料、电子电器、复合材料等。2021 年产能近 240 万 吨，但产销量近为其 1/4，处于明显产能过剩阶段，行业集中度不高，而 高端环氧树脂主要依赖进口。3.3.无烟煤

12、为软碳前驱体最优选，龙头华阳股份积极布局软碳前驱体无烟煤主要集中在山西，龙头华阳股份积极向钠电布局。软 碳前驱体主要以煤基、石油基为主，与石油焦、针状焦相比，煤炭具备 显著成本优势，而无烟煤作为其中含碳量最高、杂质含量最少的种类， 最适合用于钠电软碳的制备。我国无烟煤产量稳定，近五年维持在 33.5 亿吨/年，山西省产量占比达到半数以上，2021 年产量达到 2.26 亿吨。 华阳股份是国内无烟煤产量最大的上市公司，2021 年煤炭产量达到 4610 万吨，核定产能 3450 万吨/年，其中 80%以上均为无烟煤。华阳股份全 面布局“光伏+储能”新能源产业，抢占未来储能发展“新高地”，钠电 发

13、展有助于其向新能源转型。4.钠离子电池产业化全面加速，负极上游迎来转型契机4.1.多企业加速布局钠离子电池，2023年将迎来全面爆发钠离子电池材料体系全面加速。当前，多家锂离子材料龙头发布钠离子 电池相关进展。正极方面，容百科技宣布已拥有四款钠离子电池正极材 料，2022 年 Q2 已实现 3.6 万吨/年层状氧化物和 6000 吨/年普鲁士白材 料产能，振华新材、当升科技同样取得重大进展；负极方面，贝特瑞、 杉杉股份、紫宸科技、星城石墨积极布局硬碳负极的研发及中试；电解 液方面，多氟多深度布局钠离子电池，不仅宣布六氟磷酸钠批量供货， 同时 2023 年底可形成 1GWh/年钠离子电池产能。多

14、动向宣告钠离子电 池已快速切入锂离子电池主要供应体系。钠离子电池初创企业勇拔头筹。以中科海钠为首的钠离子电池初创企业 仍走在量产前列。中科海钠与三峡能源合作的全球首条 1GWh 钠离子电 池量产线于 2022 年 7 月落成，标志着钠离子电池产业化将进一步加速。 同时中科海钠 1GWh Pack 产线也在阳泉正式开工，拟 10 月建成。从材 料到电芯再到 Pack 的全链布局有望强化中科海钠的优势地位。钠创新 能源也紧随其后，宣布 2022 年年底完成 3000 吨正极材料和 5000 吨电 解液生产的产能建设。4.2.重点企业分析：钠电负极上游企业迎来转型契机钠离子电池负极与锂离子负极相比，

15、所用前驱体发生巨大转变，上游格 局或将重新洗牌，传统企业迎来新能源转型契机。4.2.1.华阳股份无烟煤龙头全面布局“光储网充”，新能源转型势在必行。华阳股份作为 全国最大的无烟煤生产基地，凭借丰富的煤炭资源和优异运输条件，近 五年平均收入达 325 亿元。在 2020 年开启的新一轮山西省国资国企改 革过程中，华阳股份积极从煤炭资源向碳基新材料转型，以钠离子电池 为先锋，深度布局“光伏+钠离子电池+飞轮储能+智能微电网”，开拓新 一代全场景绿色能源。钠离子电池方面，华阳股份多管齐下，通过间接 持股钠离子电池龙头企业中科海钠 15.56%股份、与中科海钠合作建立华 钠铜能和华钠碳能、与多氟多合作

16、布局钠离子电池电解液等多项重要举 措，深度参与钠离子电池全产业链布局；飞轮储能方面，华阳股份通过 打造阳泉奇峰聚能科技，建设年产 200 套飞轮储能系统生产装配线，延 伸至轨道交通再生能量回收领域、火力调频领域和新能源场站调频领域； 光伏方面，华阳股份成立华储光电，全力打造高效光伏组件智能制造项 目。长期来看，华阳股份有望利用客户粘性，为下游五大四小发电集团 及其他发电企业提供绿电合作，在新旧能源交替变革中，实现华丽转身。华阳股份与中科海钠实现合作双赢。华阳股份自 2020 年起入股中科海 钠，并通过共同投资建立华钠铜能、华钠碳能开启同中科海钠的合作供 应之路。华阳股份原煤产量随新矿投产及产能

17、利用率提高而稳步提升， 2021 年原煤产量提升至 4610 万吨，其中 80%以上均为无烟煤，为中科 海钠钠离子电池负极供应提供资源保证。无烟粉煤由于粒度较小，较适 宜用作钠离子电池负极原材料。每单位 GWh 钠离子电池生产，预计将 带来 105 万元毛利增厚。同时，华阳股份助力中科海钠多项目快速落地， 包括正负极产能建设、Pack 产能建设、储能示范项目建设。根据保守估 计，2030 年全球钠离子电池合计出货量突破 290GWh，以 0.5 元/wh 价 格计算，2030 年钠离子电池市场规模接近 1500 亿元，华阳股份正迈向 广阔蓝海。4.2.2.圣泉集团合成树脂龙头积淀深厚，生物质、

18、树脂多点开花。圣泉集团主要从事合 成树脂及复合材料、生物质化工材料的研发生产销售，其中，酚醛树脂、 呋喃树脂产销量全国第一、处于世界前列。公司自主研发以秸秆等农作 物废弃物为原料的高效提纯利用技术，可用于生产木糖、阿拉伯糖、表 面活性剂等生物质化工品，并充分延链强链，利用木质素酚制备酚醛树 脂、利用糠醛制备呋喃树脂，形成可持续一体化产业链。2021 年公司合 成树脂产业营业收入增长显著，酚醛树脂研发和扩产并重，已建+在建产 能达到 66.86 万吨/年，并积极向新能源用特种树脂、碳素阳极特种树脂、 生物基酚醛等一大批特种新材料延伸，打破国外技术垄断。公司特种环 氧树脂产品已成为行业最优，是半导体封装模塑料、高性能覆铜板等领 域国内最大供应商，2021 年单吨利润达到 1.2 万元/吨。尽管目前生物质 项目受原材料成本波动影响较明显，但随着大庆基地秸秆“100 万吨/年 生物质精炼一体化（一期工程）项目”放量，将为公司带来新增量。公司所生产酚醛树脂、环氧树脂等高分子聚合物产品，及纤维素、木质素、 半纤维素等生物质产品，可直接用于钠离子电池硬碳负极的生产，随着 钠离子电池放量，2025 年预计至少可带来 20 万吨需求，为企业利润带 来可观增量。