中國粉體網(wǎng)訊 “許多人對鈉離子電池寄予厚望，您怎么看待它的前景？”在2021年騰訊WE大會期間，《中國科學(xué)報》記者將這一問題拋給了動力電池與儲能及燃料電池技術(shù)科學(xué)家王朝陽。
“鈉離子電池是磷酸鐵鋰電池的‘備胎’。”他簡單、直接的回答讓記者頗感意外。畢竟，鈉離子電池已經(jīng)在國內(nèi)引發(fā)極大關(guān)注。“說它是‘備胎’，是因為其各方面性能與磷酸鐵鋰非常接近，除非后者的供應(yīng)鏈遇到困難，從經(jīng)濟或性能上有必要啟用鈉離子電池。”王朝陽說。
鈉離子電池（圖片來源：寧德時代）
鈉離子電池工作機理
鈉電池的概念，是法國科幻作家凡爾納于1870年，在著名科幻小說《海底兩萬里》當(dāng)中最先提出。小說里，鸚鵡螺號通過取得海水當(dāng)中的電解質(zhì)鈉，制成鈉電池作為能源來驅(qū)動前進，因為鈉元素來自于海水，屬于就地取材。
鈉離子電池，是指利用鈉離子作為電池內(nèi)部的電荷主要載體的電池，與鋰離子電池類似，屬于“揺椅電池”。
鈉離子電池工作原理（圖片來源：徐鵬暉，《儲能界新星--鈉離子電池》）
在放電時，離子從負(fù)極材料中脫出，向正極移動；而在充電時則相反，鈉離子從正極材料中脫出，向負(fù)極移動。若以NaxMO2為正極材料，硬碳為負(fù)極材料，電池反應(yīng)原理可表示為：
鈉離子電池：“天使”與“魔鬼”并行
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相同、電池構(gòu)件相似，因此工藝兼容度高、切換成本低；鈉鹽電導(dǎo)率明顯高于鋰鹽，電解液具有較高的電導(dǎo)率；鈉離子電池的安全性更好，一般不會出現(xiàn)爆炸、起火燃燒等情況；地殼中鈉的儲量規(guī)模極大，在金屬儲量中位列第四，因此鈉離子電池且價格更加便宜；鈉離子電池能夠在低溫環(huán)境下實現(xiàn)較好的電量保持，在室外儲能場景也有廣泛的應(yīng)用前景。
鈉離子電池優(yōu)勢（圖片來源：中科海鈉）
但是，相比鋰離子，鈉離子半徑更大，在充放電過程中正極材料更易崩塌，這要求正極材料必須有更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、有較高的氧化還原電位，才不至于在鈉離子脫嵌過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)坍塌；負(fù)極材料方面，常用的石墨雖然便宜好用，但其與鈉離子不合，鈉離子嵌入后易失去電化學(xué)活性；鈉離子電池能量密度較低，目前主要應(yīng)用在中低速電動車和大規(guī)模儲能領(lǐng)域。
鈉離子電池研究
正極材料：主要分為層狀氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍類化合物三大類，這三類材料各有特色，但也都存在需要解決的關(guān)鍵性問題。層狀氧化物可以取得較高的能量密度，但需要改進空氣穩(wěn)定性問題；聚陰離子化合物循環(huán)較為穩(wěn)定，壽命長，但其成本較高；普魯士藍化合物價格低廉，能量密度高，但由于本身結(jié)構(gòu)中結(jié)晶水的影響，需要提高其循環(huán)穩(wěn)定性。目前學(xué)術(shù)界對于鈉離子電池的研究主要也集中在正極材料上。
負(fù)極材料：不同于鋰離子電池的石墨系負(fù)極材料，鈉離子電池負(fù)極材料一般為硬碳、軟碳、復(fù)合碳等無定形碳材料。
電解液：鈉離子電池電解質(zhì)鹽一般為NaPF6，電解液合成方法與LiPF6基本相同，但電解液鹽濃度會更低；溶劑一般為EC、DMC、EMC、DEC和PC等溶劑組成的二元或多元混合溶劑體系。由于原材料的原因，鈉離子電池電解液規(guī)模化供應(yīng)后與鋰離子電池相比成本會更低。
隔膜：目前常用的隔膜主要為PP、PE、PP/PE以及PP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、涂膠隔膜等。目前規(guī)模化生產(chǎn)的隔膜孔徑均遠大于鈉離子的溶化劑半徑，滿足鈉離子電池的使用需求。
集流體：鋰離子電池負(fù)極只能使用銅箔，而鈉離子電池負(fù)極可以使用鋁箔作為集流體。
極耳：鈉離子電池正負(fù)極均可以使用鋁極耳，相比較鋰離子電池的銅鍍鎳極耳或鎳極耳成本有所降低；且鋁極耳焊接工藝更簡單，也可以降低部分制造成本。
鈉離子電池應(yīng)用
鈉離子電池雖然被王朝陽稱之為“備胎”，不過，它覺得自己還能掙扎一下。目前，鈉離子電池已逐步開始了從實驗室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國內(nèi)外已有30多家企業(yè)，包括鈉離子電池“三大家”--英國的Faradion、法國Tiamat、我國的中科海鈉，還有美國的Natron、日本岸田化學(xué)等，正在進行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進展。
英國Faradion公司是全球第一家專注鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，于2011年由牛津大學(xué)的Jerry Barker博士、Chris Wright博士和Ashwin Kumaraswamy創(chuàng)立，旨在開發(fā)鈉離子技術(shù)并將其推向市場。Faradion研發(fā)的鈉離子電池為層狀金屬氧化物/硬碳的有機電解液體系，優(yōu)先開發(fā)低成本高能量密度的電池。2020年4月20日，F(xiàn)aradion宣布已收到澳大利亞ICM公司的第一批高能鈉離子電池訂單，供澳大利亞市場使用；2020年6月3日，F(xiàn)aradion宣布與印度基礎(chǔ)設(shè)施物流技術(shù)公司（IPLTech）建立新的合作伙伴關(guān)系，其高能鈉離子電池用于印度市場商用車；2021年3月10日，總部位于英國的電池制造商AMTE Power和Faradion宣布合作，將Faradion的知識產(chǎn)權(quán)與AMTE Power的設(shè)計和制造能力相結(jié)合，這次合作使鈉離子電池技術(shù)能夠納入一系列可再生能源應(yīng)用，包括住宅能源儲存、商業(yè)微電網(wǎng)、風(fēng)力渦輪機和潮汐能儲存；2021年7月10日，AceOn公司已獲得英國創(chuàng)新計劃100萬英鎊的資助，以加快其移動太陽能存儲單元的開發(fā)工作，AceOn新設(shè)計的產(chǎn)品將使用Faradion的鈉離子電池，這是Faradion的技術(shù)首次在撒哈拉以南的非洲商業(yè)使用；2021年年底，F(xiàn)aradion被印度信實工業(yè)收購。
作為中國首家鈉離子電池企業(yè)，中科海鈉公司依托中國科學(xué)院物理所的優(yōu)勢科研力量，已率先實現(xiàn)鈉離子電池在電動自行車、低速電動車和儲能電站上的示范應(yīng)用。2019年在江蘇溧陽建成并示范運行了全球首座100kWh鈉離子電池儲能電站，2021年與華陽新材料合作的全球首套1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)也在山西太原成功投入運行，標(biāo)志著我國在鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化上走在了世界前列。2021年12月中旬，中科海鈉與三峽集團及阜陽市人民政府達成合作，共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)�；慨a(chǎn)線，該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5GWh，分兩期建設(shè)，一期1GWh計劃于2022年正式投產(chǎn)。
鈉離子電池儲能電站（圖片來源： 中科院物理所 ）
除中科海納外，寧德時代、欣旺達、鵬輝能源、鈉創(chuàng)新能源等國內(nèi)電池企業(yè)也紛紛入局，與容百科技、格林美等多家鋰電池材料企業(yè)同步展開鈉離子電池材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化探索。
鈉離子電池研究與產(chǎn)業(yè)化：任重而道遠
隨著鋰電池被廣泛應(yīng)用和普及，人們開始擔(dān)憂鋰資源的短缺問題。而成本低、資源豐富、綜合性能較好的鈉離子電池作為一種重要儲能技術(shù)，近十年來受到國內(nèi)外學(xué)界和業(yè)界的廣泛關(guān)注且發(fā)展迅速。目前，鈉離子電池已逐步從實驗室走向應(yīng)用，但鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化依然需要著眼于解決關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問題和工程技術(shù)問題。
一是鈉電池中的相關(guān)材料，特別是正極材料性能有待進一步優(yōu)化，高性能新型電極材料的開發(fā)也勢在必行，用以支撐鈉離子電池的工業(yè)化應(yīng)用和可持續(xù)迭代；二是要完善鈉離子電池技術(shù)，要有針對性地開發(fā)并優(yōu)化適用技術(shù)，以滿足未來更大規(guī)模的生產(chǎn)制造需求；三是電池管理系統(tǒng)的開發(fā)，可以進一步提升電池組整體壽命和安全性；四是應(yīng)該盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證其規(guī)范發(fā)展。
盡管對鈉離子電池持“備胎論”觀點，王朝陽也覺得鈉離子電池仍將是動力電池多元化比較重要的元素。為了保證供應(yīng)鏈的安全，我們必須堅持對鈉離子電池的研發(fā)，特別是科研院所、國企、大學(xué)等要持續(xù)研發(fā)，因為即便是‘備胎’，有一天也許就會用上。
參考資料：
中國科學(xué)報、北京科技報、中國粉體網(wǎng)
1、丁玉寅等，《鈉離子電池正、負(fù)極材料研究進展》
2、徐鵬暉，《儲能界新星--鈉離子電池》
3、馬琳等，《推動我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化路徑探析》
4、張平等，《鈉離子電池儲能技術(shù)及經(jīng)濟性分析》
5、向鵬，《領(lǐng)跑世界鈉離子電池技術(shù)--訪中科院過程所研究員趙君梅》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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