1、2022年鈉離子電池行業(yè)專題研究1.硬碳與軟碳為鈉電負(fù)極兩大路線，設(shè)計(jì)焦點(diǎn)在原料選擇與結(jié)構(gòu)優(yōu)化1.1.軟碳成本優(yōu)勢顯著，硬碳比容量提升可期目前無定形碳是鈉電負(fù)極的最優(yōu)選擇。負(fù)極是鈉離子電池四大主材之一， 規(guī)?；慨a(chǎn)后約占鈉電成本 17%。由于將鋰電中用到的石墨作為鈉離子 電池的負(fù)極材料時(shí)，鈉-石墨插層化合物（Na-GIC）熱力學(xué)不穩(wěn)定，比容 量僅為 31 mAh/g，遠(yuǎn)不足以支撐鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用。因此，目前 主要研究集中于碳基負(fù)極材料、鈦基嵌入型負(fù)極材料、有機(jī)類負(fù)極材料、 合金及轉(zhuǎn)換類負(fù)極材料。其中，層間距較大的無定形碳材料具備較高的 儲(chǔ)鈉比容量、較低的儲(chǔ)鈉電位、優(yōu)異的循環(huán)性能、成本低廉

2、，是目前最 具商業(yè)化應(yīng)用前景的負(fù)極材料。無定形碳主要區(qū)別在前驅(qū)體。無定形碳主要分為硬碳和軟碳。在鈉離子 電池領(lǐng)域，軟碳通常是指 2800以上容易石墨化的碳材料，有序度較高， 軟碳層間范德華力較弱，在高溫下具有較大的移動(dòng)能力，因此容易形成 易結(jié)晶的石墨；而硬碳層間具備較強(qiáng)的交聯(lián)相互作用，即使在 2800以 上也難以完全石墨化的碳，有序度較低。所以軟碳和硬碳的主要區(qū)別主 要來自于前驅(qū)體的微觀結(jié)構(gòu)，如果是煤、石油焦、瀝青這樣層間交聯(lián)作 用較弱的前驅(qū)體，則制備出的材料為軟碳。硬碳前驅(qū)體則主要是生物質(zhì)、 合成樹脂、及碳水化合物這一類層間交聯(lián)作用較強(qiáng)的材料。軟碳經(jīng)濟(jì)性占優(yōu)，硬碳比容優(yōu)勢顯著。從經(jīng)濟(jì)性考慮，

3、軟碳前驅(qū)體偏向 于選擇用價(jià)格便宜的無煙煤燒制，成本優(yōu)勢顯著。從性能看，軟碳充放 電區(qū)以斜坡為主，比容量較低，未改性容量在 200-220mAh/g 左右，適用 于高功率場景；而硬碳充放電區(qū)具備斜坡段和平臺(tái)段，普遍比容量可以 達(dá)到 300-350mAh/g，優(yōu)化改性后可能做到 400mAh/g，將超過鋰電石墨 的理論比容量（372mAh/g），在提升鈉離子電池能量密度上具備誘人潛 力。1.2.孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與前驅(qū)體選擇是鈉電負(fù)極兩大決勝關(guān)鍵造孔設(shè)計(jì)可提升負(fù)極可逆儲(chǔ)鈉量。在商業(yè)化應(yīng)用過程中，硬碳面臨著首 周庫倫效率較低的問題。雖然現(xiàn)在硬碳的比容量與商用鋰離子電池石墨 負(fù)極比容量相當(dāng)，但在酯基電解液中首

4、周庫倫效率大多在 50%-80%左右， 在醚基電解液常在 80%-90%左右，而商用鋰離子電池石墨負(fù)極的首周庫 倫效率通常超過 95%。硬碳首周效率低一方面來源于硬碳較大的表面積 會(huì)加速硬碳與電解液之間的副反應(yīng)，而微晶層間的缺陷濃度也會(huì)對(duì)其電 化學(xué)性能產(chǎn)生影響。因此，需要通過改進(jìn)前驅(qū)體、改善合成條件等方法 減少其內(nèi)部缺陷，制備出孔隙率低且缺陷少的硬碳。中科海鈉團(tuán)隊(duì)利用 酚醛樹脂作為前驅(qū)體、乙醇為造孔劑，形成閉合孔隙以精確調(diào)控硬碳微 觀結(jié)構(gòu)，得到了可逆比容量為 410 mAh/g 的硬碳負(fù)極，儲(chǔ)鋰容量甚至超 過了石墨。該電池首周庫倫效率為 83%，全電池能量密度達(dá)到 300 Wh/kg。高性價(jià)比

5、生物質(zhì)碳或成為鈉電負(fù)極主流。生物質(zhì)碳前驅(qū)體來源多為植物， 大部分為硬碳。與其他負(fù)極材料相比，生物質(zhì)碳成本低廉，電化學(xué)性能 優(yōu)異，具備較大應(yīng)用潛力。此外，天然的生物質(zhì)通常含有雜原子，如氮、 氟、硫、硼、鉀等，可以增加碳材料的結(jié)構(gòu)缺陷、層間距及電導(dǎo)率，提 升負(fù)極儲(chǔ)鈉性能。針對(duì)生物質(zhì)碳負(fù)極的制備，需要選擇具有豐富資源、 成本低廉、多孔或多層微觀結(jié)構(gòu)、高碳低雜質(zhì)的植物前體，通過調(diào)整熱 解溫度、摻雜劑、活化劑來控制所得碳材料的層間距、缺陷結(jié)構(gòu)和孔結(jié) 構(gòu)。椰殼、杏殼、稻殼、泥炭蘚等都是較為理想的鈉離子電池負(fù)極材料 來源。目前，日本可樂麗、貝特瑞、翔豐華、佰思格等公司均選用植物 型前驅(qū)體作為其負(fù)極來源。2.

6、鈉電負(fù)極降本路徑清晰，規(guī)?；笥型陀?萬元/噸2.1.負(fù)極工藝對(duì)比：鈉電負(fù)極能耗低用時(shí)短，成本下探大有空間軟/硬碳工藝具備低成本潛力。鈉離子電池負(fù)極制備工藝承襲鋰電石墨制 備，主要區(qū)別在于：1）同人造石墨可直接購買石油焦、針狀焦一類已經(jīng) 過初步處理的前驅(qū)體不同，硬碳和軟碳（無煙煤系）的制備需要從源頭 開始，比人造石墨多了一道預(yù)處理工序。以生物質(zhì)基石墨為例，預(yù)處理 過程包括酸浸/堿浸溶解、純水洗滌、烘干粉碎等。2）鈉離子電池負(fù)極 無需高溫石墨化，僅需 1000-1500炭化。過程中，僅部分硬碳前驅(qū)體發(fā) 生炭化，最終形成非晶質(zhì)碳結(jié)構(gòu)。炭化時(shí)長遠(yuǎn)低于石墨化，工藝更簡單， 能耗更低，為負(fù)極材料成本下

7、探提供廣闊空間。2.2.負(fù)極成本下探：規(guī)?；蟪杀居型麑?shí)現(xiàn)3萬元/噸以下原料端與制造端雙管齊下，負(fù)極成本下探僅欠規(guī)?；?。鈉離子電池負(fù)極 單耗約 1500 噸/GWh。由于不同原材料產(chǎn)碳率不同，所需原材料單耗從 高到低排序?yàn)樯镔|(zhì)基高分子聚合物基煤基。目前，國內(nèi)硬碳尚未規(guī) ?；a(chǎn)，鈉電所用硬碳主要從日本進(jìn)口，價(jià)格維持在 20 萬/噸30 萬/ 噸高位。從長期來看，我們認(rèn)為鈉電負(fù)極所用硬碳和軟碳均具備大幅降 本空間。1）原材料端，2021 年以來，受下游需求持續(xù)拉動(dòng)，人造石墨所 用原料如針狀焦等供不應(yīng)求，拉動(dòng)針狀焦價(jià)格不斷上漲，已突破 12000 元/噸，人造石墨成本承壓；天然石墨原料價(jià)格始終維

8、持高位。而鈉電負(fù) 極所用原料具備成本優(yōu)勢，尤其以無煙煤為原料的軟碳和生物質(zhì)基（如椰殼等）為原料的硬碳，單噸價(jià)格僅在數(shù)千元。2）制造端，由于無定形 碳無需石墨化，平均能耗水平僅為人造石墨的 1/5，略高于天然石墨，具 備成本大幅下探潛力。我們預(yù)計(jì)，規(guī)模化生產(chǎn)后，以優(yōu)質(zhì)生物質(zhì)基原料 價(jià)格 5000 元/噸、高分子聚合物基原料價(jià)格 12000 元/噸、精質(zhì)無煙煤原 料價(jià)格 2500 元/噸為基礎(chǔ)進(jìn)行測算，軟碳和生物質(zhì)基硬碳成本有望控制 在 3 萬元/噸以內(nèi)。且隨著軟/硬碳廠商規(guī)模化后議價(jià)能力增強(qiáng)，原材料 價(jià)格有望進(jìn)一步下探。3.2030年鈉電負(fù)極需求近40萬噸，前驅(qū)體原料供應(yīng)充足2030 年全球鈉離

9、子電池負(fù)極需求近 40萬噸。至 2030年，隨著鈉離子電 池規(guī)?；潭忍嵘?，我們測算價(jià)格將降低至 0.38 元/wh，比磷酸鐵鋰電 池低 31%左右。因此，2030 年鈉離子電池有望在儲(chǔ)能市場及兩輪車市場 快速滲透，如在 5G 通信電站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、數(shù)據(jù)中心等儲(chǔ)能市場， 及在兩輪車市場替代鉛酸電池甚至錳酸鋰電池，預(yù)計(jì)負(fù)極總需求量近 40 萬噸，對(duì)應(yīng)硬碳原材料生物質(zhì)基需求量達(dá) 175 萬噸，高分子聚合物基材 料需求量達(dá) 131 萬噸，軟碳煤基需求量近 88 萬噸。3.1.生物質(zhì)基多樣充足，僅椰殼便可滿足近85%硬碳前驅(qū)體需求硬碳生物質(zhì)前驅(qū)體選擇多樣，有望維持價(jià)格穩(wěn)定低位運(yùn)行。鈉電硬碳所 用生

10、物質(zhì)基原材料主要包括花生殼、椰殼、稻殼、杏殼、秸稈等富含木 質(zhì)素和纖維素的生物質(zhì)原料，該類材料種類豐富，性價(jià)比高，且多為不 可回收廢棄物，環(huán)?？沙掷m(xù)。以硬碳中常用前驅(qū)體椰殼為例，2020 年全 球椰殼產(chǎn)量達(dá)到 128 萬噸，且亞洲產(chǎn)量占全球椰殼產(chǎn)量的 97%，我國占 據(jù)顯著地緣優(yōu)勢。以 1.5%CAGR 測算，2030 年全球椰殼產(chǎn)量將達(dá)到 148 萬噸，可以解決 84.5%的生物質(zhì)硬碳需求。除椰殼以外，產(chǎn)量龐大的杏 殼、秸稈、蔗糖等生物質(zhì)均是理想可供選擇硬碳前驅(qū)體。3.2.高分子聚合物行業(yè)產(chǎn)能過剩，硬碳需求有望加速行業(yè)出清硬碳高分子前驅(qū)體行業(yè)集中度不高，價(jià)格較穩(wěn)定。硬碳高分子聚合物前 驅(qū)體主

11、要包括酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。酚醛樹脂具備優(yōu)良的耐熱性、阻 燃性、粘附性、電絕緣性、耐酸性，被廣泛應(yīng)用于模塑料、木材加工、 磨具磨料、耐火隔熱材料等。我國是全球酚醛樹脂生產(chǎn)大國，2021 年酚 醛樹脂產(chǎn)能達(dá)到 185.5 萬噸，產(chǎn)量達(dá) 153.5 萬噸。由于中低端市場行業(yè) 壁壘較低，酚醛樹脂行業(yè)集中度不高，產(chǎn)能 10 萬噸以上企業(yè)僅 5 家，其 中，樹脂龍頭圣泉新材料占比 23%。環(huán)氧樹脂為熱固性樹脂主要品種之 一，被廣泛應(yīng)用于涂料、電子電器、復(fù)合材料等。2021 年產(chǎn)能近 240 萬 噸，但產(chǎn)銷量近為其 1/4，處于明顯產(chǎn)能過剩階段，行業(yè)集中度不高，而 高端環(huán)氧樹脂主要依賴進(jìn)口。3.3.無煙煤

12、為軟碳前驅(qū)體最優(yōu)選，龍頭華陽股份積極布局軟碳前驅(qū)體無煙煤主要集中在山西，龍頭華陽股份積極向鈉電布局。軟 碳前驅(qū)體主要以煤基、石油基為主，與石油焦、針狀焦相比，煤炭具備 顯著成本優(yōu)勢，而無煙煤作為其中含碳量最高、雜質(zhì)含量最少的種類， 最適合用于鈉電軟碳的制備。我國無煙煤產(chǎn)量穩(wěn)定，近五年維持在 33.5 億噸/年，山西省產(chǎn)量占比達(dá)到半數(shù)以上，2021 年產(chǎn)量達(dá)到 2.26 億噸。 華陽股份是國內(nèi)無煙煤產(chǎn)量最大的上市公司，2021 年煤炭產(chǎn)量達(dá)到 4610 萬噸，核定產(chǎn)能 3450 萬噸/年，其中 80%以上均為無煙煤。華陽股份全 面布局“光伏+儲(chǔ)能”新能源產(chǎn)業(yè)，搶占未來儲(chǔ)能發(fā)展“新高地”，鈉電 發(fā)

13、展有助于其向新能源轉(zhuǎn)型。4.鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化全面加速，負(fù)極上游迎來轉(zhuǎn)型契機(jī)4.1.多企業(yè)加速布局鈉離子電池，2023年將迎來全面爆發(fā)鈉離子電池材料體系全面加速。當(dāng)前，多家鋰離子材料龍頭發(fā)布鈉離子 電池相關(guān)進(jìn)展。正極方面，容百科技宣布已擁有四款鈉離子電池正極材 料，2022 年 Q2 已實(shí)現(xiàn) 3.6 萬噸/年層狀氧化物和 6000 噸/年普魯士白材 料產(chǎn)能，振華新材、當(dāng)升科技同樣取得重大進(jìn)展；負(fù)極方面，貝特瑞、 杉杉股份、紫宸科技、星城石墨積極布局硬碳負(fù)極的研發(fā)及中試；電解 液方面，多氟多深度布局鈉離子電池，不僅宣布六氟磷酸鈉批量供貨， 同時(shí) 2023 年底可形成 1GWh/年鈉離子電池產(chǎn)能。多

14、動(dòng)向宣告鈉離子電 池已快速切入鋰離子電池主要供應(yīng)體系。鈉離子電池初創(chuàng)企業(yè)勇拔頭籌。以中科海鈉為首的鈉離子電池初創(chuàng)企業(yè) 仍走在量產(chǎn)前列。中科海鈉與三峽能源合作的全球首條 1GWh 鈉離子電 池量產(chǎn)線于 2022 年 7 月落成，標(biāo)志著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化將進(jìn)一步加速。 同時(shí)中科海鈉 1GWh Pack 產(chǎn)線也在陽泉正式開工，擬 10 月建成。從材 料到電芯再到 Pack 的全鏈布局有望強(qiáng)化中科海鈉的優(yōu)勢地位。鈉創(chuàng)新 能源也緊隨其后，宣布 2022 年年底完成 3000 噸正極材料和 5000 噸電 解液生產(chǎn)的產(chǎn)能建設(shè)。4.2.重點(diǎn)企業(yè)分析：鈉電負(fù)極上游企業(yè)迎來轉(zhuǎn)型契機(jī)鈉離子電池負(fù)極與鋰離子負(fù)極相比，

15、所用前驅(qū)體發(fā)生巨大轉(zhuǎn)變，上游格 局或?qū)⒅匦孪磁?，傳統(tǒng)企業(yè)迎來新能源轉(zhuǎn)型契機(jī)。4.2.1.華陽股份無煙煤龍頭全面布局“光儲(chǔ)網(wǎng)充”，新能源轉(zhuǎn)型勢在必行。華陽股份作為 全國最大的無煙煤生產(chǎn)基地，憑借豐富的煤炭資源和優(yōu)異運(yùn)輸條件，近 五年平均收入達(dá) 325 億元。在 2020 年開啟的新一輪山西省國資國企改 革過程中，華陽股份積極從煤炭資源向碳基新材料轉(zhuǎn)型，以鈉離子電池 為先鋒，深度布局“光伏+鈉離子電池+飛輪儲(chǔ)能+智能微電網(wǎng)”，開拓新 一代全場景綠色能源。鈉離子電池方面，華陽股份多管齊下，通過間接 持股鈉離子電池龍頭企業(yè)中科海鈉 15.56%股份、與中科海鈉合作建立華 鈉銅能和華鈉碳能、與多氟多合作

16、布局鈉離子電池電解液等多項(xiàng)重要舉 措，深度參與鈉離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈布局；飛輪儲(chǔ)能方面，華陽股份通過 打造陽泉奇峰聚能科技，建設(shè)年產(chǎn) 200 套飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)生產(chǎn)裝配線，延 伸至軌道交通再生能量回收領(lǐng)域、火力調(diào)頻領(lǐng)域和新能源場站調(diào)頻領(lǐng)域； 光伏方面，華陽股份成立華儲(chǔ)光電，全力打造高效光伏組件智能制造項(xiàng) 目。長期來看，華陽股份有望利用客戶粘性，為下游五大四小發(fā)電集團(tuán) 及其他發(fā)電企業(yè)提供綠電合作，在新舊能源交替變革中，實(shí)現(xiàn)華麗轉(zhuǎn)身。華陽股份與中科海鈉實(shí)現(xiàn)合作雙贏。華陽股份自 2020 年起入股中科海 鈉，并通過共同投資建立華鈉銅能、華鈉碳能開啟同中科海鈉的合作供 應(yīng)之路。華陽股份原煤產(chǎn)量隨新礦投產(chǎn)及產(chǎn)能

17、利用率提高而穩(wěn)步提升， 2021 年原煤產(chǎn)量提升至 4610 萬噸，其中 80%以上均為無煙煤，為中科 海鈉鈉離子電池負(fù)極供應(yīng)提供資源保證。無煙粉煤由于粒度較小，較適 宜用作鈉離子電池負(fù)極原材料。每單位 GWh 鈉離子電池生產(chǎn)，預(yù)計(jì)將 帶來 105 萬元毛利增厚。同時(shí)，華陽股份助力中科海鈉多項(xiàng)目快速落地， 包括正負(fù)極產(chǎn)能建設(shè)、Pack 產(chǎn)能建設(shè)、儲(chǔ)能示范項(xiàng)目建設(shè)。根據(jù)保守估 計(jì)，2030 年全球鈉離子電池合計(jì)出貨量突破 290GWh，以 0.5 元/wh 價(jià) 格計(jì)算，2030 年鈉離子電池市場規(guī)模接近 1500 億元，華陽股份正邁向 廣闊藍(lán)海。4.2.2.圣泉集團(tuán)合成樹脂龍頭積淀深厚，生物質(zhì)、樹脂多點(diǎn)開花。圣泉集團(tuán)主要從事合 成樹脂及復(fù)合材料、生物質(zhì)化工材料的研發(fā)生產(chǎn)銷售，其中，酚醛樹脂、 呋喃樹脂產(chǎn)銷量全國第一、處于世界前列。公司自主研發(fā)以秸稈等農(nóng)作 物廢棄物為原料的高效提純利用技術(shù)，可用于生產(chǎn)木糖、阿拉伯糖、表 面活性劑等生物質(zhì)化工品，并充分延鏈強(qiáng)鏈，利用木質(zhì)素酚制備酚醛樹 脂、利用糠醛制備呋喃樹脂，形成可持續(xù)一體化產(chǎn)業(yè)鏈。2021 年公司合 成樹脂產(chǎn)業(yè)營業(yè)收入增長顯著，酚醛樹脂研發(fā)和擴(kuò)產(chǎn)并重，已建+在建產(chǎn) 能達(dá)到 66.86 萬噸/年，并積極向新能源用特種樹脂、碳素陽極特種