海通國際: 鈉電池是鋰電池應(yīng)用場景的補(bǔ)充

總論：鋰電池勝在能量密度大

鈉電池的平均能量密度在90-150Wh/Kg，相比鋰電池的250Wh/Kg，能量密度偏小。按照12Kwh續(xù)航100公里，如果單車?yán)m(xù)航700公里，則需約100Kwh的電池容量。如果按照鋰電池250Wh/Kg能量密度計(jì)算，則鋰電池的重量為400公斤。如果按照鈉電池150Wh/Kg計(jì)算，那么重量會(huì)增加至650公斤以上。如果都是按照平均2噸重的整車計(jì)算，使用鈉基電池代替鋰電池，重量提高約10%。這樣的增重量，對(duì)于輕量化的要求而言，商用化的可能性不大。因此，我們傾向于鈉基電池的替代場景在于部分儲(chǔ)能和小動(dòng)力電池(比如兩輪車)領(lǐng)域。

什么是鈉基電池?鈉基電池(SIB)是一種使用鈉離子(Na+)作為電荷載體的可充電電池。同鋰離子電池相比，鈉離子電池更適合作為大規(guī)模儲(chǔ)能的器件，其具有三個(gè)優(yōu)勢：1)相對(duì)于鋰元素，鈉元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高0.3V，作為儲(chǔ)能材料而言有更好的安全性能;2)鈉元素在地球上的儲(chǔ)量豐富，地殼種金屬鈉的含量達(dá)到了2.4%，并且鈉元素海水中就有豐富儲(chǔ)量，開發(fā)方便;3)鈉價(jià)格便宜。

鈉基電池包括基于正極(含鈉)、負(fù)極(不一定含鈉)和鈉鹽電解液。在充電過程中，Na+離子從正極遷移至負(fù)極，同時(shí)電子通過外部電路傳輸。在放電過程中，發(fā)生相反的過程，Na+從負(fù)極遷移至正極。

鈉離子電池VS鋰離子電池如下方程描述了鈉離子電池中使用硬碳(C6)負(fù)極和層狀過渡金屬氧化物NaMO2正極的電極反應(yīng)。〖Na〗_x C_6+〖Na〗_(1-x) MO_2?NaMO_2+C_6

以鈷酸鹽做實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)。NaCoO2電極在3V的平均電壓下具有約150mAh/g的可充電容量。鈉電池正極層狀過渡金屬氧化物包括NaFeO2，NaNiO2，NaCrO2，NaVO2和NaTiO2以及由此衍生的混合金屬氧化物作為NaFe1/2Co1/2O2，NaNi1/3Fe1/3Co1/3O2，NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2和Na-Ni1/4Fe1/4Co1/4Mn1/4O2。此外，三元材料配比舉例：NaNi0.68Mn0.22Co0.10O2。

目前學(xué)界已研究了多種金屬磷酸鹽和氟磷酸鹽作為正極。其中有NaFePO4(三葉草型)，Na2Fe(P2O7)，Na4Fe3(PO4)2(P2O7)，Na2FePO4F和Na/Na2[Fe1/2Mn1/2]PO4F。其中，Na3V2(PO4)2F3在室溫下的Na半電池中顯示出合理的性能，在平均電壓為3.8V時(shí)可逆容量約為135mAh/g。

電解液的選擇對(duì)于開發(fā)實(shí)用的Na離子電池很重要。含有鈉鹽的有機(jī)碳酸鹽溶劑基電解質(zhì)(例如NaPF6，NaN-(SO2CF3)2和NaClO4)與少量添加劑一起使用，可在循環(huán)過程中穩(wěn)定正負(fù)極。我們比對(duì)了鋰離子和鈉離子電池的能量密度。通過下表顯示，由于能量密度偏低，鈉電池適用于類似于目前使用磷酸鐵鋰電池的場景。這些包括短程電動(dòng)汽車;太陽能，風(fēng)能和其他替代能源轉(zhuǎn)換設(shè)施的儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS);電力公司的備用電源等。

鈉基電池會(huì)影響多大的鋰電池市場?由于鈉基電池在材料成本方面的優(yōu)勢，其在儲(chǔ)能、兩輪車等小動(dòng)力電池方面具有一定的應(yīng)用潛力。但由于儲(chǔ)能電池對(duì)循環(huán)次數(shù)的要求較高，因此在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)仍需等待鈉基電池性能實(shí)現(xiàn)突破。此外在新能源汽車方面，由于鈉基電池在能量密度方面的劣勢，我們認(rèn)為較難對(duì)動(dòng)力電池造成沖擊。我們以2025年作為比較時(shí)點(diǎn)，假設(shè)2025年鈉基電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)次數(shù)的提升，同時(shí)由于工藝成熟，制造費(fèi)用下降，鈉基電池的成本優(yōu)勢得以體現(xiàn)。我們以此為前提，測算其對(duì)于碳酸鋰需求的影響。

基于以上假設(shè)和對(duì)鋰電池不同的替代率，參考我們《鋰需求梳理：電動(dòng)車&儲(chǔ)能，兩條萬億賽道的交叉點(diǎn)》中對(duì)2025年需求的測算，我們認(rèn)為到2025年，鈉基電池對(duì)鋰電池的替代對(duì)碳酸鋰需求量的影響在3.4%-5.7%。替代主要將發(fā)生在儲(chǔ)能、小動(dòng)力電池等領(lǐng)域。對(duì)于能量密度、體積、質(zhì)量要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，需求仍將以鋰電池為主。

不確定性分析鈉電池相比鋰電池，屬于起步階段，因此后續(xù)的研發(fā)、商用化等均面臨不確定性。

本文來自微信公眾號(hào)“海通國際研究部 HAI”；智通財(cái)經(jīng)編輯：玉景。