鈉電正極:三足鼎立,各有所長

中金研究 2022年11月25日 08:17

當前鋰價連續高位運行,鈉電產業化必要性凸顯,除鈉電負極硬碳外,我們同樣建議關注鈉電正極從無到有帶來的結構性投資機遇。

摘要

鈉電產業化有望提速,正極是關鍵一環。鈉電池相比鋰電池的核心變化集中在正極和負極,其中負極技術路线中硬碳產業化前景較爲明朗,而正極則存在層狀氧化物、聚陰離子型、普魯士白三種可選路线,其產業化路徑相對復雜多樣。由於正極材料理論比容量相對較低,並且部分路线含有稀缺金屬元素,因此正極對電池的能量密度、制造成本起到決定性作用;此外,不同應用場景還對電池循環性能要求不同,而不同正極技術路线循環性能差異較大。綜合來看,層狀氧化物路线能量密度开發潛力最大,且倍率、低溫性能好,但循環壽命相對較低;聚陰離子型路线循環壽命最高,且結構穩定性強,但能量密度相對較低;普魯士白路线理論克容量和倍率性能最好,但目前循環壽命、壓實密度最低。

層狀路线或將率先得到應用,其他路线緊隨其後。我們認爲考慮鈉電產業化的初衷在於降本,因此其主要替代動力和儲能的性價比市場,與磷酸鐵鋰場景較爲重疊。小動力及動力性價比市場場景下,層狀氧化物路线依托其較磷酸鐵鋰更高的倍率、低溫性能優勢,有望形成差異化競爭優勢;另一方面層狀氧化物制造工藝與三元鋰電正極高度重疊,傳統三元正極龍頭紛紛布局層狀路线,使得材料產業化進度較快,因此我們認爲層狀路线在小動力、動力性價比市場有望快速迎來一定滲透率的提升。儲能市場目前處於起步階段,且對循環壽命要求相對苛刻,層狀氧化物循環壽命低劣勢將被放大,聚陰離子型正極一方面理論循環壽命可接近磷酸鐵鋰,另一方面其制備工藝貼近磷酸鐵鋰正極,具備一定產業化基礎,待產業化配套完成後,或在經濟性上得到提升,並在儲能場景迎來一定滲透率提升。普魯士白路线當前在制備工藝上存在一定瓶頸,主要體現爲結構缺陷和結晶水問題,若工藝實現突破有望在功率型場景下迎來一定產業化機遇。

鈉電正極材料市場從無到有,市場增速快。綜合考慮鈉電池在儲能及動力的應用前景,我們預計2025年層狀正極需求量有望達到8.4萬噸,聚陰離子正極有望達到8.7萬噸,普魯士白若工藝突破產業化前景同樣值得期待。隨着正極材料出貨量增加,我們估計正極材料平均價格或將持續回落,我們估計2025年正極材料市場空間爲85.8億元。

風險:正極材料產業化不及預期,鈉離子電池滲透率不計預期。

正文


鈉電產業化加速,正極爲關鍵一環


鈉電產業化有望提速,正極材料變化較大。鈉離子電池主要材料包括正極材料、負極材料、電解液、隔膜、集流體、結構件等,其中主要的材料變化集中在正負極,而硬碳爲主的負極材料路线確定性較高,正極材料則路线豐富,與鋰電池正極材料差異較大,不同路线的競爭格局存在差異,我們認爲有望帶來結構性投資機遇。

圖表:常見鈉電池正極材料性能對比

資料來源:Huilin Pan等,《Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage》,2013,中金公司研究部

研發理想的鈉離子電池正極材料是鈉離子電池產業化的關鍵。理想情況下,鈉離子能夠完全進行可逆脫出與嵌入,而不會造成晶體結構的破壞。根據《鈉離子電池正極材料研究進展》,理想的鈉電正極材料具有以下幾個性能:

正極氧化還原電勢高,以便於全電池獲得更高的工作電壓,提高電池能量密度;

質量比容量和體積比容量大;

電解液穩定性高,循環過程中結構穩定,可保證電池較長的循環壽命;

較高的電子電導率可以降低電池內阻;

較高的離子電導率,即要求電極結構具有合適的鈉離子擴散通道和較低的離子遷移勢壘;

能量轉換效率和能量保持率較高;

空氣中結構穩定,可以避免由存放導致的性質惡化問題;

安全無毒、原材料成本低廉、容易制備。

當前鈉離子電池正極材料主要有過渡金屬氧化物類、聚陰離子類化合物、普魯士藍類化合物、有機材料等。過渡金屬氧化物類、聚陰離子類化合物、普魯士藍類化合物的研究相對較多、產業化進程相對較快,過渡金屬氧化物類包括層狀結構氧化物和隧道結構氧化物,聚陰離子類包括磷酸鹽、焦磷酸鹽和硫酸鹽等。

圖表:鈉離子電池各類型正極材料

資料來源:謝嫚等,《鈉離子電池先進技術及應用》,2020,中金公司研究部

不同類型的正極材料結構和電化學特點差別比較明顯。層狀氧化物具有周期性層狀結構,能量密度較高,但大多容易吸水或與空氣反應;隧道型氧化物晶體結構中具有獨特的“S”形通道,具有較好的倍率性能,且對空氣和水穩定性高,但是其比容量較小;聚陰離子材料具有开放的三維骨架,倍率性能好,但是導電率較差,需要採取碳包覆和摻雜手段改善其電子和離子導電性,但又會導致其體積能量密度降低;普魯士藍類材料具有开放型三維通道,Na+可以在通道中快速遷移,其結構穩定性和倍率性能好,但存在結晶水難以除去及過渡金屬離子溶解的問題;有機類材料多電子反應,具有較高的比容量,但電子導電率較差,且易溶解於有機電解液中。

圖表:鈉離子電池主要正極材料特點

資料來源:振華新材公司公告,中金公司研究部


鈉電正極三種路线各有所長


過渡金屬氧化物:性能均衡,傳統正極材料企業多有布局,產業化進程快

根據Na+排布差異,過渡金屬氧化物可分爲層狀和隧道狀金屬氧化物,結構通式爲NaxMO2 (0<x< span="">≤1,M主要爲過渡金屬元素中的一種或多種)。

隧道狀結構晶體結構中僅一維隧道供Na+的可逆嵌入/脫出。這類材料儲鈉方式簡單,不會發生較多的相變過程。但是由於Na+嵌入/脫出路徑爲一維隧道,所以離子傳輸速率受到限制,倍率性能不佳。另外,如果材料因爲長時間循環後發生結構的坍塌,有可能會堵塞隧道,進一步對Na+的嵌入/脫出產生不利的影響。

層狀氧化物晶體結構多變,鈉離子脫嵌路徑多。通常過渡金屬與周圍六個氧形成MO6八面體結構組成過渡金屬層,鈉離子位於過渡金屬層之間,形成MO6多面體層與NaO6鹼金屬層交替排布的層狀結構。根據x值及鈉離子存儲的位置的不同,可以劃分爲四種穩定的晶體學結構:O3、O’3、P3和P2,最常見的是O3型和P2型兩種結構。其中“O”或“P”表示Na+佔據八面體或三棱柱,數字2和3表示每個晶胞中由幾種堆疊形式的層狀結構組成。層狀氧化物中的一元結構存在結構不穩定、循環效率差等缺點,因此其研究多集中於多元結構。

圖表:層狀氧化物結構示意圖

資料來源:Qiang Bai等,《Computational Studies of Electrode Materials in Sodium-Ion Batteries》,2018,中金公司研究部

層狀氧化物O3-NaCoO2中鈉離子擴散與O3-LiCoO2中鋰離子擴散類似,都屬於雙空位擴散機理。O3-NaCoO2比O3-LiCoO2的離子擴散勢壘低,即鈉離子半徑雖然比鋰離子更大,但其擴散不一定比鋰慢,原因在於正極材料結構的層間距更大,離子擴散通道變寬。P2-NaxCoO2中鈉離子的擴散路徑則是由幾種不同環境的鈉離子遷移路徑連接形成的。

圖表:O3-NaCoO2中的雙空位擴散機理

資料來源:Qiang Bai等,《Computational Studies of Electrode Materials in Sodium-Ion   Batteries》,2018,中金公司研究部

圖表:NaCoO2比LiCoO2的離子擴散勢壘低

資料來源:Qiang Bai等,《Computational Studies of Electrode Materials in Sodium-Ion   Batteries》,2018,中金公司研究部

電化學性能:空氣穩定性不佳,可借鑑鋰電三元材料改性路线提高性能

層狀氧化物能量密度高,晶體結構易演變、空氣穩定性不佳導致其循環性能差,需通過摻雜元素、包覆及控制充放電電壓區間進行改善。

O3型(高容量):O3結構中,鈉離子與過渡金屬MO6八面體共棱連接形成NaO6八面體。O3型化合物鈉離子含量高,但是,O3型相中間的Na+在八面體位點間的擴散需要通過具有邊緣共享的四面體位點,擴散的能壘較高,動力學性能低,並且在Na+的脫嵌過程中會經歷O3⇔P3的復雜可逆相變,從而導致其循環性能差、倍率性能差,應避免向P’3和O’3等扭曲結構轉變。

P2型(高穩定):P2結構中,NaO6三棱柱有兩種位置,一種是三棱柱上下兩側均與過渡金屬MO6八面體共棱連接,另一種是上下側均與過渡金屬MO6八面體共面連接。由於存在較強庫倫斥力,兩個相鄰位置不能同時佔據,通常缺鈉,鈉含量爲0.5≤x≤0.8,因此P2型層狀氧化物只有在首周循環後獲得額外鈉補償才能實現高容量。電壓超過4.1V時,P2型NaxMO2會經歷P2⇔O2相變,由於體積變化可能導致顆粒破碎或極片脫離,也會導致電化學性能較差,因此爲使其脫鈉過程穩定,需要限制電壓範圍在4.1V內,或通過元素摻雜抑制高壓下的結構相變。

圖表:P2-O2相轉變的兩種情況

資料來源:Kei Kubota等,《Origin of Enhanced Capacity Retention of P2-Type Na2/3Ni1/3-xMn2/3CuxO2 for Na-Ion Batteries》,2017,中金公司研究部

除晶體結構演變外,層狀氧化物正極材料還存在一些基礎科學問題,比如姜-泰勒效應、過渡金屬離子溶解等。姜-泰勒效應指MO6八面體中八面體結構的自發扭曲,目前大多數觀點認爲姜-泰勒畸變不利於結構穩定性或會促進過渡金屬溶解等,在材料設計時一般應盡量避免引入有姜-泰勒效應的元素或價態(Cr2+、Mn3+、Fe4+、Ni3+、Cu2+等)。過渡金屬離子溶解是鋰電和鈉電中常見問題,一般具有姜-泰勒效應的Ni、Mn等過渡金屬相比Co更易溶解,溶解後的過渡金屬離子會遷移到負極並在負極側沉積,造成負極側固定電解質中間相(SEI)膜厚度增加,減少活性Na+,增加電池內阻,持續催化電解液分解,降低電池循環壽命。

圖表:姜-泰勒畸變使得金屬-氧鍵軸向拉長,電荷轉移到軸向氧

資料來源:HOOMAN YAGHOOBNEJAD ASL等,《Reining in dissolved transition-metal ions》,2020,中金公司研究部

鈉電層狀氧化物會和潮溼空氣反應,在保存和制備極片過程中需格外注意空氣的幹燥處理。關於鈉電層狀氧化物材料較差的空氣穩定性的機理尚不完全明了,對空氣和水穩定的鈉電層狀正極材料數量較少,較常見的有P2-Na2/3[Ni1/3Mn2/3]O2和O3-Na0.9[Cu0.22Fe0.3Mn0.48]O2等。層狀氧化物顆粒鹼性較強時,會遇水產生OH-腐蝕鋁箔,導致電池性能下降甚至失效。

圖表:層狀氧化物空氣穩定性較差(b圖中靠近右上角表示空氣穩定性更好)

資料來源:Wenhua Zuo等,《The stability of P2-layered sodium transition metal oxides in ambient atmospheres》,2020,中金公司研究部

元素摻雜是正極材料改性中的常用方法,每種活性或非活性元素具有不同的特點,靈活的運用元素摻雜方法可以實現對電池性能、成本等的調控。引入非活性元素可以提高層狀氧化物的結構穩定性。引入活性元素可以改善電化學特點,例如成本低、有大規模化電池應用前景的鐵基層狀氧化物,具有高能量密度的鈷基類型材料,及能提供一定穩定性的銅基材料等,把多種過渡金屬結合在一起形成二元/三元金屬氧化物則擁有更多的可能性。除了可以把不同過渡金屬元素組成多元金屬氧化物外還,可以設計不同構型復合的過渡金屬氧化物,使其兼顧O3型材料的高容量和P2 型材料的高穩定性。

圖表:過渡金屬元素在層狀氧化物中的特點

注:價格爲2022年10月19日統計

資料來源:SMM,Wind,胡勇勝等,《鈉離子電池科學與技術》,2022,中金公司研究部

圖表:過渡金屬氧化還原電對在鈉電和鋰電中的電極電勢

資料來源:Huilin Pan等,《Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage》,2013,中金公司研究部

通過抑制相變改善O3型化合物在脫嵌鈉過程中的相變可以改善其緩慢的動力學特性,提高O3型層狀氧化物的性能。摻雜在過渡金屬部位的金屬離子(如Li,Mg,Ca等)可以有效固定相鄰的氧層,使過渡金屬層難以滑動,從而抑制相變或保持高度可逆性。

圖表:引入非過渡金屬離子Sn4+代替Mn4+抑制了Na+脫嵌過程中O3⇔P3的復雜相變

資料來源:Mariyappan Sathiya等,《A Chemical Approach to Raise Cell Voltage and Suppress Phase Transition in O3 Sodium Layered Oxide Electrodes》,2018,中金公司研究部

碳包覆也是一種常用的提高材料穩定性的方法。高鎳型的O3型正極材料對空氣中水分和二氧化碳敏感,可以通過塗層修飾有效提高其對環境空氣的化學穩定性。

圖表:球形O3型層狀氧化物包覆納米級Al2O3顆粒提高半電池倍率性能

資料來源:Jang-Yeon Hwang等,《Resolving the degradation pathways of the O3-type layered oxide cathode surface through the nanoscale aluminum oxide coating for high-energy density sodium-ion batteries》,2017,中金公司研究部

部分公司已小規模出貨形成收益,產業化進程快

工藝產线高度重合,三元正極企業紛紛布局層狀氧化物。層狀氧化物鈉電正極材料的生產工藝設備與鋰電三元材料產线高度重合,在材料改性、調控等方面工藝也相似,因此傳統正極材料生產企業多布局層狀路线,並通過多種工藝降低殘鹼、包覆、補鈉、制備O3與P2相復合材料,從而獲得能量密度高、循環穩定性好、容量保持率高的鈉電正極材料。

各元素比例對成本影響較大

不同元素比例的層狀氧化物成本相差較大。鐵錳材料成本低,但是存在電壓滯後現象(有限電流通過電極時電極電勢偏離平衡電極電勢的現象,即爲了克服電流通過電極時的阻力需要一定的電極電勢作爲推動力),鎳錳材料比容量高,但是循環性能不佳,通過部分過渡金屬取代可以實現更好的電化學性能。銅鐵錳、鎳鐵錳材料循環穩定性好,是常用的多元材料,結合振華新材回復函中層狀氧化物的分子式、設備及廠房基建投資金額,我們分別測算了幾種二元、三元層狀材料的電池材料成本。

圖表:不同類型鈉離子層狀正極材料成本比例

注:各類成本參考2022年10月價格測算

資料來源:Wind,百川盈孚,振華新材審核問詢函的回復,中金公司研究部

聚陰離子類化合物:工作電壓高,循環穩定性好,新進企業多有布局

聚陰離子類化合物結構穩定性好,工作電壓高。聚陰離子類化合物化學式爲NaxMy(XaOb)Zw,其中M爲Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Ca、Mg、Al、Nb等中的一種或幾種;X爲Si、S、P、As、B、Mo、W、Ge等;Z爲F、OH等。鈉基聚陰離子類化合物是指由聚陰離子多面體和過渡金屬離子多面體通過共棱或共角連接形成的具有三維結構框架的化合物,鈉離子分布於三維框架空隙中。聚陰離子化合物主體晶格穩定,具有出色的循環穩定性、高安全性,同時F-和多面體如PO43-、SO42-等擁有較大的電負性,可以提升工作電壓,但是聚陰離子化合物存在電導率低的特點。

聚陰離子類化合物種類豐富,主要包括磷酸鹽、硫酸鹽、混合聚陰離子化合物等。磷酸鹽主要包括橄欖石結構NaMPO4、NASICON型結構Na3M2(PO4)3和焦磷酸鹽結構Na2MP2O7等。硫酸鹽(Na2M(SO4)2·2H2O,M爲過渡金屬元素)中的酸根具有比磷酸根更強的誘導效應,比磷酸鹽工作電壓更高。混合聚陰離子化合物指具有兩種及以上陰離子的化合物,包括氟化磷酸鹽、氟化硫酸鹽、磷酸碳酸鹽等,氟化磷酸鹽通過引入強電負性的F原子,可以進一步提高材料的氧化還原電勢。

圖表:磷酸鹽的分類

資料來源:曹鑫鑫等,《鈉離子電池磷酸鹽正極材料研究進展》,2020,中金公司研究部

圖表:NaFePO4 的結構示意圖

資料來源:潘雯麗等,《聚陰離子型鈉離子電池正極材料的研究進展》,2020,中金公司研究部

電化學性能:電導率低,需通過納米化和碳包覆改善

聚陰離子類化合物電導率低,需要通過納米化和碳包覆改善。聚陰離子類化合物中聚陰離子結構單元由很強的共價鍵緊密連接,將聚陰離子基團和過渡金屬離子的價電子隔开,使這類材料工作電壓高,但也導致了電導率低,限制了其在高倍率下的充放電性能。通過納米化材料可以提高活性顆粒和電解液接觸面積,縮短離子擴散路徑,提高電導率;通過碳包覆有助於提高材料表面電子電導率,同時碳包覆層還可以改善顆粒團聚現象。

圖表:NaxV2(PO4)2F3晶格中的三種鈉位和對應的鈉離子遷移路徑

資料來源:Ian L. Matts等,《Explaining Performance-Limiting Mechanisms in Fluorophosphate Na-Ion Battery Cathodes through Inactive Transition-Metal Mixing and First-Principles Mobility Calculations》,2015,中金公司研究部

圖表:碳包覆Na3V2(PO4)3後的SEM圖

資料來源:Zelang Jian等,《Carbon coated Na3V2(PO4)3 as novel electrode material for sodium   ion batteries》,2011,中金公司研究部

產業化進度稍慢於層狀材料

新進企業多有布局,產業化進度稍慢於層狀材料。聚陰離子型材料工作電壓高,循環穩定好,部分材料成本可以做到較低水平,與儲能場景較爲契合,因此不少新進企業多有布局。

聚陰離子類材料成本可以做到較低水平

聚陰離子類材料大部分原料價格廉價易得,可以將成本降低到較低水平。聚陰離子型正極主要原料爲硫酸鹽、磷酸鹽、鐵鹽、錳鹽,成本較低,部分路线含有釩元素,由於釩價格昂貴且有毒性,其產業化前景尚不明朗,無釩元素的聚陰離子類材料成本較低。

圖表:不同類型鈉離子聚陰離子正極材料成本比例

注:各類成本參考2022年10月價格測算

資料來源:Wind,百川盈孚,中金公司研究部

普魯士藍類化合物:理論性能好,當前制備過程中存在缺陷

普魯士藍類化合物(PBAs)具有开放的三維骨架結構及合適的鈉離子擴散通道。普魯士藍類化合物化學式可表示爲NaxM1[M2(CN)6]1‐y·□y·nH2O(0≤x≤2,0≤y≤1),其中M1和M2爲不同配位過渡金屬離子(M1與N配位、M2與C配位),如Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn等;□爲[M2(CN)6]空位,通常具有面心立方結構。普魯士藍類化合物主要分爲貧鈉態和富鈉態,x≤1稱爲貧鈉態,x>1稱爲富鈉態或普魯士白。普魯士白可以通過M3+/M2+和Fe3+/Fe2+氧化還原電對實現2個鈉離子的可逆脫出/嵌入,理論比容量達到170.8mA⋅h/g,工作電勢較高。

圖表:普魯士黃、普魯士藍、普魯士白在儲鈉過程中的變化

資料來源:Xianyong Wu等,《Single-crystal FeFe(CN)6nanoparticles: a high capacity and high rate cathode for Na-ion batteries》,2013,中金公司研究部

電化學性能:當下存在空位缺陷和間隙水問題,電化學性能不佳

普魯士藍類化合物結構穩定,但當下存在空位缺陷和間隙水問題導致材料電化學性能較低。由於Fe–CN的配位穩定常數高,三維結構穩定,因此具有較長的循環壽命。但是在實際研究中卻出現了倍率性能差、循環不穩定、庫倫效率低(≤90%)等問題,主要原因是化合物中[Fe(CN)6]4-空位和間隙水的存在,[Fe(CN)6]4-空位被水佔據後會降低材料初始鈉含量,並導致容量在循環過程中快速下降,導致材料電化學性能降低。

圖表:普魯士藍類化合物制備過程中存在缺陷結構(右圖)

資料來源:遊濟遠等,《鈉離子電池正極材料研究進展》,2022,中金公司研究部

圖表:過渡金屬全爲Mn的普魯士藍結構儲鈉機理

資料來源:Hyun-Wook Lee等,《Manganese hexacyanomanganate open framework as a high-capacity positive electrode material for sodium-ion batteries》,2014,中金公司研究部

產業鏈上下遊發揮研發協同優勢解決制備缺陷問題

普魯士藍類電池材料上下遊有望發揮研發優勢解決制備缺陷問題。電池材料公司具有電池材料研發優勢、產品驗證周期短等優勢,化工類企業具有原料供應保障及普魯士藍類材料研發、產業化經驗足優勢,上下遊協同研發有望加快解決材料制備過程中的缺陷問題。

普魯士藍類材料成本不高,原料成本佔主要部分

普魯士白與銅鐵錳層狀氧化物成本接近,原料成本佔主要部分或將有助於有相關產能的化工企業布局。普魯士白材料成本中氰化鈉佔主要部分,我們認爲在布局普魯士藍(白)類材料的化工企業中有氰化鈉產能的企業或將有利於原料保供,且具有成本優勢,相關企業或將進一步受益。銅鐵錳層狀氧化物是層狀三元材料中成本較低的一類材料,普魯士白與其成本接近。

圖表:普魯士白與銅鐵錳層狀氧化物成本接近

資料來源:Wind,百川盈孚,中金公司研究部


層狀路线有望率先應用,其他路线有望跟上


層狀材料研究起步早,且生產线與鋰電三元高度重合,布局企業較多。層狀材料在小動力車及部分對循環性能要求不高的儲能場景中應用潛力較大。聚陰離子型材料部分路线成本低,循環性能好,儲能場景應用前景較好。普魯士藍類材料尚存一定工藝障礙,有待企業進一步开發。

圖表:鈉電中常見正極材料的電化學性質

資料來源:趙成龍,《鈉離子層狀氧化物電極材料的合成設計與性能研究》,2020年,中金公司研究部

層狀氧化物正極材料研究起步早,技術成熟度高

層狀氧化物正極材料研究起步早,業界研究較深入,技術成熟度高。層狀氧化物正極材料研究起步早,根據《鈉離子電池科學與技術》一書,1981年起就陸續有文獻報道NaxMO2(M=Co,Ni,Ti,Mn,Cr,Nb)層狀氧化物正極材料的電化學性質,而直到2007年才有Na2FePO4F聚陰離子正極材料的報道,2013年美國科學家又提出了具有較高電壓和優良倍率性能的普魯士白正極材料。層狀氧化物正極材料的研究歷史久,業界對其一元、多元材料的晶體結構、電化學特性都有較深入的認識。

層狀氧化物正極材料开發與鋰電三元類似,主要壁壘在產线進度。層狀氧化物正極材料的常用改性方法包括元素摻雜、包覆等,與鋰電三元改性方法類似,同時制備工藝均爲固相法,產线高度重合,僅需考慮部分廠房空間和設備冗余。層狀氧化物正極材料的競爭格局中產线進度將被優先考慮。

動力場景:層狀氧化物材料優勢明顯

動力場景對電池循環性能要求低,對能量密度、倍率性能、低溫性能要求高,層狀氧化物路线優勢明顯。動力場景下,除了A級及以上電動車對能量密度要求較爲苛刻,其余場景主要包括A00車、二輪車、三輪車等場景,一方面其循環壽命要求較低,另一方面多爲價格敏感型市場,但對能量密度、倍率性能、低溫容量衰減又有一定要求,層狀氧化物類材料優勢明顯,我們認爲其有望進一步得到應用。

鉛酸電池雖成本低但電化學性能較差,鈉電有望對其進行部分替代。鉛酸電池在二輪車等小動力車場景中應用成熟度高,其具有成本低、安全穩定性好、高低溫放電性能好等優點,但是電化學性能比如循環壽命、倍率性能、能量密度較差。此外,新國標要求電動自行車整車重量少於55kg,鉛酸電池由於重量能量密度低,難以達標,因此其在電動兩輪車場景下被替代趨勢比較明確。層狀氧化物正極材料的鈉電具有成本較低、安全性高、能量密度較高、低溫和快充性能好等電化學優勢,有望在小動力場景下對鉛酸電池進行部分替代。

當前鋰價高企,磷酸鐵鋰電池成本較高,鈉電有望對其進行部分替代。在動力場景下,磷酸鐵鋰電池能量密度高,但是當期鋰價高企背景下,其成本較高,且低溫和快充性能不佳,循環壽命優勢在動力場景下優勢並不能得到充分發揮,因此我們預計層狀氧化物鈉電有望在A00車、電動兩輪車、電動三輪車、啓停電源等領域對其進行部分替代。

圖表:鈉離子電池成本低,且電化學性能較好

資料來源:傳藝科技公司公告,中科海鈉公司官網,中金公司研究部

儲能場景:聚陰離子型材料優勢明顯

儲能場景主要對電池的循環性能和成本提出較高要求,聚陰離子型材料優勢明顯。

不同儲能場景技術路线匹配略有不同。儲能場景中,家儲對循環性能要求相對較低,層狀氧化物正極材料循環性能劣勢並不明顯,或可得到一定滲透;工商業儲能場景中,聚陰離子材料中硫酸鐵鈉材料成本低,循環壽命高,考慮容量租賃、峯谷價差套利、容量補償等收益來源,3000次循環的層狀材料作爲鈉電正極可以提供14.6%的IRR,若爲6000次循環的聚陰離子,在每天充放兩次的情況下,即使考慮平價電價與低谷電價相比有所上浮,根據我們測算,其IRR依舊可以達到23.5%,凸顯出聚陰離子型材料儲能的優勢。大型儲能場景循環壽命要求較高,聚陰離子型循環經濟性優勢較爲明顯,有望對磷酸鐵鋰電池行成一定補充。

圖表:儲能項目IRR測算(層狀氧化物正極,3000次循環)

資料來源:北極星儲能網,胡勇勝等,《鈉離子電池科學與技術》,2020,中金公司研究部

圖表:儲能調峯項目IRR測算(聚陰離子正極,6000次循環)

資料來源:北極星儲能網,胡勇勝等,《鈉離子電池科學與技術》,2020,中金公司研究部

圖表:聚陰離子型鈉電材料循環經濟性優勢明顯

資料來源:傳藝科技公司公告,中科海鈉公司官網,中金公司研究部


正極材料產業化尚未成熟,當下蕴藏潛在機遇


下遊應用場景豐富,小動力或將率先量產。我們認爲鋰價高位背景下,鈉電池產業化初期裝機成本優勢明顯,有望率先在小動力場景落地,且考慮該場景下競爭格局相對分散化,並可避免與傳統鋰電池巨頭競爭,部分鈉電池企業成長確定性較強。儲能正處於起步階段,其更爲注重循環壽命、安全性、經濟性等,層狀氧化物路线具有一定的局限性,而聚陰離子型鈉電具有可比擬磷酸鐵鋰正極的循環性能,待產業鏈配套完備後或將在儲能場景得到推廣。

鈉電正極層狀氧化物和聚陰離子型有望齊頭並進,普魯士藍類材料在解決制備缺陷問題後會迎頭趕上。層狀氧化物和聚陰離子型分別適配動力、儲能場景,目前層狀氧化物產業化進程走在聚陰離子型前面,考慮兩大場景需求增速,我們預計2025年層狀正極需求量有望達到8.4萬噸,聚陰離子正極有望達到8.7萬噸。隨着正極材料出貨量增加,我們估計正極材料平均價格或將持續回落,我們估計2025年正極材料市場空間爲85.8億元。普魯士藍類材料通過在非水溶劑中制備等方法解決制備過程的結晶水問題後,會由於其較好的理論性能進一步得到應用。

圖表:鈉電正極材料市場空間預測

資料來源:中金公司研究部

傳統正極生產企業多布局層狀路线,通過改性提高層狀性能。層狀氧化物鈉電正極材料的生產工藝設備與鋰電三元材料產线高度重合,傳統正極材料生產企業多布局層狀路线,並通過多種工藝降低殘鹼、包覆、補鈉、制備O3與P2相復合材料獲得能量密度高、循環穩定性好、容量保持率高的鈉電正極材料。

新進企業發揮各自優勢多有布局普魯士類、聚陰離子類材料。美聯新材公告顯示其與七彩化學就雙方共同投資25億元建設“年產18萬噸電池級普魯士藍(白)項目”籤署了《战略合作協議》,七彩化學擁有普魯士藍(白)產業化技術、成本以及環保處理優勢,美聯新材具有普魯士藍(白)上遊核心原材料氰化鈉的產能、成本、技術優勢。傳藝科技公告其將在鈉電產能二期規劃中對大型儲能正極材料選取聚陰離子類材料,但是層狀材料還是會首先進行量產。根據衆鈉能源官網,其推出的鈉電池將採用硫酸鐵鈉聚陰離子正極材料。

層狀路线或將率先得到應用,其他路线緊隨其後。我們預計由於鈉電層狀正極材料與三元鋰電池生產线高度重合,且層狀材料性能均衡,層狀材料將在鈉電發展前期推進較快,後期隨着聚陰離子類材料量產推進,或將憑借其低成本得到應用,普魯士藍類材料工藝難度大,或將在其解決制備難點後得到應用。


投資建議


我們看好正極材料市場的高成長性,建議關注符合以下結構性邏輯的機會:

一是具備先發優勢。正極材料市場從無到有,具備先發優勢,有產品送樣、出貨或在布局量產產线的公司將在正極材料市場中先入爲主,打通下遊應用,解決鈉電制造的正極困境。

二是具備技術積累和研發優勢。正極材料是電池產業化的關鍵,具備一定技術積累和研發優勢的企業將獲得電化學性能優異的正極材料,有利於在鈉電產業化應用中獲得較高的產業鏈地位,提高定價話語權,形成壁壘優勢。

三是具備產業化進程優勢。正極材料除了技術上的壁壘,實際成規模出貨還需解決產業化進程問題,存在資金壁壘和客戶渠道壁壘,當下正極材料市場從無到有,具備產業化進程優勢的公司將捷足先登。


風險提示


正極材料產業化不及預期:正極材料產業化面臨資金、技術等壁壘,目前國內企業主要集中在小規模生產制造,若量產過程中存在難以保證產品性能均一穩定等問題,可能會影響正極材料產業化進程。

鈉離子電池滲透率不計預期:鈉電正極材料的主要應用背景是鈉離子電池,若鈉離子電池滲透率不及預期,會影響正極材料需求,公司布局正極材料產能的動力或將減弱。



標題:鈉電正極:三足鼎立,各有所長

地址:https://www.antcaijing.com/article/28095.html


回頂端