钠离子电池材料行业研究:正极材料量产在即,三大线路齐头并进

钠电池从 0 到 1,正极材料 2026 年需求有望超 30 万吨

钠电池从 0 到 1,正极材料 2026 年需求有望超 30 万吨

2026 年全球钠电池正极材料需求有望超过 30 万吨。由于钠离子电池不断实现技术突破,综合性能不断提升,叠加碳酸锂价格处于高位,钠离子电池成本优势凸显,其产业化进程正在加速推进,2023年有望成为钠离子电池放量的元年。我们预计2026年全球钠离子电池需求将达到 123.7GWh,正极材料作为钠电池核心材料之一,成本占比高达 26%, 2026 年全球需求有望超 30 万吨,未来三年复合增速超 200%。

钠电池正极材料层状氧化物路线有望率先实现产业化。材料选择方面,钠离子电池正极材料路径多样,主要包括层状氧化物、普鲁士蓝类和聚阴离子型化合物。其中,层状氧化物材料凭借优异的综合性能以及与锂电正极工艺设备的高兼容性有望率先实现产业化,普鲁士蓝类化合物和聚阴离子化合物也有望实现技术突破,打开新的成长空间。

层状氧化物:综合性能优异,产业化基础齐备

层状氧化物正极材料综合性能优异,工艺与设备逐步成熟。性能方面,得益于层状氧化物的特殊结构,其克容量和压实密度分别能达到 100-170 mAh/g 和 3.0-4.0 cm3/g,优于普鲁士类化合物和聚阴离子化合物。工艺与设备方面,钠电层状正极与锂电三元正极高度兼容,能借鉴锂电池三元正极材料的发展经验,因此钠电层状正极的短板正在被不断补齐,具备大规模应用基础。

国内多数企业开始布局层状氧化体系正极材料。目前,全国主流企业均在加速布局钠离子电池层状氧化物正极材料,大部分企业已经完成了从小试到中试的过程,预计在接下来的两年将陆续有新增产能的建设与投产。成本方面,由于各企业选择的层状氧化物体系存在差异,元素掺杂也不尽相同,因此各企业的层状正极成本差异较大。根据各企业公布的专利,结合当前主要原材料的市场价格,我们计算得出中科海纳 Na-Cu-Fe-Mn 系层状氧化物正极材料理论原材料成本最低仅1.83万元/吨(按照分子式进行理论计算,不计损耗,不包括加工费用等),相比其他体系层状氧化物正极和锂离子电池三元正极具备成本优势,有望率先应用。

普鲁士蓝类化合物:原材料充足,结晶水问题是关键

普鲁士蓝类化合物原料充足且具有成本优势。普鲁士蓝类化合物由于具有较大的金属离子通道,可实现 Na+的快速嵌入和脱嵌而不发生晶格畸变,可在室温温和条件下制备以及材料安全无毒和成本低等诸多优点而被视为钠离子电池正极材料的理想选项之一。性能方面,由于普鲁士蓝类化合物一般有两个不同的氧化还原活性中心,因此普鲁士蓝类化合物在充放电过程中能实现 2 个 Na+的可逆脱嵌,其理论充放电比容量可达到 170mAh/g。成本方面,以宁德时代 Na1 .768Mn[Fe(CN)6]0 .942·2.132H2O 为例,根据当前主要原材料的市场价格,其理论原材料成本约 1.50 万元/吨(按照分子式进行理论计算,不计损耗,不包括加工费用等,未考虑络合剂柠檬酸),远低于锂电池磷酸铁锂和三元正极。原材料方面,普鲁士蓝上游原材料以氰化钠和二价锰材料为主,这两种原材料产能充足,为普鲁士蓝材料大规模产业化提供保障。

普鲁士蓝类正极材料加速应用开发,性能及稳定性有望逐步提升。目前,普鲁士蓝正极材料面临的主要问题是材料的结晶完整性问题和结晶水问题,以宁德时代为首的企业也在加速研究进度,通过改进工艺、元素掺杂、表面包覆等多种途径助力普鲁士蓝类材料性能提升,未来行业有望加速发展。

聚阴离子化合物:钒系成本高,硫酸盐系是未来重点发展方向

含钒聚阴离子材料具有高能量密度、高功率密度、高稳定性优势。聚阴离子化合物种类多样,高的氧化还原电位和稳定的结构赋予材料优异的综合性能,其中含钒聚阴离子材料(NVPF)结构性能优异,具有能量密度高、功率密度高、稳定性好等潜在优点,是目前性能最接近实际应用的聚阴离子材料。但是,与其他聚阴离子材料一样,含钒聚阴离子材料的电子导电率极低,仅仅 10−12 S/cm。未经修饰的 NVPF 材料即使在低电流密度下仍然难以获得高比容量,同时,由于制备方法不当等带来的体相电子和离子传递阻力较大等缺陷,限制了材料的实际比容量、倍率性能及稳定性,阻碍了该材料的实际应用。由于原材料五氧化二钒价格较高,导致单吨Na3V2(PO4)2F3 理论原材料成本高达 5.74 万元/吨(按照分子式进行理论计算,不计损耗,不包括加工费用等),远高于层状氧化物(1.83 万元/吨)和普鲁士蓝类材料(1.50 万元/吨),这进一步限制了其大规模应用。

硫酸盐聚阴离子材料有望加速实现应用。研究发现,硫酸盐聚阴离子材料具有较强的电负性和氧化还原电势,是一种潜力较大的储钠材料。虽然硫酸盐聚阴离子材料的能量密度较低,但其原材料成本可控,按照当前市场价来计算,理想情况下 Na2Fe2(SO4)3 的理论原材料成本仅 500.4 元/吨(按照分子式进行理论计算,不计损耗,不包括加工费用等),相对锂电正极材料和其他钠电正极材料理论原材料成本优势显著,因此国内多家企业积极布局,如多氟多、传艺科技、众钠能源、星空钠电等均在相关领域有专利布局。未来随着技术和制备工艺的突破,硫酸盐聚阴离子材料有望加速实际应用的步伐。

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