电压入门基础知识（如何从0-1迈向）

报告出品/作者：光大证券、殷中枢，陈无忌

以下为报告原文节选

------

1、锂涨钠启？钠电发展难得的窗口期

1.1、锂价具有周期性，钠电更应关注产品定位

锂需求快速增长和潜在地缘政治问题推升锂资源自主可控的重要性，钠电是选项之一。锂矿主要分布在澳洲、南美地区，根据美国地质勘探局2021年报告，我国锂资源储量仅占全球6%，且开采成本较高，我国作为锂电生产大国，上游锂矿、锂盐对外依存度过高。地缘政治问题日益复杂，锂矿作为重要的战略资源，得到各国重视。四川锂矿、盐湖锂、锂云母、锂电回收等都是保障锂资源自主可控的重要途径；而钠电与锂电原理相近，对锂零依赖，亦是重要选项之一。

2021年以来，锂资源的供需紧张导致其大幅涨价，锂电池成本持续上升。2020年开始，随着全球新能源车市场的快速兴起，快速推升了动力电池中锂的需求，同时上游锂矿开采缓慢且存在一定不确定性，锂价迎来快速上涨。根据Wind数据，与2021年1月1日价格相比，目前（2022年11月22日）碳酸锂价格上涨1070%，氢氧化锂价格上涨1120%，价格均达到56万元/吨以上。

锂价居高不下，钠电作为替代品应运而生。由于钠价远低于锂价，而且钠的分布比锂更为广泛，使得钠电的经济性高于锂电。但是，由于技术原因，钠电在低温性能、倍率性能有一定优势，而在能量密度、循环性能有一定劣势。因此，钠电的应用场景将有所不同。

（1）在不考虑回收的情况下，钠电性能优于铅酸电池；

（2）在磷酸铁锂低端应用场景，钠电性能劣势不明显。在两轮电动车领域，钠电将有一席之地；在对锂电池性能要求不高的领域，如户储，钠电也可以形成部分替代；电动四轮车领域对成本较为敏感，钠电可以快速进入；A00/A0级车、低速四轮车等市场用户对成本更加敏感，所以亟需满足技术要求的低成本方案。

钠电当前处于产业化初期，其性能仍在不断进化、成本也在不断下降之中，而钠电相对于锂电的替代范围，也将随着钠电相对于锂电的性价比不同而随之变化，需要密切跟踪。

1.2、从构效关系对钠、锂电池性能进行比较

钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似，为嵌脱式电池。充电时，Na 从正极脱嵌，进入负极；放电时，Na 从负极回到正极，外电路电子从负极进入正极，将Na 还原为Na。

钠离子相对原子质量22.99，远大于锂的6.94。单位质量或体积下，材料中能够迁移的离子更少，且在迁移的过程中对材料晶格、反应界面的稳定性造成影响；但钠盐具有较好的导电性能，在液相中传导更快，不易发生枝晶。由于钠与锂在原子半径上差异较大，映射到在产品性能和材料选型上也有许多差异：

材料构型选择更多：

（1）由于钠离子与过渡金属元素离子的半径差异较大，在高温下更容易与过渡金属分离形成层状结构，使其层状氧化物的堆积方式具有多样化。含锂层状氧化物多为O型结构，而含钠层状氧化物具有丰富的P型和O型材料种类。

（2）很多在含锂层状氧化物正极中没有电化学活性的过渡金属元素在含钠层状氧化物中具有活性，如Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表现出高度可逆性。

更好的倍率性能：

（1）钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小，低浓度的钠盐电解液具有较高的离子电导率，可以使用低盐浓度电解液；

（2）在锂离子电池中具有优异储能能力的石墨却由于热力学原因几乎不具备储钠能力，所以选择硬碳、软碳等作为负极，使得功率性能得到提升；

更好的安全性能：

（1）Na与Al不发生混排，正极集流体可以用廉价的Al箔材，使得其无过放电问题；（2）可以设计双极性（bi-polar)电池，即在同一张铝箱两侧分别涂布正极和负极材料，将极片在固体电解质的隔离下进行周期性堆叠，以进一步提升能量密度；

较低的能量密度和循环寿命：

（1）钠离子原子半径较大，同时负极选择硬碳/软碳，克容量较低，整体体积与质量能量密度较低；

（2）正极选取兼顾能量密度下的层状氧化物材料，相比磷酸铁锂循环性能较差；（3）电压平台更低，pack中串联数量更多，导致系统能量密度较低。

层状氧化物钠离子电池目前进展较快，各公司主要通过两方面进行解决循环寿命的问题，一方面通过掺杂发展更加稳定的体系，另一方面研发补钠技术补充循环过程中钠离子的损耗。

采用元素掺杂或者引入缺陷以稀释具有姜·泰勒畸变的过渡金属离子。层状氧化物中往往引入过渡金属以提高性能，然而过渡金属离子溶解是锂离子电池以及钠离子电池中常见的问题，一般具有姜泰勒效应的Ni、Mn等过渡金属相比Co更容易发生溶解，溶解后的过渡金属离子会迁移到负极并在负极侧沉积，不但会造成负极侧固定电解质中间相(solidelectrolyteinterface,SEI)膜厚度增加，减少活性Na ，增加电池内阻，还会持续催化电解液分解，降低了电池的循环寿命。

西安交通大学王鹏飞教授和肖冰教授联合中国科学院化学研究所郭玉国研究员通过基于选定的多种金属离子的协同作用，为P2型正极设计了一种有效的策略以提高性能。四价钛（Ti4 ）提供高氧化还原电位，惰性二价镁（Mg2 ）稳定 结 构 ， 一 价 锂 （Li ） 平 滑 电 化 学 曲 线 。制 备 的P2-Na0.7Li0.03Mg0.03Ni0.27Mn0.6Ti0.07O2电极具有134mAhg-1的可逆容量、3.57V的工作电压、优异的循环稳定性（200次循环后容量保持率为82%）和优异的倍率性能（4C条件下为110mAhg-1）。

中科海钠胡永胜通过开发铜铁锰层状氧化物将循环寿命提升到6000周以上。胡勇胜等在Cu基的P2-Na2/3[Cu1/3Mn2/3]O2和P2-Na7/9[Cu2/9Fe1/9Mn2/3]O2的基础上，通过调整元素比例，设计合成了O3-Na0.9,[Cu0.22Fe0.3Mn0.48]O2，在2.5~4.05V可以实现100mA·h/g的可逆比容量，平均工作电压可达3.2V，并且具有优异的循环稳定性。值得一提的是，Cu2 不但可以提供电荷补偿(Cu3/Cu2 ),还可以有效提高材料的空气稳定性，是目前为数不多的具有空气和水稳定性的钠离子层状正极材料之一。在该材料中加入Ni可以进一步提高其比容量，O3-Na[Cu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3]O2在2.0~4.0V具有127mAh/g的可逆比容量，平均工作电压约为3.1V。

通过补钠技术可以提高钠离子电池的能量密度以及循环寿命。2020年，Liu Xiaoxiao等通过简单的硬碳负极喷涂Naph-Na溶液，可以补充60mAh/g的克容量，同时Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2||硬碳体系的全电池可以从141Wh/kg提升到240Wh/kg。另一方面，同补锂技术类似，补钠能够提升循环寿命。但是对于主流的层状氧化物钠离子电池，由于结构相比于磷酸铁锂橄榄石结构不太稳定，同样补钠/补锂之后循环寿命仍然有所差距。

对于钠离子电池，循环性能、倍率性能、能量密度是不可能三角，目前研发进度较快的层状氧化物铜铁锰基，镍铁锰基体系循环寿命在4000-5000次。根据文献，层状氧化物体系兼顾倍率性能的产品循环能达到5000次。未来补钠技术如果成熟应用，可以进一步提高整体循环寿命，然而目前技术尚不成熟，后续发展仍需持续观察。

1.3、成本是优势，性能、成本决定综合性价比

产业化初期钠离子电池成本不具有显著优势，上下游协同助力成本下降。在产业化初期，正负极、六氟磷酸钠电解液等原材料开发尚不成熟，钠离子电池成本较高，与磷酸铁锂电池相比并无竞争优势。在锂价下降到低位之前，通过产业链上下游合作进行快速降本将是决定钠离子电池后续能否大量应用的关键因素。

规模化量产后，钠离子电池相比于锂离子电池的突出优势在于其成本。截至2022年11月22日，电池级碳酸锂价格在56万/吨，处于历史高位。根据我们测算，考虑钠离子电池各原材料规模化量产后，若按照56万元/吨的碳酸锂价格和2700元/吨的碳酸钠价格，而锂电其他材料按照2022年11月13日的基准测算，钠离子电池电芯成本相较磷酸铁锂电池绝对成本差距约0.25元/Wh；而按照碳酸锂25万元/吨，锂电池其他原材料依然按照2022年11月13日价格水平，磷酸铁锂与钠电池绝对成本差距将缩减到0.09元/Wh。如果锂价长期处于高位，钠离子电池原材料价格的优越性将不断凸显。相比于锂离子电池，钠离子电池电芯中材料成本占比更低，人工和制造费用占比更高。在NCM811锂电池电芯成本构成中，电池材料占据整体成本的93%，磷酸铁锂电池电芯的材料成本占比91%，而在铜铁锰基氧化物钠离子电池电芯中，电池材料成本占比更低，约为79%，其中钠离子电池正极材料占比仅为22%。

各应用场景对电池技术参数要求侧重点不同：

（1）储能应用侧重于循环寿命与可靠性，由于空间相对较大，运行工况简单，所以能量密度要求较低。其中大储对循环寿命以及可靠性要求较高，户储、UPS、基站储能对这两个指标要求相对较低；

（2）两轮车有较强的消费属性，整车替换周期为2-3年，对电池性能要求不高，钠电池可以作为铅酸电池的替换，但铅酸更易回收；

（3）乘用车由于使用年限较长，空间有限，对电池的可靠性、循环寿命、能量密度要求较高。同时低端车受制于成本的压力，对电池的成本要求也较高。

各应用场景的评价要素与核心影响因素也不同。储能侧重于循环寿命、可靠性，对能量密度要求较低，其中大储使用LCOE（平准化度电成本）评判成本高低，钠离子电池虽成本低，但循环性能低，并没有优势；户储/UPS/5G基站对标磷酸铁锂电池价格，侧重购置成本，循环寿命要求相对较低；两轮车对标铅酸电池，有较强的消费属性，对性能要求不高；乘用车对标低端磷酸铁锂电池，同时对电池的可靠性、循环寿命、能量密度要求较高。

成本是钠电的核心优势，应用场景需综合考虑“性价比”。虽然目前56万/吨碳酸价格下，规模化量产的钠电池电芯成本相较磷酸铁锂电池降低0.25元/Wh，但由于其回收成本较高，所以综合成本会有所提升。另外，若能量密度、循环性能达不到锂电池60-70%，则会影响钠电池应用的综合性价比。因此，目前来看，钠电池是锂电池的重要补充，应用场景需综合考虑成本、性能。

2、钠电综合性价比如何匹配各应用场景

2.1、户储、基站、UPS领域，钠电率先攻城略地

户储对循环寿命以及性能要求较低，系统容量不大，安全性管控较易。To C属性的户储容量为~100kWh级别，容量较小，对电池的循环寿命要求较低，一般要求为6000次左右，钠离子在产业化初期已经接近此要求。同时户储电芯数量较少，往往只有20~40只电芯，容量为100Ah左右，整体系统电量仅相当于1/10台BEV，一致性和安全性管控较易。

在户储领域，电池性能、循环寿命要求较低，购置成本是核心评判指标。钠离子电池循环寿命能做到4000-5000次，在户储领域由于不一定满充满放，对电池循环寿命损伤较低，而且质保年限通常为10年，按每天充放电一次来算，钠离子电池能够满足此领域的要求。同时户储产品体积较小，钠离子电池体积能量密度较低的问题不会对成本和占地面积造成太大的影响。而户储用户更关心成本，所以钠离子电池购置成本就是核心评判指标。随着钠离子电池产业化的进行，我们认为钠离子电池有望在此应用场景对磷酸铁锂电池实现快速替代。

基站电池和UPS都是作为备用电源来使用，对循环寿命的要求较低，而对抗浮充性能、电量衰减率和日历寿命要求较高。备用电源设备往往采用电网供电，只有当停电发生的时候才进行工作，由于看重成本，以前往往采用梯次利用的磷酸铁锂电池作为备用电源。随着性能要求提升，宁德时代在5G基站领域推出了100Ah的电芯。在UPS场景中，电压范围变化较大，宁德时代推出了20Ah的圆柱电池来适配不同的电压范围。钠离子电池循环寿命较长，有望满足此场景应用，因此类似于户储的应用逻辑，当规模化降本进行之后，有望在此领域快速进行替代。

23年是钠离子电池产业化元年，规模效应尚未显现，对锂电池冲击较小，而24年开始，各电池厂产能释放出来，规模效应有望显现，我们预计将会先行在户储/UPS/基站储能市场快速替代，之后渗透率进一步提升。其中户储涉及到海外认证，并受到欧洲能源价格等因素影响，较UPS和基站领域替代速度稍慢，我们预测23-26年渗透率1%/5%/13%/25%。2018年中国铁塔宣布停止采购铅酸电池，统一采购梯次锂电池，所以我们认为钠电池随着成本降低在UPS和基站领域有望快速替代，我们预测23-26年渗透率为3%/5%/16%/25%。

2.2、看好钠电在两轮车应用，未来需考虑回收成本

锂离子电池在两轮车市场渗透放缓，成本成为核心限制因素。自2019年两轮车新国标颁布实施以来，锂离子电池渗透率逐年攀升，然而两轮车售价较低，用户对成本极其敏感。2021年开始，锂离子电池成本上升，在两轮车领域渗透放缓。

-----------报告摘录结束 更多内容请阅读报告原文-----------

报告合集专题一览 X 由【虎鲸报告】定期整理更新

新能源 / 汽车 / 储能

新能源汽车 | 储能 | 锂电池 | 燃料电池 | 动力电池 | 动力电池回收 | 氢能源 | 充电桩 | 互联网汽车 | 智能驾驶 | 自动驾驶 | 汽车后市场 | 石油石化 | 煤化工 | 化工产业 | 磷化工 | 基础化工 | 加油站 | 新材料 | 石墨烯 | 高分子 | 耐火材料 | PVC | 聚氯乙烯 | 绿色能源 | 清洁能源 | 光伏 | 风力发电 | 海上发电

（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

精选报告来源：虎鲸报告,