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动力电池不纠结除了锂还有其他选择

 

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总的观点:技术突破带来行业变化

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基本情况

动力电池一般而言是为新能源汽车提供驱动电能的核心能量源,是新能源汽车最关键的 零部件之一。彭博新能源财经曾发布过一组预测数据,2020年动力电池和储能电池的市场规模已达174GWh,而其预测未来10年的复合增长率将超过30%,到2030年,交通和储能对动力电池的需求将激增至5.9TWh。

动力电池是新能源电动汽车的心脏,占整车成本的30%-40%,直接影响着电动汽车的续航和安全性。从产业链看,能量密度更高、更安全、充电更快、成本更低始终是产业发展的核心目标。

按照化学体系和反应原理,动力电池可以分为铅酸电池、三元锂电池等几类,其他一些研究上方乡还有铝空气电池、氢燃料电池、固态锂电池、钠电池等。在众多动力电池技术中,锂电池发展优势最为明显、锂离子电池也是当下应用最广泛的电池类型。

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技术方向

按照预测,到2030年锂资源的供求关系就紧张。一是因为锂资源储量不够丰富,素有白色石油之称。二是锂资源分布不均,澳大利亚和智利占据全世界75%的锂矿资源,我国锂资源超85%分布于西部山区和盐湖地区,开采难度大,我国80%的锂资源供应依赖进口,也让我国成为全球锂资源第一进口国。同时锂离子电池遭遇能量密度上升的瓶颈,各家电池公司几乎都在发力配方和结构改良。

当然,也有人另辟蹊径,寻找新的方向,目前最接近成功的是钠离子电池。

钠离子电池,有成本低、可快充、低温性能好、热稳定性优异。常温下具备快充能力,15分钟80%。低温下高放电保持率,零下20°C90%以上。目前的短板在于单体能量密度。

钠的化学性质、电池工作原理都和锂非常相似,虽然短期内难以改变锂电池主流地位,但是超越30%-40%的下降空间,加上两者工艺和设备基本相同,技术突破后迁移难度不大。所以大家都比较看好钠电池。

宁德时代推出的第一代钠离子电池,单体能量密度达到160Wh/kg。虽然比磷酸铁锂略低,但在低温性能和快充能力上,则都优于磷酸铁锂。

在需求量巨大、能量密度要求不高的储能领域,钠离子电池有望与磷酸铁锂结合,替代铅酸电池,例如,数据中心、备用电源、基站电源、电力储能、智能电网等。除了储能领域,在两轮车以及中低端电动汽车等出行市场,钠离子电池也会有直接需求。按照目前160Wh/kg的单体能量密度,已经满足了A00级车型,甚至Model 3、小鹏P7等爆款车型的需求。如果下一代钠离子电池可以做到200Wh/kg,那基本上可以完全替代磷酸铁锂了。

业界将钠离子电池和锂离子电池按比例混搭组成锂-钠电池系统,实现取长补短。一个方向是用钠电池来提升锂电池低温表现,另一个方向是用锂电池来提升钠电池的容量。现在是第一种方向锂主钠副。

目前,业内对钠离子电池的发展途径是短期内钠电池主要应用在低端储能、两轮车、低速电动车;中期,高端储能应用将快于高端电动车;长期,钠电池续航超过500公里,钠电池与锂电池将长期并存电动车领域。2025年,将是钠电池产业化环境成熟重要节点,有望从储能走向动力。

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重点企业

如果钠成功上位,因为钠电池的产业链结构与锂电池类似,负极、电解液、隔膜基本保持目前的竞争格局,相关龙头企业仍然具有先发优势。

需要着重指出的是,我国钠离子电池技术研究现位于世界前列。国外布局企业有英国FARADION公司、法国NAIADES公司、美国Natron Energy公司、日本岸田化学、丰田、松下、三菱化学,国内布局企业有宁德时代、中科海钠、钠创新能源等。

中科海钠——一家专注做钠离子电池研发生产的企业。宁德时代的董事长曾毓群在中科院物理所学习期间师从陈立泉,研究方向为锂离子电池。而院士陈立泉带领的中科院物理所电池团队,从2010年就开始进行钠离子电池的研究,从原材料开始研究,正极材料发现了四五种,负极材料也发现了四五种。孵化了中科海纳。

具体到产业链的各环节上。

正极:过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士化合物和非晶态材料四种路线。过渡金属氧化物是目前最受欢迎的正极材料,也是成熟度相对高的路线,中科海钠、钠创新能源和Faradion是该路线的主要公司。普鲁士类材料(氰化物有毒,需要严格的生产和环保资质,小型公司不易进入,存在技术门槛),具备成本低、稳定性好等优点,宁德时代、Altris和Natron Energy是该路线的主要公司。聚阴离子型化合物,稳定性和循环性能具有优势,主要公司为中科院物化所、法国NAIADES计划团体。

负极:金属化合物、碳基材料、合金材料、非金属单质四类路线,进展比较快的是碳基材料(硬碳是主流材料,现有龙头均有技术储备),其中,宁德时代采用的硬碳材料可让大量的钠离子储存和快速通行、具有独特孔隙结构的硬碳材料,克容量可达到350mAh/g以上,整体性能指标与锂电池的石墨相当。

电解液:锂电池的溶剂与钠电池兼容;主盐从六氟磷酸锂变成六氟磷酸钠(原材料厂的产线基本可以复用),钠盐成本更低。

隔膜:钠电池隔膜与锂电池基本没有区别。

集流体:相比锂离子电池的正极铝箔、负极铜箔的集流体体系,钠电池正负极皆可适用成本较低的铝箔。

碳纳米管(具有较高技术壁垒,行业集中度较高):一维纳米材料,重量轻,在快充、循环、低温性能上表现优异,宁德时代专利中包含碳纳米管,以提高电池的导电性能。

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