（報告出品方/作者：華泰證券，申建國、邊文姣）

 

鈉電池產業化提速，有望長期保持成本優勢

 

鈉電產業化提速，鈉電材料與電池擴產共振

 

       鈉電材料產業鏈完善與電池企業擴產共振，推動鈉電產業化進程。鈉電池的降本依賴于材料端的進步，我們認為隨著鈉電材料企業由小批量試產轉向大規模量產，正、負極以及電解液等關鍵材料成本有望明顯下降。正極材料方面，層狀氧化物路線進度最快，傳統鋰電三元廠商產線與生產經驗復用優勢明顯，布局相對領先；美聯新材依托自身原料優勢，與七彩化學合資投建普魯士藍項目。負極材料方面，非定型碳與鋰電石墨負極在原材料與工藝上差異較大，傳統鋰電負極與新進入者齊頭并進。電解液方面，工藝變化相對較小，預計傳統鋰電電解液企業仍將具有較強規模優勢。材料成本下降有望進一步凸顯鈉電成本優勢，配合寧德時代、傳藝科技、維科技術等鈉電池企業明年投產量產產線的規劃，鈉電產業化進程有望加速。

 

鈉電材料產業鏈完善有望長期保持成本優勢

 

       隨著材料產業鏈完善，鈉電降本空間較大。鈉電池相較鋰電，材料端主要變化在于正極、負極以及電解液，我們預計在鈉電池量產后，伴隨材料生產商制造工藝成熟以及規模效應，鈉電池成本有望持續下行，進一步凸顯成本優勢，促進鈉電池滲透率提升，形成正向循環。我們估算，量產初期，鈉電池電芯物料成本約610元/kWh，遠期由于材料價格下降，有望降至391元/kWh。

 

       考慮未來鋰電材料降價，遠期鈉電仍有望保持相較成本優勢。由于鋰電材料供需關系逐漸趨于過剩，我們判斷后續價格有望回落，因此分析鈉電成本優勢需要考慮各項鋰電材料，尤其是碳酸鋰價格變化的影響。在鈉電量產初期，其電芯物料成本相較磷酸鐵鋰電池先行成本低約125.5元/kWh，相當于碳酸鋰價格位于30-40萬元/噸時的磷酸鐵鋰電池成本。展望遠期，即使考慮鋰電材料降價，鈉電成本優勢依然顯著，我們估算遠期鈉電池電芯物料成本相當于碳酸鋰價格約10萬元/噸時的磷酸鐵鋰電池成本。

乘用車、儲能市場應用提速，打開鈉電市場空間

 

低速乘用車有望率先應用

 

       鈉電相較鋰電成本低，能量密度與循環性能適配低速乘用車要求。鈉電池具備突出的成本優勢，根據中科海鈉官網，鈉電池理論材料總成本相較于鋰電池低30-40%。雖然鈉離子電池的能量密度和循環性能不及鋰離子電池，但是在對能量密度和循環性能要求不高、成本敏感性較強的低速乘用車領域有望率先實現替代和應用。

 

       鈉電裝車進程快速推進，鋰鈉搭配未來有望拓寬應用范圍。2022年11月29日，寧德時代研究院副院長黃起森在鈉離子電池產業鏈與標準發展論壇上表示，鈉電池可滿足400公里續航里程車型。而通過首創的AB電池系統集成技術，將鈉離子電池與鋰離子電池同時集成到同一個電池系統里，并且將兩種電池按一定的比例和排列進行混搭，串聯、并聯集成，再通過BMS的精準算法進行不同電池體系的均衡控制而集成鈉離子電池與鋰離子電池，有望使鈉離子電池應用擴展到500公里續航車型，面向65%的車型市場。孚能科技表示公司鈉離子電池產品已處于集中送樣階段，產品已滿足A0級車需求，公司計劃2023年全面進入產業化階段，并已與多家知名兩輪車企和乘用車企開展深入合作，目標2024年滿足A級車的需求。鵬輝能源表示上汽通用五菱對鈉離子低溫優異性能非常感興趣，相信會解決消費者冬天使用體驗不好的痛點。

 

       鈉電裝車應用空間較大。根據乘聯會數據，自2020年起，國內A00級新能源乘用車銷量保持上漲趨勢，2020年、2021年及2022年1-11月的同比增速分別為62.7%、205.2%、28.0%，市場份額分別為26.5%、30.1%、19.9%。近三年來，A級、A0級、A00級新能源乘用車的市場份額加總始終維持在60%以上。2022年1-11月A級、A0級、A00級新能源車的市場份額分別為35.0%、10.3%、19.9%，合計銷量328萬輛，其中A00級銷量100萬輛。

儲能應用受制于循環壽命，應用有望加速

 

       大型儲能對循環壽命要求較高，是鈉電應用的主要瓶頸。儲能電池的循環壽命是指在一定的充放電制度下，電池容量降低到某一規定值之前，電池能經受多少次充電與放電。國家工信部電子信息司在《鋰離子電池行業規范條件（2021年本）》中規定儲能型電池循環壽命≥5000次且容量保持率≥80%。目前鈉電池的循環壽命僅為2000-4000次，與磷酸鐵鋰電池還存在一定的差距。鈉離子電池循環壽命的不足會導致需要頻繁更替、拆解電池，耗費大量人力和費用成本，使得電站投入成本過高，運行實際收益低，全生命周期內投資回報率不足，不利于推廣。因此，進一步改進鈉離子電池的結構和工藝，提高其循環壽命，從而降低儲能電站的度電成本，對大規模儲能的商業化應用十分重要。

 

       鈉電循環壽命仍有較大提升空間，可以滿足大儲要求。從理論上看，鈉電電池的循環壽命仍大提升空間，鈉電負極硬碳非結晶態，形變相對更小，SEI膜造成的不可逆鈉消耗理應更低；聚陰離子正極材料理論循環壽命可達10000次以上。中國科學技術大學正著力于研發長壽命低成本鈉離子電池材料及器件，預期兩年內實現高性能鈉離子電池循環壽命超過5000次，五年內將循環壽命提升至10000次。

 

       鈉離子循環壽命可通過正極摻雜包覆，負極硬碳與電解液優化等方式提升。目前鈉離子電池循環壽命受限一方面是由于鈉離子的體積較大，在材料結構穩定性和動力學性能方面的要求更加嚴苛，因此反應過程中嵌入脫出難度大且容易造成結構變化，例如鈉電正極晶格相變；另一方面是鈉離子電池在循環過程中，電解液消耗速度過快。理論上，鈉電正極晶格形變問題可以通過摻雜包覆以降低相變性，負極采用循環性能更優的硬碳材料可提高壽命。電解液消耗過快一方面可以通過開發全新的電解液體系以降低消耗速度，另一方面可通過補鈉技術實現循環壽命的改善。然而從理論過渡到具體實踐仍然需要經過一定的探索和研究。

       針對以上問題，各家企業對鈉離子電池的研究逐步增加，積極對其正負極材料及電解液進行探索。以寧德時代為例，正極材料采用目前具有潛在商業化價值的普魯士白以及層狀氧化物兩類材料，對材料表面進行重新設計，解決了材料在循環過程中容量快速衰減這一難題。在負極材料方面，寧德時代開發出了具有獨特孔隙結構的硬碳材料，具備優異的循環性能，能夠讓大量鈉離子存儲和快速通行。同時寧德時代還研發出新型獨特的電解液體系，以適配全新研發的正負極材料。

 

       目前已有大型儲能探索應用鈉電。2021年12月，中科海鈉聯合三峽能源、三峽資本，在阜陽規劃5GWh鈉電池產能，2022年11月29日，一期1GWh鈉離子電池生產線產品下線，標志著該生產線正式具備了規模化生產GWh級鈉離子電池的能力，在開辟儲能產業新賽道、鈉離子電池產業化發展等領域具有里程碑式意義。后續將推動30GWh鈉電池量產規劃。此外，三峽能源安徽阜陽南部風光儲基地項目儲能系統擬建設60MWh鈉離子電池儲能項目，公司預計23年投產，標志著鈉電將正式應用于大型儲能項目。

 

兩輪車先行，儲能、乘用車接力，市場規模有望超1600億

 

       鈉電池現有性能已可滿足電動兩輪車需求，其成本優于鋰電池，性能遠超鉛酸電池，我們預計鈉電明年或率先在電動兩輪車批量應用。新能源汽車領域，由于低速乘用車具有對能量密度要求不高、成本敏感性較強等特點，鈉離子電池可憑借其良好的性價比及更加穩定的電化學性能、快充及低溫性能，率先在低速乘用車發展。在儲能領域，鈉離子電池具有成本低、原材料資源豐富等優勢，雖然暫時受制于循環壽命的限制，但隨著各企業對循環性能的研發突破，后續可實現對磷酸鐵鋰電池的部分替代。因此，基于目前產業界鈉電研發及新能源車和儲能行業快速推進的大背景，我們預計鈉電裝機量2027年有望達到335GWh，鈉電池總體市場規模將達到1676億元，2024-2027年CAGR為164%。正極材料、負極材料、電解液2027年對應市場空間分別達377、172、123億元。

鈉電材料多技術路線齊頭并進

 

正極材料：三種技術路線并行，層狀氧化物有望率先量產

 

       鈉電三類正極材料各有優點，未來或將長期共存。鈉電正極材料主要有層狀氧化物、普魯士藍、聚陰離子三條技術路線。層狀氧化物正極結構與鋰電三元材料類似，且兼顧能量密度與循環壽命，且較少使用到鈷、鎳等價格較高的過渡金屬，成本可控，因此最早量產，有望明年裝車應用。但是層狀氧化物材料空氣穩定性差，需要通過包覆或摻雜提高其空氣穩定性，這會提升其制造成本。普魯士藍類正極能量密度高，結構穩定，倍率性能好，成本低廉，但是由于其晶格中配位水的存在，普魯士藍類正極與商用有機電解液的兼容性差，循環壽命也受影響。且普魯士藍類正極的生產涉及到劇毒的氰化物，生產要求較高。聚陰離子正極的循環性能較好，且工作電壓高，但能量密度較低，導電性較差，大電流充放電性能較差，需要使用碳包覆或摻雜提高電子電導率。

 

層狀氧化物：進展最快，成本優于磷酸鐵鋰

 

       層狀氧化物產業化進展最快，成本明顯低于磷酸鐵鋰，銅鐵錳基成本優勢更為明顯。鈉電層狀氧化物正極有浙江鈉創為代表的鐵鎳錳酸鈉Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2和中科海鈉為代表的銅鐵錳酸鈉Na0.9[Cu0.22Fe0.3Mn0.48]O2。基于理論物料成本估算，Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2的單噸成本約為2.59萬元，Na0.9[Cu0.22Fe0.3Mn0.48]O2單噸成本約為2.08萬元，均低于目前磷酸鐵鋰材料的單噸成本14.8萬元。考慮到單GWh鈉電電芯的層狀氧化物正極的用量為3000噸，則Na[Ni1/3Fe1/3Mn1/3]O2的成本約為0.078元/Wh，Na0.9[Cu0.22Fe0.3Mn0.48]O2成本約為0.063元/Wh，相較磷酸鐵鋰優勢明顯。

普魯士藍類：潛力較大，結晶水影響循環性能為應用瓶頸

 

       普魯士藍類材料能量密度接近鐵鋰，成本低廉，是潛力較大的鈉電正極材料。普魯士藍類材料的結構通式是AxM1[M2(CN)6]y□1-y⋅zH2O，其中A為堿金屬，M1和M2是過渡金屬，□代表材料中的結構缺陷，H2O是材料中的結晶水。雙電子轉移型普魯士藍類材料（M1和M2=Mn，Fe，Co）的理論比容量可以達到170mAh/g，與磷酸鐵鋰材料的理論比容量接近，其中錳基和鐵基普魯士藍類材料更是具有成本低廉的優點。

 

       普魯士藍類材料具有開放型三維通道，離子電導率與循環性能優異。普魯士藍類材料中，過渡金屬離子分別與氰根中的碳和氮形成六配位,形成的立方形結構穩定。鈉離子處于三維通道結構和配位孔隙中，離子擴散通道較大，離子擴散能壘較低，可以實現鈉離子的快速擴散以及較小的晶格畸變。因此，普魯士藍類材料的理論循環穩定性高，循環壽命長。

 

       工業上主要采取共沉淀方法合成普魯士藍材料。普魯士藍類材料有共沉淀法、水熱合成法、球磨法三種合成方法。水熱合成法通常需要高溫高壓等苛刻反應條件，且能源消耗大，還有安全隱患，一次產量也較低，不適合大規模工業化生產。球磨法則是固固反應，存在反應不充分以及合成的一次顆粒會團聚的問題，且適用材料單一，目前局限于合成Na2FeFe(CN)6。共沉淀法可以用于合成多種普魯士藍類材料，生產工藝較為簡單且反應溫度較低，能耗較小，因此被廣泛使用。

 

       普魯士藍材料理論成本與銅鐵錳酸鈉接近。根據共沉淀法的方程式測算，并且考慮普魯士藍材料的合成過程中的輔料檸檬酸和檸檬酸三鈉，可測算鐵基普魯士藍單噸理論物料成本約為2.39萬元。考慮單GWh鈉電電芯需要普魯士藍材料約2000噸，則普魯士藍的成本約為0.048元/Wh，低于層狀氧化物成本。

       若考慮氰化鈉為一體化自制，普魯士藍成本具有明顯優勢。氰化鈉是合成亞鐵氰化鈉的重要原料，工業上通過天然氣裂解法從制備氫氰酸開始制備氰化鈉。如果考慮縱向一體化自制氰化鈉，我們估算氰化鈉的成本約為9660.26元/噸，明顯低于目前氰化鈉的售價。若氰化鈉自制，則鐵基普魯士藍單噸物料成本約為1.50萬元，對應電芯中成本約為0.030元/Wh，相較于層狀氧化物成本優勢明顯。

 

       結晶水解決方案為提升普魯士藍材料循環性能關鍵。共沉淀法制備普魯士藍材料是在水溶液中進行，沉淀反應快速，通常會引入一定數量的空位，空位附近的過渡金屬離子容易與水分子配位，引入結晶水。這不僅會造成普魯士藍類材料中晶格畸變，影響鈉離子在骨架間隙中的擴散，還會影響普魯士藍類材料與電解液的接觸穩定性與循環中的結構穩定性，造成材料比容量和循環壽命偏低。通過控制普魯士藍的沉淀反應，例如在沉淀過程中逐漸增加檸檬酸鈉的濃度，可以減緩普魯士藍類材料的沉淀速度，減少空位和結晶水的存在。除此之外，簡單通過加熱方法也可以除去普魯士藍材料中大部分的結晶水。另外也可以采取新的合成方法，例如球磨法，不引入水環境。

 

聚陰離子：循環能力好，磷酸鐵鈉潛力較大

 

       聚陰離子結構穩定，工作電壓較高。聚陰離子型電極材料的通式是NaxMy(XO4)n(X=S,P,Si,As,Mo,W;M=過渡金屬)，按照其中的陰離子不同可以分為磷酸鹽類、焦磷酸鹽類、氟磷酸鹽類、復合磷酸鹽類、硫酸鹽類和硅酸鹽類六大類。強X-O共價鍵構成的框架具有高穩定性和安全性，其中豐富的晶格空位也緩解了鈉離子反復嵌入脫出造成的體積變化和相變，所以聚陰離子類材料普遍擁有較高的穩定性和循環壽命。聚陰離子的誘導效應也使過渡金屬離子的氧化還原電位提升，使得聚陰離子類材料具有較高的工作電壓。但是，聚陰離子類材料也因為其中陰離子含量多，克容量普遍偏低，以及存在電子電導率低，倍率性能較差的缺點。

       磷酸釩鈉與氟磷酸釩鈉產業化進程較快，但克容量較低，且釩有毒性。磷酸釩鈉屬于磷酸鹽類，具有3.4V（vs.Na+/Na）的電壓平臺和117.6mAh/g的理論容量。氟磷酸釩鈉（NaVPO4F）屬于氟磷酸鹽類，具有更高的工作電壓（3.9Vvs.Na+/Na）和理論比容量(143mAh/g)。磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉都可以通過高溫固相法合成，工藝易于控制，產業化進程較快，鵬輝能源、合縱科技、鈉創新能源等都有布局。但是，磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉的克容量依然偏低，而且原材料釩不僅價格高，而且有毒性。

 

       磷酸鐵鈉理論比容量高，材料成本低廉，制備不涉及有毒物質，更安全。磷酸鐵鈉也屬于磷酸鹽類，理論克容量154mAh/g，高于磷酸釩鈉和氟磷酸釩鈉。磷酸鐵鈉也具有聚陰離子材料結構穩定、電壓平臺高的優點，而且原材料主要是鐵，價格便宜，無毒無污染。若只考慮原材料，磷酸釩鈉的材料成本高達0.19元/Wh，磷酸鐵鈉的材料成本僅有0.072元/Wh，接近層狀氧化物鈉電正極成本。

 

       離子交換制備磷酸鐵鈉成本高。橄欖石型磷酸鐵鈉既具備橄欖石型材料的結構穩定性，又具有較高的克容量，但是難以直接化學合成，最常用的制備方法是基于有機溶液的離子交換法。這種方法操作較為復雜，制備成本較高。

磷酸鐵鈉倍率性能較差，可以通過離子替換改善。磷酸鐵鈉的橄欖石型結構中，相鄰的FeO6八面體通過共頂點連接，形成了一維離子傳輸通道，且電子電導率也較低。因此磷酸鐵鈉的倍率性能較差。包碳可以改善磷酸鐵鈉的電子電導率，元素摻雜可以通過晶格結構減小鈉離子的遷移阻力。

 

負極材料：硬碳大勢所趨，技術路線多樣

 

硬碳為主流路線

 

       碳基材料優勢突出，無定形碳率先產業化應用。鈉離子電池負極技術路線眾多，主要包括金屬化合物、碳基材料、合金材料、非金屬單質四類路線。金屬化合物和合金材料理論比容量很高且反應電勢低，是制造高能量密度鈉離子電池的理想材料，但動力學性能相對較差，且比容量衰減快，面臨更多的技術難題，尚處于實驗室研究階段。碳基材料工作電壓低、儲納容量可觀，且來源廣泛、技術成熟度高，具備性能和成本綜合性價比優勢，研究和應用最為廣泛。常見的碳基材料可根據其微觀結構分為石墨類、無定形碳材料（硬碳/軟碳）、納米碳材料等種類。具有發達層狀結構的石墨主要通過插層反應形成石墨插層化合物儲鈉，但由于鈉離子的半徑較大，與石墨發生嵌入反應的結合能ΔG>0，不能進行有效嵌脫生成熱力學穩定的Na-C化合物，故在鋰電池中廣泛應用的石墨負極通常無法用于鈉電池。在其他碳基材料中，無定形碳材料因具有儲鈉容量高、嵌鈉平臺低和循環壽命長等優勢，有望率先實現產業化應用。

       無定形碳內部結構決定儲鈉機理，學術界仍存在爭議。無定形碳按石墨化難易程度細分為軟碳、硬碳材料，軟碳在2800oC以上能完全石墨化，而硬碳即使在高溫處理下也難以出現石墨化現象。軟硬碳均由有機前驅體熱解產生，軟碳前驅體通常為熱塑性材料（石油化工原料），硬碳前驅體則采用熱固性材料（生物質/樹脂/瀝青等）。不同的碳化前驅體使得軟硬碳呈現不同的微觀結構，從而采用不同的儲鈉機理。具有亂層結構的軟炭主要通過嵌入反應儲鈉，而具有多孔隙和無序缺陷結構的硬炭儲鈉機理則較為復雜，現有研究提出了“插層-填孔”、“吸附-插層”、“吸附-填孔”、“吸附-插層-孔充填”等多種模型，但仍有一些實驗現象無法用上述模型解釋。隨著觀測和實驗技術的改進，硬碳儲納機理研究有望取得更多進展。

 

        硬碳克容量高、循環壽命好，為主流廠商技術路線。性能方面，軟硬碳因微觀結構不同各有優劣。硬碳在熱解過程中短程呈現碳層堆疊結構，長程則表現為無序堆積狀態，缺陷較多疏松多孔，有更多儲鈉活性點位，且碳層間距更大（0.37-0.42nm），鈉離子可以從層間空隙中迅速嵌脫，因此硬碳表現出更強的儲鈉能力（300-350mAh/g）和較低的嵌鈉電位；此外，硬碳負極中大量孔洞的存在也有效緩解了鈉離子插層和填充前后造成的晶格膨脹，在充放電過程中的體積膨脹效應遠小于石墨和軟碳，循環壽命和安全性更好。硬碳的性能劣勢主要表現在首周庫倫效率低（83-84%）。軟碳材料有序度、規整度更高，具備更好的導電性能，但活性點位少、層間距離窄，儲納容量低（200-220mAh/g）。經濟性方面，硬碳多使用生物質或高分子聚合物等原料制備前驅體，炭化后產碳率偏低且壓實密度低；而軟碳以石油化工原料（瀝青/煤炭/石油焦）為前驅體，含碳量高、成本低廉，在降本空間方面表現更好。綜合考慮材料性能和經濟可行性，硬碳因突出的比容量優勢更勝一籌，成為當前負極主流廠商選擇的技術路線。

 

前驅體路線多樣，生物質路線前景廣闊

 

       前驅體選擇為硬碳產業化關鍵，生物質路線前景廣闊。硬碳材料可采用多種前驅體制備，工藝路線選擇復雜多樣。前驅體原料的形態、結構很大程度決定了硬碳材料的空心率、孔徑等微觀結構，并進而決定硬碳的儲鈉性能，因此找到性能優越、純度較高、成本低廉、易于獲得和存儲的前驅體是硬碳產業化面臨的關鍵挑戰。常用的硬碳前驅體原料包括生物質（植物基）、樹脂、瀝青。樹脂基電化學性能最佳，儲鈉容量高、循環性能優，產品均一度較好，但原材料成本高昂；瀝青基原料來源廣泛、價格低廉，但電化學性能較差、性質不穩定；生物質基具有天然的多孔和層狀結構，可增加硬碳材料的結構缺陷、層間距以及電導率,有利于提高儲鈉性能，并且物料來源廣泛、便于儲存且環境友好，主要問題在于含有較多雜質和灰分，收率低且首周庫倫效率較低，需要先進行酸堿浸泡預處理除雜。綜合看來，生物質基性能適中、成本較低、原料豐富，是制備硬碳材料相對理想的前驅體。

碳化與改性為核心工藝環節

 

       碳化與改性等工藝細節處理為硬碳制備核心難點。除前驅體選擇以外，生產環節中對材料的純化、造孔和界面設計等工藝細節也是硬碳產業化應用的核心壁壘之一。硬碳合成工藝路線較長，構效關系復雜，不同前驅體的制備工藝也有所差異。硬碳負極生產工藝總體可分為各類預處理、交聯固化、熱處理碳化、表面改性等流程，其中know-how壁壘較高的關鍵環節在于碳化過程及表面改性。調控硬碳微觀結構的主要思路有兩種,一是調控碳化過程,包括碳化溫度、變溫速率、碳化方式等，從而精密調控硬碳孔隙結構和層間距，提高儲鈉克容量、首周庫倫效率和循環穩定性；另一種方式是進行表面包覆和雜原子摻雜等精細化的材料界面設計，有效改變材料的層間距、表面潤濕性、電子導電性,從而改善其儲鈉性能。