钠离子电池研究报告钠电池发展对产业链和上市公司的影响估算

　　（报告出品方分析师：光大证券王招华）1、钠电池循环寿命和能量密度存在劣势，但成本优势使其更有经济性
　　1。1、钠离子电池简介
　　钠离子电池，是一种二次电池，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似，两者都被称为摇椅式电池。
　　钠离子电池的主要构成为正极、负极、隔膜、电解液和集流体。正负极之间通过隔膜隔开防止短路，电解液浸润正负极作为离子流通的介质，集流体起到收集和传输电子的作用。
　　充电时，Na从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程则与之相反，Na从负极脱出，经由电解液穿过隔膜重新嵌入到正极材料中，使正极恢复到富钠态。
　　为保持电荷平衡，充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与Na一起在正负极间迁移，使正负极发生氧化和还原反应。钠离子电池工作原理与锂离子基本类似，这也给钠电池的产业化打下良好基础。
　　1。2、钠离子电池优势及性能
　　钠与锂同属于碱金属元素，在物理及化学性能方面具有相似的部分，两者都可以作为电池金属离子的载体。近年来随着锂离子电池的大规模应用，锂资源进入供不应求的供需格局。
　　截至2022年7月29日，电池级碳酸锂价格47。0万元吨，较2021年初提升8。3倍。2022年6月中国新能源汽车产量59万辆，渗透率达23。6。
　　自2022年2月起，国内电动车产量渗透率始终维持在20以上。
　　根据光大证券《锂钴稀土景气度高位震荡，新型电化学体系孕育生机能源金属2022年中期投资策略》的观点，锂行业20222023年仍处于供应偏紧状态，不排除2022年下半年锂价重回50万元吨以上的可能性。
　　而钠资源在地壳中元素丰度较高，成本更低，截至2022年7月29日，碳酸钠价格仅为2782元吨
　　从电池性能角度来看，钠离子电池也同样优秀。
　　2022年5月10日电池行业龙头宁德时代在互动平台表示，公司于2021年发布钠离子电池，其电芯单体能量密度高达160Whkg，常温下充电15分钟，电量可达80以上，在20低温环境中，也拥有90以上的放电保持率，系统集成效率可达80以上。
　　公司正致力于推进钠离子电池在2023年实现产业化。钠离子电池的技术可行性可以从以下几方面考虑。
　　（1）钠资源储量丰富，分布均匀，成本低廉，足以支撑电化学储能的持续发展。
　　（2）与锂离子电池工作原理相似，生产设备大多兼容，短期或长期设备和工艺投入少，利于成本控制。
　　（3）钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔，可进一步降低电池体系成本。
　　（4）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，钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率；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更好，功率输出和接受能力更强，已公开的钠离子电池具备3C及以上充放电倍率，在规模储能调频时应用时，可以得到很好的应用。
　　（5）根据目前初步的高低温测试结果，钠离子电池高低温性能更优异，在40低温下可以放出70以上容量，高温80可以循环充放使用，这将在储能系统层面降低空调系统的功率配额，也可以降低温度控制系统的在线时间，进而降低储能系统的一次投入成本和运行成本。
　　根据2020年3月容晓晖发布的文献《从基础研究到工程化探索》，锂电池原料成本为0。43元Wh，钠离子电池原料成本为0。29元Wh，较锂电池成本低32。6。2020年3月碳酸锂市场均价为5。03万元吨；碳酸钠市场均价为1481元吨。
　　2022年7月29日，碳酸锂价格为47。0万元吨，则对应锂离子电池原料成本上升为0。77元Wh；碳酸钠市场均价为2782元吨，单吨仅上涨近1301元，远小于碳酸锂的涨价幅度。
　　虽然钠电池核心的能量密度及循环寿命指标均弱于锂电池，但其成本优势仍使其在储能等下游应用场景具有较高经济性。
　　根据2022年6月胡勇胜等《钠离子电池储能技术及经济性分析》一文中的结论，以铅蓄电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池和钠离子电池储能为例，采用模型计算各类电池在调峰应用场景下的全生命周期度电成本，在计及电力损耗的情况下，钠电池的度电成本上限分别较铅蓄电池、磷酸铁锂电池以及三元锂电池低52。2，32。4，54。3。
　　2、钠离子电池正负极材料分析
　　2。1、钠离子电池成本总览
　　根据中科海钠官网数据，若按照15万元吨的碳酸锂价格以及2000元吨的碳酸钠价格，钠离子电池材料成本相较锂离子电池降低3040。
　　钠电池材料成本分布更为分散，其中正极材料的成本占比从锂电池的43下降为26。
　　钠电池的正极材料、负极材料、电解液体系与锂电池均有较大差异，而集流体环节钠电池对铝箔需求量有较大带动，原先锂电池负极使用铜箔仅正极使用铝箔，而钠电池正负极都可以使用铝箔。
　　2。2、正极材料
　　正极和负极材料影响着钠离子电池的能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等关键性能指标，对电池性能至关重要。
　　和锂离子电池正极技术路线基本确定不同，目前钠离子电池相关的正极材料超100种，技术路线尚处于演进中。
　　根据成分，主流钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。
　　层状金属氧化物通式为NaxTMO2（TM指过渡金属，以资源较为丰富的锰和铁最为普遍），目前工艺成熟成本较低，和三元锂电池在工艺方面有一定的共通性，拥有良好的产业化基础。
　　常见层状氧化物材料结构如上图，在该结构中过渡金属元素TM和周围6个氧原子成键形成TMO6八面体，这些八面体通过共棱互相连接，钠离子处于过渡金属的层与层之间，形成NaO2层，NaO2层与TMO6上下交替排布。
　　根据Na与O的堆积方式，学者们将其分为O3，P3，O2，P2等不同类型，其中O代表占据八面体位置，P代表占据三棱柱位置。
　　下图是两种常见层状氧化物的充放电电压曲线图，层状氧化物拥有高可逆容量、容易制备的亮点，同时也面临由于层状氧化物结构稳定性差而可能导致的循环性降低的问题。
　　聚阴离子化合物的组成可用通式NaxMy〔（TOm）n〕z（M为过渡金属离子；T为P、S、V等元素），是由钠、过渡金属以及阴离子构成，其中过渡金属主要有铁、钒、钴等。
　　以典型聚阴离子正极材料Na3V2（PO4）3为例，3个PO4四面体和2个VO6八面体通过共用氧原子进行连接，成为聚阴离子体V2（PO4）3，其中存在两类不同氧环境的Na位于该晶体的空隙或通道之中。
　　Na在聚阴离子中有三种可能存在的迁移路径：第一种是Na在两个PO4四面体之间的间隙沿x方向迁移；第二种机制中Na沿y方向穿过PO4四面体和VO6八面体间隙；第三种机制Na是通过八面体曲折进入相邻的PO4四面体和VO6八面体通道。
　　由于聚阴离子对材料的氧化还原电对具有可调的诱导效应，易于成为高电位正极材料。
　　另外由于聚阴离子化合物中阴离子结构单元通过强共价键形成三维网格结构，稳定性好，循环性能和安全性能良好。
　　但是这种结构中较大的分子质量拖累了材料比容量与导电性的进一步提升，且材料还有一定的钒，一定程度上提高了成本。常见的聚阴离子材料充放电电压曲线如下图所示，可以看出聚阴离子材料的曲线平缓，电压平台优秀。
　　普鲁士蓝类化合物的晶体结构是由过渡金属M及Fe元素分别与CN中的N和C相连而形成的独特三维开放框架结构。
　　其结构通式为NaxM〔Fe（CN6）〕1yyzH2O，其中M代表铁、钴、镍、锰等过渡金属元素，代表Fe（CN6）缺陷。
　　普鲁士蓝类化合物独特的开放框架和三维大孔道结构特别适合钠离子的迁移和储存，其也由于成本低廉、原料丰富、理论容量高等优势受到关注。
　　下图是常见普鲁士蓝材料的充放电曲线图，图中显示材料工作电压在3v左右，曲线平缓，容量优异。
　　普鲁士蓝的缺陷主要在于制备工艺的困难，由于结晶水的产生将会影响普鲁士蓝作为电池正极的性能，所以如何去除结晶水以及预防结晶水的产生是普鲁士蓝的主要困难。
　　从目前的研究来看，仍然需要完全没有水分的制备环境，这为普鲁士蓝材料的产业化造成了较大的阻力。国内的正极材料由于产业体系在商业化初期，竞争格局还需继续跟踪，相关龙头企业仍然具有先发优势。
　　目前三大类正极材料均有企业布局，从目前的研发情况来看，层状氧化物成为主流的可能性较高，它结构稳定性较差循环性能不佳的缺点有望随着大批量实验进行得到迅速改善。
　　层状氧化物是目前最成熟的正极材料，制备工艺工序也与三元材料有一定共通之处，包括前驱体以及固相化合成技术。
　　从各公司专利看，钠电池的锰源包含硫酸锰、二氧化锰、乙酸锰，草酸锰，氯化锰等多种形式。
　　2。3、负极材料
　　由于钠离子的原子半径较锂离子而言更大，钠离子无法在石墨负极材料处进行高效率的脱嵌，因此寻找合适的储钠负极材料至关重要。
　　钠离子电池负极材料主要有无定形碳类、合金类、过渡金属氧化物等。其中合金类容量较高但循环性能和倍率性能不佳；过渡金属氧化物容量较低；无定形碳可逆容量和循环性能优良，控制成本后有望实现商业化。
　　无定形碳材料主要分为硬碳和软碳两种。
　　硬碳材料克容量高，但成本高昂；软碳材料克容量低，但可以无烟煤作为前驱体，具有性价比优势，无烟煤可达到150300Ah元，高于其他前驱体。
　　硬碳是一种即使在2500高温以上也难以石墨化的碳，因其高机械硬度而得名。
　　对钠离子电池来说，硬碳是比较理想的一种材料，在高温碳化的状态下硬碳中的石墨域呈现出许多纳米孔，为钠离子在硬碳中的嵌入提供了更多空间。
　　硬炭的前驱体多种多样，包括生物质（木质素、木材、果壳、淀粉）、化石燃料（沥青、煤炭）、高分子（酚醛树脂）。
　　树脂基硬碳成本高昂，生物质硬碳产能率较低仅2030。此外，硬碳材料较低的首周库伦效率也是产业化的重要阻力之一。
　　软碳是一种可以在2500以上的高温下容易石墨化的无定形碳，其结构中含有石墨微晶无规则堆垛架构而成的孔道结构，具备容纳钠离子的功能，因此可以作为钠离子电池负极材料。
　　相比于硬碳材料，软碳材料具备更高的电子导电性和倍率性能，以及较低廉的成本。软碳材料的缺陷在于高温下容易石墨化，层间距会随碳化温度升高而逐渐减小，令孔道结构塌陷而导致储钠性能明显降低。
　　而碳化温度较低无法使其发挥电子导电性优势，且结构不稳定，不可逆容量大。
　　中国科学院物理研究所采用无烟煤作为前驱体，通过简单的粉碎和一步碳化得到一种具有优异储钠性能的碳负极材料。裂解无烟煤得到的软碳材料，在1600C以下仍具有较高的无序度，产碳率高达90，储钠容量达到220mAhg，循环稳定性优异，性能优于来自于沥青的软碳材料。
　　此外，根据北京化工大学徐斌在《钠离子电池硬碳负极材料的结构调控》中提及，将无烟煤通过浓硫酸氧化处理，在无烟煤分子表面引入更多的含氧官能团，提高与蔗糖的交联活性，构筑异质结构，其电化学性能克容量可达到325mAHg，首效84。5。
　　除了中科海钠之外，目前国内有对钠离子电池负极进行布局的企业主要还是以锂电池负极企业为主，且技术路线也基本上是硬碳负极。
　　2。4、电解液
　　除了电池正负极以外，电解液也是电池中不可获取的重要组成部分。
　　由于电池正负极互相绝缘，没有电解液就不能形成电流回路，电解液在正负极之间起到离子传导的作用，是电池获得高电压、高能量密度的保证。目前电解液在体系中除了要起到离子传导的作用之外，也有学者正在进行利用电解液改性、补钠、改善电池界面的研究。
　　如前所述，作为载流子，钠离子与锂离子具有较高的化学相似性，因此钠离子电池的电解液溶剂体系也与锂离子电池较为类似，以液体电解质为主流；
　　而在液体电解质中，水系电解液虽有低成本、环境友好的优势，但由于其较为有限的电化学窗口，在大能量密度和高功率密度条件下应用受限；
　　与之相比，有机电解液可以通过选用不同的溶剂、控制钠盐浓度来提升其电化学窗口，目前美国的NatronEnergy公司选用水系电解液，其他部分钠电池代表企业采用有机电解液体系。
　　在溶质选择方面以钠盐为主，分为无机钠盐与有机钠盐。
　　无机钠盐有六氟磷酸钠、高磷酸钠等；有机钠盐包含氟磺酸类钠盐、氟磺酰亚胺类钠盐等。目前六氟磷酸钠为更多企业青睐的选择，也是最有希望实现产业化应用的钠盐，六氟磷酸钠拥有优秀的稳定性，价格也相对便宜，制备工艺也与锂离子电池中使用的六氟磷酸锂类似。
　　2。5、集流体材料铝箔
　　前文提到过，钠离子电池的成本优势的因素除了钠元素本身相对锂元素的成本因素之外，还有集流体材料的选择优势方面。
　　由于铝制集流体在低电位下易与锂发生合金化反应，从而影响电池的整体性能，锂电池负极只能使用铜箔；而钠电池则可以在正极负极都使用铝箔。
　　根据鑫锣咨询，当前每GWh三元电池需要电池铝箔300450吨，每GWh磷酸铁锂电池需要电池铝箔400600吨。由于钠电池正负极集流体均采用铝箔，且负极集流体对铝箔的需求量高于正极，每GWh钠电池需要铝箔7001000吨，用量是锂电池的2倍以上。
　　由于电池铝箔相较于普通铝箔技术壁垒深厚，国内布局较早的企业具备先发优势。2020年行业集中度较高，CR3达到78。
　　受益于锂电池、钠电池对电池铝箔需求的拉动电池铝箔高毛利的特征，国内包括鼎胜新材、南山铝业、东阳光、万顺新材等均开始布局或扩产电池铝箔。
　　3、弹性测算
　　钠电池的正极材料、负极材料以及电解液体系与锂电区别较大，但上市公司重合度高。
　　由于部分公司未披露实际钠电池相关业务规划数据，我们用1GWh钠电池需求测算对各个上市公司的拉动以及对行业的拉动。
　　假设各个上市公司能完成1GWh钠电池以及对应供应材料的产线并产生收入，对标2023年WIND一致预期对应行业的市销率，根据变化市值的比例进行排序，优先看好电池板块，其他板块的顺序为锰铝箔电解液正极负极。
　　按照1GWh钠电池对主要原材料的拉动量占2021年该品种国内产量的比例排序，钠电池对行业拉动的弹性顺序为电池铝箔电池锰负极材料电解液正极材料碳酸钠无烟煤。
　　4、行业公司
　　基于钠离子电池对上游原材料的拉动，正极材料、负极材料、电解液以及集流体铝箔材料为可能的受益方：华阳股份，建议关注红星发展、中钢天源、湘潭电化、万顺新材、鼎盛新材、振华新材。
　　4。1、华阳股份：从无烟煤龙头到钠电池龙头
　　2022年第一季度，华阳股份实现营业收入89。98亿元，同比减少16。48；归母净利润13。02亿元，同比增长181。73；扣非归母净利润12。98亿元，同比增长189。55。
　　公司为国内无烟煤产量最大的上市公司：无烟煤为国内稀缺煤炭品种，2016年国内无烟煤储量仅占全国煤炭总储量的13。2021年全国无烟煤产量最大的省份是山西，产量达到2。26亿吨，占全国的64；产量最大的上市公司为华阳股份，2021年公司煤炭产量达到4610万吨。
　　公司和钠离子电池龙头中科海钠紧密合作：公司与中科海钠优势互补，对其权益持股比例为7。75。公司主营产品无烟煤同时也是优质的钠电池负极材料原料，通过裂解无烟煤获得的碳材料储钠容量高、循环稳定性好、成本低。当前中科海钠采用Cu基层状氧化物正极和无定形碳负极路线，产品性能处于行业领先。
　　风险提示：煤炭价格下滑，钠离子电池布局进度不及预期等。
　　4。2、红星发展：高纯硫酸锰，可受钠、锂电池双重拉动
　　2022年第一季度，红星发展实现营业收入5。95亿元，同比增长56。06；归母净利润0。83亿元，同比增长553。10；扣非归母净利润0。82亿元，同比增长668。02。
　　高纯硫酸锰龙头企业：硫酸锰目前为钠电池的锰源之一，未来有望受锂电池和钠电池的双重需求拉动。公司电子化学材料行业产品主要涉及电解二氧化锰和高纯硫酸锰产品，近年来，受一次电池和二次电池行业的快速发展带动，电解二氧化锰和高纯硫酸锰产品需求有所增长。
　　2021年度，高纯硫酸锰产品受三元电池产业带动，三元前驱体需求较为旺盛。子公司大龙锰业扩建3万吨年高纯硫酸锰项目完成了试运转验收。2021年大龙锰业共生产高纯硫酸锰1。99万吨，同比增加0。83万吨。
　　未来大龙锰业高纯硫酸锰产品在产品品质、稳定性等方面有独特的竞争优势，与下游三元前驱体部分主流客户建立了长期稳定的合作关系。
　　风险提示：公司产能释放低于预期；疫情超预期影响需求；核心技术泄露风险；产业政策变化风险。
　　4。3、中钢天源：全球主要的高纯四氧化三锰制造商之一
　　2022年第一季度，中钢天源实现营业收入6。91亿元，同比增长43。73；归母净利润0。62亿元，同比增长122。18；扣非归母净利润0。45亿元，同比增长145。12。
　　四氧化三锰龙头企业：截至2021年底公司拥有55，000吨四氧化三锰（其中：电子级四氧化三锰50，000吨，电池级四氧化三锰5000吨）生产能力，是全球主要的高纯四氧化三锰生产企业。到2025年，公司电子级四氧化三锰和电池级四氧化三锰计划在原有基础上各新增10，000吨产能。
　　风险提示：磁材下游需求增速不及预期、检测业务拓展不及预期、原材料价格波动风险等。
　　4。4、湘潭电化：两大生产基地，产品类型齐全
　　2022年第一季度，湘潭电化实现营业收入4。37亿元，同比增长27。70；归母净利润1。41亿元，同比增长633。97；扣非归母净利润1。38亿元，同比增长644。04。
　　电解二氧化锰稳固公司基本盘：公司拥有湖南湘潭和广西靖西两大生产基地，截至2021年电解二氧化锰年产能12。2万吨，产品类型齐全，且不同产品型号可灵活转换，根据市场变化及时调整产品结构，以满足客户的各种需求。
　　在行业竞争日趋激烈的形势下，较好地发挥了规模效应，市场占有率稳步提高。
　　风险提示：原材料价格超预期波动；正极材料技术路线的潜在变化。
　　4。5、万顺新材：电池箔持续拉动
　　2022年第一季度，万顺新材实现营业收入13。37亿元，同比下降5。07；归母净利润0。54亿元，同比增加663。01；扣非归母净利润0。50亿元，同比增加676。28。
　　电池铝箔持续发力：2021年公司电池铝箔实现销量2，886吨，同比增长825，电池正极箔下游客户包括宁德博发、优箔良才、瑞浦能源、湖州天丰等公司，电池软包箔下游客户包括卓越新材料、锂盾新能源、江西明冠、紫江新材料、东尼电子等公司；2021年电池铝箔坯料实现销量2。3万吨，同比增长155，下游客户包括力幕新材料、永杰新材料、常铝铝业、华北铝业等公司。
　　电池铝箔、电池铝箔坯料市场的进一步推广促进了公司铝加工产品结构优化升级。
　　钠电池产业化对电池箔的需求增加：江苏中基以包装铝箔为主，现有产能8。3万吨；安徽中基以电池铝箔为主，在建7。2万吨高精度电子铝箔生产项目中一期4万吨项目于去年底开始投产，二期3。2万吨项目计划明年开始投产，另外正在安徽中基筹建年产10万吨动力及储能电池箔项目，项目全部建成后2024年将形成25。5万吨铝箔总产能。
　　风险提示：动力和储能电池装机量不及预期、铝箔加工费大幅下行、原材料价格短期内快速波动、消费铝箔需求下降。
　　4。6、鼎胜新材：电池铝箔龙头企业
　　2022年第一季度，鼎胜新材实现营业收入56。47亿元，同比增长65。82；归母净利润2。15亿元，同比增长387。45；扣非归母净利润1。92亿元，同比增长497。89。
　　国内电池箔、空调箔龙头企业：2005年前后，亲水涂层空调箔替代光箔成为空调热交换器的主流原材料，公司在镇江和杭州两地及时抓住市场机会，进入空调箔市场，迅速发展成空调箔市场龙头；公司也已切入锂电池铝箔领域，快速发展成为国内锂电池用铝箔龙头企业。乘着行业的东风，公司作为国内铝加工行业尤其是锂电池铝箔的龙头企业，目前已与宁德时代等主流电池厂达成战略合作协议。
　　钠电池产业化对铝箔的进一步拉伸：由于钠电池正负极都可以使用铝箔，因此钠电池的产业化必然会带来对铝箔的进一步需求增长。2022年7月，定增不超过27亿元，募集资金用于建设年产80万吨电池箔及配套坯料项目。
　　风险提示：产能建设风险，下游需求不及预期，产品价格波动风险。
　　4。7、振华新材：三元材料持续发力，钠电正极助力二次增长
　　2022年第一季度，振华新材实现营业收入25。79亿元，同比增长161。40；归母净利润3。42亿元，同比增长345。35；扣非归母净利润3。38亿元，同比增长352。29。
　　公司三元材料如鱼得水：公司的三次烧结工艺有助于提升材料分子结构稳定性等性能，可以改善镍含量不断提升对高镍三元正极材料结构稳定性、安全性和循环性能带来的负面影响，在超高镍、中镍低钴无钴等的生产合成方面具有一定优势。
　　公司钠电池正极先发优势：公司钠离子电池正极材料已吨级送样，基于公司在三元材料的生产工艺布局（三烧工艺），兼容钠离子电池正极材料生产的产出率更高（两烧工艺）。
　　风险提示：电动车销量不及预期，疫情影响超预期，钠离子电池布局进度不及预期等。5、风险提示
　　下游需求如国内外新能源汽车产量、储能、电动两轮自行车等领域需求不及预期；
　　钠电池业务进展不及预期，初期推广成本较高；
　　相关政策调控风险，对于新进产品准入条件更为严苛；其他新型电化学体系替代品进程显著超预期。
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