钠电池电解液：与锂电体系相通,有机电解液前景较优研究

发布时间：2024-04-24 11:19:12 来源：文档文库

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钠电池电解液：与锂电体系相通，有机电解液前景较优

《十四五新型储能发展实施方案》正式印发，国家正式提出研究开展钠离子电池等新一代高能量密度储能技术试点示范。方案提出，推动多元化技术开发。开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢（氨）储能、热（冷）储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究，集中攻关超导、超级电容等储能技术，研发储备液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池等新一代高能量密度储能技术。突破全过程安全技术。突破电池本质安全控制、电化学储能系统安全预警、系统多级防护结构及关键材料、高效灭火及防复燃、储能电站整体安全性设计等关键技术，支撑大规模储能电站安全运行。
工信部将在十四五相关规划等政策文件中加强布局，从促进前沿技术攻关、完善配套政策、开拓市场应用等多方面着手，做好顶层设计，健全产业政策，统筹引导钠离子电池产业高质量发展。科技部将在十四五期间实施储能与智能电网技术重点专项，并将钠离子电池技术列为子任务，以进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化，提升综合性能。
一、钠电池电解液：与锂电体系相通，有机电解液前景较优

电解液是钠离子电池的关键材料之一，在电池正负极之间起到传导和输送能量的作用，在很大程度上决定了电池的工作机制，影响着电池的安全性、循环寿命和倍率性能等指标。
锂钠离子电池电解液生产体系可沿用，壁垒在配方技术，而非产能。现有六氟磷酸锂生产路线可切换生产六氟磷酸钠，实现产能共享，核心竞争壁垒主要是配方技术而非产能。
钠离子电池电解液主要分为液体电解液、固液复合电解液和固体电解液三大类。其中液体电解液又分为有机液体电解液、水系电解液和离子液体电解液。固体电解液分为无机固体电解液和固体聚合物电解液。
二、企业重视产品和技术的研发投入，钠离子电池技术得到一定突破
钠离子电池作为一种新的电池技术路线，吸引众多锂离子电池企业入场布局，其中布局钠离子电池技术的公司就有宁德时代、鹏辉能源等等。从企业营业收入来看，宁德时代营业收入在2017-2021年间呈现逐年上升的走势，其中2021年涨幅最大，主要是因为业务规模增长、产销量提升带动营业收入相应增长，而毛利率受部分原材料价格上涨的缘故，则处于不断下降的状态。鹏辉能源营业收入整体也处于
不断增长的状态，但是增长幅度与宁德时代相比较低，其毛利率虽然整体处于下降趋势，但是在2019年有明显的上升趋势，这主要受公司ETC业务快速增长，带动了企业毛利率的增长。
从研发投入来看，宁德时代的研发投入从2018年的19．91亿元增加到2021年的76．91亿元，其中2021年研发费用占总营业收入的比重达到了5．90%；鹏辉能源的研发投入整体处于小幅上升的状态，到2021年研发投入为2．46亿元，占总营业收入的比重达到了4．33%。由于两家公司高度重视产品和技术工艺的研发，随着锂电池行业发展受限，对于作为替代品的钠离子电池来说，将会受到企业的重视，大力推动该产品的发展。
从钠离子电池研发情况来看，宁德时代为平衡资源、成本及碳足迹等潜在问题，开发钠离子电池，目前，已经发布了第一代钠离子电池，为了充分发挥钠离子电池的优势，迎合市场的需要，该企业加大了研发投入力度，促进钠离子电池产业链的建设，进一步提高能量密度及综合性能。鹏辉能源是基于钠成本和资源优势，研发高性能钠离子电池，目前，已经能实现小批量生产，未来将进一步提升钠离子电池的能量密度、循环寿命及低温性能，实现批量生产。
三、钠离子电池在资源丰富度、成本等方面具有优势

钠离子电池与锂离子电池摇椅式工作原理类似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。近几年，钠离子电池开始逐步进入规模化试验示范阶段。2018年6月，首辆钠离子电池低速电动车问世；2021年6月，中科海钠发布世界首个1MWh钠离子电池储能系统。这意味着，继铅蓄电池、锂离子电池等电化学储能体系后，钠离子电池开始在储能领域崭露头角，有望推动新能源产业的进一步发展和变革。
钠离子电池在资源丰富度、成本等方面具有一定优势。一是钠元素储备更丰富，钠是地壳中储量第六丰富的元素，地理分布均匀，成本低廉；而锂资源在地壳中储量仅为0．002%，不到钠的千分之一，且全球分布具有地域性。二是钠离子化合物可获取性强，价格稳定且低廉。此外，在低电压下铝不会和钠合金化，因此钠离子电池负极可使用铝集流体而不必像锂电池使用铜集流体，从而降低电池的成本和重量。三是钠元素和锂元素有相似的物理化学特性及储存机制，钠离子电池有相对稳定的电化学性能和安全性。
另一方面，目前钠离子电池在产业化进程中尚存在能量密度较低、循环寿命较短、配套供应链与产业链不完善等问题，仍处于商业化探索和持续改进中。预计未来随着产业投入的加大，技术走向成熟、产业链逐步完善，高性价比的钠离子电池有望成为锂离子电池的重要补充，尤其是在固定式储能领域将具有良好发展前景。

四、国家有关部门积极推动新型电池发展
国家有关部门高度重视新型电池产业发展，从加强行业管理、统筹产业规划、支持技术创新、加快标准建设等角度出发，采取一系列措施促进新型电池产业健康有序发展。
工信部长期以来积极推动新型电池产业发展。一是制定发布《信息产业发展指南（2016—2020年）》，推动新型电池技术进步和创新升级，支持钠离子电池、液流电池等新型电池产业发展。二是积极开展电池领域相关标准研制工作，推动将先进技术创新成果转化为标准，规范和引领产业高质量发展。三是支持电池检测平台建设，指导组建国家动力电池制造业创新中心，统筹资源推动产业技术进步，支持新型正极材料等关键技术攻关和产业化。
十三五期间，科技部通过国家重点研发计划智能电网技术与装备重点专项，对电池储能相关技术进行了系统部署。其中，钠基储能电池技术作为重点支持方向之一，在高安全长寿命和低成本钠基储能电池的基础科学问题研究等项目系列成果推动下进步显著。
近年来，财政部通过新能源汽车推广应用补助等政策，带动了新能源汽车动力电池产业蓬勃发展，推动新型电池产品技术水平迅速提高、成本迅速下降。

五、关于促进储能技术与产业发展的指导意见
2017年10月11日，《关于促进储能产业与技术发展的指导意见》（简称《指导意见》）正式发布。《指导意见》是我国大规模储能技术及应用发展的首个指导性政策，由国家能源局科技司牵头，电力司、新能源司、市场监管司参加的起草工作小组和20位专家组成的专家咨询组，委托中关村储能产业技术联盟牵头，中科院工程热物理所、中科院物理所、中国电科院、清华大学等具体负责相关研究工作。随着《指导意见》的颁发与落实，以及储能技术的迅猛发展、成本不断下降、电力市场改革的推进，储能技术与产业应用未来的前景无疑将越来越广阔。
《指导意见》从促进储能技术与产业发展的总体要求、重点任务和保障措施三个方面提出了指导性意见，为全面促进储能技术与产业发展提供了政策依据。
《指导意见》还指出，近年来，我国储能呈现多元发展的良好态势：抽水蓄能发展迅速；压缩空气储能、飞轮储能，超导储能和超级电容，铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池等储能技术研发应用加速；储热、储冷、储氢技术也取得了一定进展。我国储能技术总体上已经初步具备了产业化的基础。加快储能技术与产业发展，对于构建清洁低碳、安全高效的现代能源产业体系，推进我国能源行业
供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革具有重要战略意义，同时还将带动从材料制备到系统集成全产业链发展，成为提升产业发展水平、推动经济社会发展的新动能。
六、从电池的安全性来看，钠离子电池具有更好的热稳定性全球锂电池起火事故频出，电动车、储能起火事故频发，据不完全统计，2011-2021年全球共发生32起储能电站起火爆炸事故，其中26起事故采用三元锂离子电池。
钠离子电池电化学性能相对稳定，热失控过程中容易钝化失活，安全实验表现较锂离子电池更好。目前，钠离子电池已通过中汽中心的检测，针剌时不冒烟、不起火、不爆炸，经受短路、过充、过放、挤压等实验也不起火燃烧。对比锂离子电池起始自加热温度达到165℃，钠离子电池则达到260℃：且在ARC测试中钠离子电池最大自加热速度显著低于锂离子电池，这些均表明钠离子电池具有更好的热稳定性。
七、中国钠离子电池市场前瞻
钠离子电池主要分为四种，其中钠硫电池和钠-氯化钠电池为高温钠离子电池，水系钠离子电池和溶剂系钠离子电池为常温钠离子电池。目前已开始小批量应用的主要是常温钠离子电池，尤其是以溶剂系钠离子电池。

在产业链方面，上游的正极和负极以及电解液添加剂都需要培育新的供应链，在隔膜、集流体、电解液溶质以及生产线可以与锂离子电池共用；而在下游，主要取代铅酸电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池的市场，主要应用领域为电动二轮车、低速车、储能、电动船舶以及电动工具。
造成钠离子电池目前没有大规模应用的主要原因有：钠离子电池现阶段相对于锂离子电池并没有明显的价格优势。钠离子电池相对于锂离子电池（磷酸铁锂电池和锰酸锂电池）存在能量密度劣势。由于钠离子电池产业链不够成熟，钠离子电池的配方没有经过足够多的迭代，性能潜力挖掘不够，潜在的性能缺陷较多。由于用户的使用惯性和路径依赖，用户更愿意接受成熟度更高的锂离子电池。各细分领域，钠离子电池并没有表现出不可替代的性能。钠离子电池没有大规模应用，导致钠离子电池上游供应链并不成熟，钠离子电池没有获得明显的成本优势。从废旧锂电池回收退下来的梯次利用锂电池价格低廉，并且供应量不断增加，进一步削减了钠离子电池的市场可能性。
目前国内主流的最为成熟的技术路线为：正极为钠过度金属氧化物，过度金属为铜铁锰或镍铁锰，负极为硬碳或无烟煤软碳，电解液溶质为六氟磷酸钠，电解液溶剂与目前锂离子电池溶剂相同，正负极集流体均为铝箔。

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