水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析2022

• 2022年10月24日 GuoMeng來源：互聯(lián)網(wǎng) 923 57
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歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化日趨臨近，2023年或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)化元年。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，鈉離子電池“量產(chǎn)元年”的到來或?qū)⒃谝欢ǔ潭壬细纳苾δ茈姵毓┎粦?yīng)求的局面。寧德時代方面表示，正在推進(jìn)鈉離子電池明年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;鵬輝能源也表示，希望明年推動鈉離子電池批量生產(chǎn)。

歷經(jīng)數(shù)年發(fā)展，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化日趨臨近，2023年或?qū)⒊蔀楫a(chǎn)業(yè)化元年。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，鈉離子電池“量產(chǎn)元年”的到來或?qū)⒃谝欢ǔ潭壬细纳苾δ茈姵毓┎粦?yīng)求的局面。寧德時代方面表示，正在推進(jìn)鈉離子電池明年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化;鵬輝能源也表示，希望明年推動鈉離子電池批量生產(chǎn)。

水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析2022

政策層面，今年 8 月科技部等九部門印發(fā)《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實施方案(2022 — 2030 年)》，明確提出研發(fā)液態(tài)鈉離子電池儲能、液流電池儲能等高效儲能技術(shù)。工信部同月發(fā)文，提出要加強(qiáng)新型儲能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，加快研鈉離子電池等新型電池。

此前發(fā)改委等九部門印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，提出目標(biāo)到2025年，可再生能源年發(fā)電量達(dá)3.3萬億千瓦時左右，加強(qiáng)可再生能源前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。涉及的技術(shù)中，除去超大型海上風(fēng)電機(jī)組、高海拔大功率風(fēng)電機(jī)組、新一代高效低成本光伏電池、綠氫制備等技術(shù)之外，多項高能量密度儲能技術(shù)也被囊括其中，包括鈉離子電池、液態(tài)金屬電池、固態(tài)鋰離子電池、金屬空氣電池、鋰硫電池。

近年來，水系離子(鋰、鈉等)電池的研發(fā)越來越受到關(guān)注。但是，地球上的鋰資源實際上是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應(yīng)用需求的。于是，與鋰的化學(xué)性能類似的鈉被認(rèn)為能夠替代鋰適用于水系離子電池體系。鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。因此，水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認(rèn)為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池之一，成為最近業(yè)界研究工作的焦點。實際上，鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機(jī)系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機(jī)系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機(jī)系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入-脫出反應(yīng)的“搖椅式”機(jī)理作為充放電反應(yīng)機(jī)理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。

目前，國內(nèi)布局鈉離子電池業(yè)務(wù)的企業(yè)大致可以分為兩大類，分別是以寧德時代、欣旺達(dá)和億緯鋰能等為代表的鋰電巨頭企業(yè)，和以中科海鈉、眾鈉能源等為代表專注于鈉離子電池領(lǐng)域的初創(chuàng)企業(yè)。

除了資源端外，鈉離子電池成本優(yōu)勢還體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)建設(shè)端。與鋰離子電池工作原理相同，鈉離子電池同樣依靠離子在正負(fù)電極之間往返嵌入和脫出的搖椅式二次電池。從生產(chǎn)流程和工藝路線上看，鈉電池結(jié)構(gòu)也與鋰電高度相似，其決定了兩者的生產(chǎn)流程和產(chǎn)線接近，這意味著鋰電池材料廠商未來可與鈉電池共用產(chǎn)線中的絕大多數(shù)環(huán)節(jié)，從而降低產(chǎn)線建設(shè)成本。

資源儲量上，鋰元素的地殼豐度僅0.0065%，絕大多數(shù)分布在美洲。鈉資源地殼豐度高達(dá)2.75%，且全球到處都有分布。鈉資源價格與鋰資源價格就已經(jīng)差距懸殊。綜合各項材料成本測算，相比鋰離子電池，鈉離子電池材料成本要降低30-40%。

雖然水系鈉離子電池技術(shù)面臨著諸多挑戰(zhàn)，但它仍然為大規(guī)模儲能提供了一種安全、廉價、清潔和耐久的新體系?，F(xiàn)在，越來越多的新材料，新構(gòu)思和新技術(shù)被應(yīng)用到水系鈉離子電池體系的開發(fā)中，其綜合性能也在不斷提升。相信隨著研究與開發(fā)的不斷深入，在不久的將來一定能夠?qū)崿F(xiàn)其在儲能上的大規(guī)模應(yīng)用，從而推動以智能電網(wǎng)和可再生能源并網(wǎng)為代表的清潔能源的應(yīng)用。

據(jù)中研普華研究報告《2022-2027年中國水系鈉離子電池行業(yè)深度分析與投資預(yù)測報告》分析

第一節(jié) 水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

一、水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展概況分析

鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機(jī)系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機(jī)系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機(jī)系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入一脫出反應(yīng)的“搖椅式”機(jī)理作為充放電反應(yīng)機(jī)理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。直到近年，在容量利用率和循環(huán)壽命方面基本滿足要求的有機(jī)系鈉離子電池用負(fù)極材料才被開發(fā)出來。

早在150多年前，剛發(fā)明的鉛酸電池就是使用水系電解液對的。后來，Dahn小組1994年首次報道了以LiMn2O4作正極、VO2作負(fù)極、Li2SO4水溶液為電解質(zhì)的水系鋰離子電池，提出利用兩電極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想，此后在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上開始水系鈉離子電池的設(shè)計及材料研制。

2005年，夏永姚課題組報道了以LiMn2O4作正極、活性炭為負(fù)極的非對稱電容電池，隨后他們又再次研發(fā)了以LiMn2O4作正極在鈉、鋰混合離子電解質(zhì)中的水系離子電池，進(jìn)一步推動了對水系電池的研究。電池的制造成本及運行安全可靠性通常是大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用的首要考慮因素。盡管鈉離子電池在有機(jī)電解液體系下具有較高的能量密度和輸出電壓，但是有機(jī)電解液的高成本、易揮發(fā)、易燃及生產(chǎn)復(fù)雜等缺點是其在大規(guī)模儲能應(yīng)用時面臨的瓶頸。所以當(dāng)我們使用比有機(jī)電解質(zhì)更快的離子遷移速率的水溶液電解質(zhì)時，既能降低電池的制備成本也能夠在安全性、功率密度和環(huán)境兼容性等方面有所改善?？上ё畲蟮娜秉c是水溶液電解質(zhì)的工作電壓窗口比較窄。

目前，國內(nèi)外的一些研究者越來越多的開展對水系鈉離子電池的探索了。例如2007年Sauvage等發(fā)現(xiàn)了Na0.44MnO2在水溶液電解質(zhì)中的嵌脫鈉機(jī)制。然后，2010年Whitacre等報道了以Na0.44MnO2為正極、活性炭為負(fù)極及Na2SO4水溶液作電解質(zhì)的水系鈉離子電池。另外，水系鈉離子電池的研究是新電池體系的一個優(yōu)化和前進(jìn)過程，在實際應(yīng)用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要我們繼續(xù)在制備工藝、電極材料的選擇改進(jìn)以及全電池的匹配上作出更多的努力，早日實現(xiàn)水系鈉離子電池的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

在水系電解質(zhì)體系中，存在水電解引起的負(fù)極析氫和正極析氧的副反應(yīng)。由于水的熱力學(xué)電化學(xué)窗口為1.23V，為了避免水電解反應(yīng)的發(fā)生，即使考慮到動力學(xué)因素，水系鈉離子電池的電壓通常在1.5V左右，最高也不能高于1.8V。而且，在電極材料的選擇上也必須考慮要抑制水分解副反應(yīng)的影響。正極材料嵌鈉反應(yīng)的電位要低于水的析氧過電位，而負(fù)極材料的嵌鈉反應(yīng)的電位應(yīng)高于水的析氫過電位，這就限制了許多在有機(jī)系電解質(zhì)中表現(xiàn)良好的儲鈉正負(fù)極材料的應(yīng)用。另外，許多鈉鹽化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，進(jìn)一步限制了儲鈉材料的選擇。自從1994年，DAHN等制作了以V205為負(fù)極、LiMn204為正極、Li2S04/H20為電解質(zhì)的鋰離子電池，首次提出利用兩極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想之后，水系鈉離子電池的設(shè)計和材料研制就在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上展開。

二、水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模分析

2019年我國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模僅為0.8億元，隨著水系鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，該行業(yè)市場規(guī)模發(fā)展迅速，2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到6.5億元。

圖表：2019-2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模(單位：億元)

數(shù)據(jù)來源：中研普華產(chǎn)業(yè)研究院整理

三、水系鈉離子電池行業(yè)發(fā)展特點分析

水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時間都很短，技術(shù)層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有以下幾點。

(1)水是最常見的液體，同時也是常見液體中極性最強(qiáng)的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期(10-20年)持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料;亦可以是從電池設(shè)計的角度考慮，加強(qiáng)電極的成型后的強(qiáng)度以抗抵水溶液的侵蝕;

(2)由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前已見報道的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25W·h/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負(fù)極材料，才能提升整個電池的質(zhì)量比能量;

(3)水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型、集流體的選擇、電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術(shù)難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。

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