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钠电池量产元年?动力电池背后的技术博弈

壹零社

2022-10-04 15:23重庆

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面临“成本失控”危机的锂电池

一年半左右的时间涨幅超11倍,“锂大爷”上演真实版“疯狂的石头”让新能源汽车产业叫苦不迭。

在突破50万元/吨大关后,碳酸锂价格近期走势势如破竹。据上海钢联9月23日发布数据显示,当日电池级碳酸锂涨1500元/吨,均价报51.15万元/吨,这一价格,已逼近今年3月上海钢联统计的电池级碳酸锂51.7万元/吨均价。而在三元锂电池和磷酸铁锂电池两大动力电池阵营中,锂都是不可或缺的存在。

目前的两大体系中1GWh磷酸铁锂电池需要使用520吨碳酸锂左右,而三元锂电池使用的量同样较多,1GWh三元锂电池需要使用620吨碳酸锂左右。所以,碳酸锂的单价每涨价10万元,动力电池每GWh成本就会增加5200万元-6200万元左右,年初至今碳酸锂价格增加了22万元左右,动力电池成本就增加了1.15万元~1.36万元左右,对整车成本和售价的影响可想而知。

电池级碳酸锂价格走势,数据来源:USGS,百川盈孚

在动力电池电芯的成本构成中,正极材料是成本占比最大的环节。上游原材料涨价使正极材料成本占比大幅提升,其中碳酸锂价格对成本影响尤为明显。2020年年底至2022年3月,碳酸锂价格从5.2万元/吨上涨到50万元/吨,磷酸铁锂电池正极材料在电芯成本中占比从20%上升至42%,碳酸锂在电芯成本中占比从2.6%提升到15%。碳酸锂持续上涨的背后,从动力电池到整车企业,整个新能源汽车产业链都在承压。

下游企业的成本压力骤增,带动了市场对理论成本更低的钠离子电池的期待。

成本优势明显的钠电池

“天下熙熙皆为利来,天下攘攘皆为利往”——新一代电池技术的推广和产品落地,利益才是最好的推手,钠电池量产之所以受到关注,无非是因为其本身在成本上的优势以及对整车成本的影响。

钠离子电池正极钠源使用碳酸钠(3千元/吨),相比碳酸锂(50万元/吨)价格优势显著,如果使用铜锰铁元素层状氧化物体系,正极价格比LFP正极便宜一半以上;负极材料使用硬/软碳,目前价格预计8/5(万元/吨),未来成本可降至4/2(万元/吨)以下,其中软碳相比石墨具备成本优势;电解液使用NaPF6,其离子电导率更高,因此用量比锂电更低,同时原材料量产后成本优势显著;集流体方面正负极均使用铝箔,无需使用价格较高的铜箔,因此进一步降低成本(降低60%以上)。

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目前钠离子电池处于推广期,设备工艺不成熟、生产设备不完善、产业链不完善,成本目前预计0.8-0.9元/Wh以上,相比铁锂电池无性价比优势,主要应用于两轮车等领域替代铅酸电池。随着产业链的完善,钠电池成本有望降到0.5元/Wh,而铁锂电池总成本预计在0.7元/Wh(碳酸锂价格假设15万元/吨,下同),成本便宜20%以上。电芯材料成本方面,钠电池成本预计比铁锂电池低0.1元/Wh,便宜25%以上!

最为关键的是钠资源储量丰富,地壳丰度(2.75%)是锂资源(0.0065%)的400多倍,且钠资源在全球分布均匀,而锂资源70%分布在南美洲地区,资源分布极度不均。而在产业链打造方面,钠离子电池与锂离子电池工作原理相似,生产设备大多兼容,这意味着电池厂商转向钠电池的话本身在设备和工艺改造上的投入并不大,利于成本控制。

钠离子电池工作原理

除成本优势外,钠离子电池在电池端的应用上也具有明显优势。钠离子的溶剂化能比锂离子更低,即具有更好的界面离子扩散能力,同时同浓度下钠盐电解液离子电导率比锂盐电解液更高。更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能好,充电速度快,常温下充电到80%仅需15min。而钠离子的斯托克斯直径比锂离子小,同浓度下钠盐电解液离子电导率比锂盐电解液更高,因此可以使用低盐浓度电解液代替高盐浓度电解液。

此外,锂电在低温下充电会析锂,而钠电不会析钠,因此钠离子电池的工作温度更宽,在-40°C到80°C的温度区间内皆可正常工作,-40°C低温下容量保持率超过 70%,-20°C低温下容量保持率接近 90%,远高于同条件下锂电池不到70%的保持率。钠离子电池在热失控过程中易钝化失活,在过充、过放、挤压、针刺等安全测试中均不起火爆炸,热稳定性远超国家强标安全要求,这让钠离子电池在安全性上也具有较为明显的优势。

综合拥有以上优势的钠电池目前代替锂电池方面具有一定的呼声,毕竟动力电池在新能源汽车成本中占据40%~60%的比重,一旦动力电池成本能往下降,意味着新能源汽车整车售价也有望走低。

多元化应用场景

对于未来充满想象空间的钠电池领域,各电池厂商的布局也是相当快的。

据梳理,宁德时代2021年发布了第一代钠离子电池,计划于2023年形成钠离子电池的产业链;传艺科技即将进行中试线投产,预计一期2GWh的钠离子电池项目将于2023年投建;华阳股份和中科海纳计划建立电池PACK厂,2023年扩产至10GWh钠离子电池正、负极材料生产线;容百科技规划在2023年实现钠电池正极材料每个月千吨级出货;振华新材钠离子电池正极材料预计在2022年第四季度进入小批量试用阶段;多氟多的六氟磷酸钠已商业化量产,钠电池的量产仍在实验室阶段。

随着各方在纳电上的研发投入纳电研发进展快速,钠电池技术及材料逐步具备产业化的可能,同时钠离子行业标准制定在即,预计年底钠电池技术和材料体系有望基本定型。如此,2023年有望成为钠电产业化元年,实现小批量出货,2024年实现大批量量产,规模有望达到30GWh,预计未来首先取代铅酸电池,并逐渐切入A00级电动车和储能领域,预计2025年钠电池全球需求超100GWh,未来有望成为锂电池的一个有效补充。

事实上,相对于当下坐稳动力电池统治地位的锂电池,钠电池更容易替代的其实是铅酸电池。全国二轮电动车电池市场75%为铅酸电池,钠电循环远超铅酸电池(500-800次),能量密度可达铅酸电池3倍以上,成本同样低于铅酸。同时新国标限制两轮车整车重量不超过55kg,创造电池轻量化需求,因此我们预计钠离子电池可逐步实现低速电动车、后备电源和启停电源无铅化。

A00级电动车对价格极为敏感

同时,由于A00级电动车售价低电池成本占比高,因此对电池成本更为敏感,钠离子电池凭借成本优势有望大展身手单车30度电的假设下,比铁锂便宜6000元以上,这意味着钠离子电池产品标准化程度提高后,更容易切入A00级电动车领域。

此外,大型储能系统对能量密度要求不高,对安全性及经济性要求更高,完全可以成为钠电池落地应用的重要场景。根据2022年《钠离子电池储能技术及经济性分析》,钠离子电池在调峰应用场景下的全生命周期的度电成本约0.55元/wh(计电力损耗),而磷酸铁锂和三元锂电池的度电成本约0.81元/wh和1.18元/wh,就度电成本而言,钠离子电池的成本较LFP和三元分别降低了32.1%和53.3%,成本优势明显。

由于其低成本的优势,钠离子电池储能系统在电网侧及电源侧具备更强的竞价优势,另一方面,由于钠离子电池储能系统的宽温区特性,可适应不同纬度地区的气候条件,有效提高分布式电源渗透率,提升配电网运行的稳定性和经济性。

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低成本且安全的钠电池同样适合大型储能系统

总体而言,钠离子电池与锂离子电池工作原理、结构相似,在浆料配方设计、电极生产过程和电池装配过程几乎没有差别,材料成本低,倍率性能、低温性能及安全性能优异,有望成为锂电池应用领域的有效补充。但是钠离子电池也存在能量密度低、电压平台低、回收价值低等缺点,难以满足电动汽车对动力电池高能量密度的要求。

钠电池元年有望开启

除了技术的更迭外,钠电池量产更需要政策的支持。成熟并具有完善的配套政策的锂离子电池不同,由于钠离子电池配套的产业政策目前并不多,不利于产品的市场推广和成本的降低。

2022年7月14日,工业和信息化部办公厅颁布有关文件明确提出对钠离子电池的行业标准进行规定,将由电子标准院、中科院物理所、中科海钠、宁德时代、比亚迪等公司联合起草,在技术创新、实验验证、产业化推进等方面进行推进,加快钠离子电池的发展速度。

不过需要注意的是市场对钠离子电池的期待,很大程度上取决于它在理论上的成本优势。而成本优势都是在对比中产生的,目前锂离子电池的关键原材料碳酸锂价格高企,放大了钠离子电池的优势。未来如果锂矿石价格持续走低,不排除钠电池未来落地推广会有变数。

编辑|张毅

审核|吴新

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