中國粉體網(wǎng)訊 鈉離子電池主要分為高溫鈉離子電池與常溫鈉離子電池。常溫鈉離子電池通過電解液進(jìn)行區(qū)分又分為水系鈉離子電池和有機(jī)系鈉離子電池。
目前已開始小批量應(yīng)用的主要是有機(jī)系鈉離子電池，有機(jī)溶劑系鈉離子電池電解液由溶劑（醚類、酯類物質(zhì)等）、鈉鹽（高氯酸鈉、六氟磷酸鈉等）及添加劑（氟代碳酸乙烯酯等）等組成。醚類和酯類電解液的開發(fā)在很大程度上推動(dòng)了鈉離子電池的發(fā)展。
由于有機(jī)系鈉離子電池的電解液易燃易爆，存在安全隱患，而水系鈉離子電池由于其高安全、無污染、低成本的特點(diǎn)成為大規(guī)模儲(chǔ)能體系的研究熱點(diǎn)。
水系鈉離子電池優(yōu)缺點(diǎn)
水系鈉離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：
①水溶液電解液采用中性電解質(zhì)，無酸堿污染，本質(zhì)穩(wěn)定安全；
②資源豐富，價(jià)格低廉；
③離子電導(dǎo)率高，即使是大尺寸、高厚度的電極，也能實(shí)現(xiàn)較高效率和能量密度。
④不易燃，不易爆，不易腐蝕，不含危險(xiǎn)、有毒物質(zhì)，可以作為標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行運(yùn)輸；
⑤維護(hù)成本低，不需要定期維護(hù)；
⑥生產(chǎn)工序簡單，對(duì)環(huán)境沒有氧氣、水分、潔凈度等要求，容易實(shí)現(xiàn)低成本制備，容錯(cuò)率高。
水系鈉離子電池主要存在兩方面的缺點(diǎn)：
①電化學(xué)窗口窄。水的熱力學(xué)電化學(xué)分解窗口在1.23V左右，為了避免發(fā)生水的分解反應(yīng)，同時(shí)考慮動(dòng)力學(xué)方面因素，水系鈉離子電池的電壓通常為1.5V，最高一般不超過2V。
②正、負(fù)極材料開發(fā)難度大。為了防止水分解而發(fā)生析氫、析氧等副反應(yīng)，許多高電位的嵌鈉正極材料和低電位的嵌鈉負(fù)極材料都不適合用于水系鈉離子電池，正、負(fù)極材料開發(fā)難度較大，需要不斷加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新。此外，許多鈉基化合物在水溶液中的溶解度較大，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而會(huì)發(fā)生分解。這些原因在很大程度上限制了水系脫嵌鈉離子電極材料的選擇，具有良好應(yīng)用性能的水系鈉離子電池電極材料體系技術(shù)難度高。
水系鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展
全球第一家批量生產(chǎn)水系鈉離子電池的公司是美國Aquion Energy公司。他們以錳基氧化物作為正極，碳材料為負(fù)極材料，Na2SO4水溶液為電解質(zhì)組裝的電池取得了較好的測試結(jié)果，可以持續(xù)充放電循環(huán)5000次以上，而且效率超過85%，其成本不到鋰離子電池使用成本的三分之一。
Aquion Energy公司的高光時(shí)刻是在2013 年與2016年，彼時(shí)曾獲得了比爾•蓋茨領(lǐng)投的融資，但2017年，在驟降的鋰電池價(jià)格與新一輪融資宣告失敗的雙重打擊下，該公司宣告破產(chǎn)。
不過，人們追尋水系鈉離子電池的腳步并沒有宣告停止。
部分水系鈉離子電池企業(yè)
美國Natron Energy成立于2012年，該公司生產(chǎn)的鈉離子電池的電極材料采用的是普魯士藍(lán)化合物的路線，電解液采用的是安全的水系電解液。其獲得專利的普魯士藍(lán)電極能夠更快、更頻繁地嵌入和脫嵌鈉離子，并且具有更低的內(nèi)阻。Natron Energy聲稱，他們的鈉離子電池提供了介于鉛酸和鋰離子之間的強(qiáng)大容量功率密度，超高速充電設(shè)施可以在8分鐘內(nèi)完成0-99%充電，循環(huán)使用壽命超過5萬次，比競爭對(duì)手鋰離子電池還高出5到25倍。據(jù)說它們的熱穩(wěn)定性非常好，因此運(yùn)輸、部署和處置都很安全，沒有火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。
Natron Energy水系鈉離子電池技術(shù)圖
不過就目前而言，Natron Energy的鈉離子電池?zé)o論是重量還是體積，能量密度都相對(duì)較低，因此該公司暫時(shí)不會(huì)向電動(dòng)車制造商推銷這款產(chǎn)品。他們當(dāng)下瞄準(zhǔn)的是工業(yè)電池的使用案例：數(shù)據(jù)中心備用電源、叉車和其他工業(yè)車輛、電信設(shè)備等。也可能有一些電動(dòng)汽車的應(yīng)用，例如，作為電動(dòng)汽車充電站的緩沖電池，在電網(wǎng)供應(yīng)和快速充電器之間存儲(chǔ)能量，以盡可能快的速度為汽車電池充電。但該公司希望未來的應(yīng)用包括電動(dòng)汽車和大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。
2022年5月，Natron Energy和低壓先進(jìn)電池技術(shù)公司Clarios International宣布達(dá)成戰(zhàn)略協(xié)議，將制造全球首個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)的鈉離子電池。根據(jù)協(xié)議，基于Natron Energy專有的普魯士藍(lán)電極鈉離子化學(xué)的電極和大尺寸電池將在Holland-Michigan的Clarios-Meadowbrook工廠于2023年開始量產(chǎn)。
2022年10月，Natron Energy正式推出BlueRack™電池柜，并提供250kW和500kW兩種型號(hào)配置。這是世界第一款鈉離子電池柜，為數(shù)據(jù)中心，調(diào)峰和其他工業(yè)電源環(huán)境等應(yīng)用場景而設(shè)計(jì)。
我國首家量產(chǎn)水系離子電池的企業(yè)為恩力能源科技有限公司，該公司在2015年就完成了國內(nèi)第一條水系離子電池生產(chǎn)線投產(chǎn)。
恩力能源水系離子電池
而近兩年發(fā)展較快的為賁安能源。賁安能源成立于2017年，總部位于新加坡，是一家從事無機(jī)（水系）鈉鹽電池研發(fā)、生產(chǎn)制造、提供無機(jī)（水系）鈉鹽電池儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案的高科技跨國企業(yè)。其在中國及美國設(shè)有全球研發(fā)中心，開展無機(jī)（水系）鈉鹽電池的材料、電芯和結(jié)構(gòu)的研發(fā)工作。
賁安能源的水系鈉離子電池已經(jīng)發(fā)展到第三代，從第一代到第三代產(chǎn)品分別為：第一代BAP1系列（額定電壓為6V，額定容量53Ah）；第二代BAP2系列（按照12V標(biāo)準(zhǔn)電堆設(shè)計(jì)，額定容量為85Ah）；第三代BAP3系列（按照12V標(biāo)準(zhǔn)電堆設(shè)計(jì)，額定容量為120Ah）。
賁安能源水系離子電池
2021年10月，賁安能源與上�？睖y設(shè)計(jì)院簽署了2.5MW/6MWh水系鈉鹽電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的供貨協(xié)議；2021年11月，賁安能源無錫工廠的正式落成，具備100MWh水系鈉鹽電池的生產(chǎn)能力；2022年3月，賁安能源布局貴州鈉離子材料量產(chǎn)基地，一期年產(chǎn)2GWh電池材料，有望2023年第二季度交付。
水系鈉離子電池發(fā)展前景
水系鈉離子電池由于安全環(huán)保、資源豐富等特點(diǎn)，在儲(chǔ)能領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但是現(xiàn)階段相關(guān)產(chǎn)品的能量密度普遍較低，極大地限制了其實(shí)用化進(jìn)程。
由于電極材料決定了水系鈉離子電池的能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性，關(guān)于電極材料的開發(fā)及改性是推動(dòng)水系鈉離子電池實(shí)用化的關(guān)鍵之一。低成本是水系鈉離子電池實(shí)用化需要跨越的最重要挑戰(zhàn)。在電極材料的選擇上，從成本的角度考慮，其中活性金屬元素的最佳選擇是Fe、Mn、Ti元素，因此普魯士藍(lán)類似物、錳氧化物、NTP等電極材料具有良好的應(yīng)用前景。此外，低成本有機(jī)電極材料也具有潛在的實(shí)用價(jià)值。
在電解液的選擇上，目前主要考慮的問題是盡可能地拓寬電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，提高水的析氧電勢并降低析氫電勢以容納更多的高電壓正極和低電壓負(fù)極材料，從而提升水系鈉離子電池能量密度。從這個(gè)角度考慮，具有較寬電化學(xué)穩(wěn)定窗口的高濃度電解液是首選。此外，循環(huán)穩(wěn)定性也是水系鈉離子電池實(shí)用化必須考慮的問題之一。水系鈉離子電池的循環(huán)穩(wěn)定性與庫侖效率具有密切的聯(lián)系，當(dāng)電極材料的氧化還原電位與電解液的電化學(xué)窗口比較接近時(shí)，在較大電流密度下由于過電勢的存在會(huì)導(dǎo)致水逐漸分解從而使得庫侖效率降低。因此水系鈉離子電池電極材料的氧化還原電位不能與電解液的窗口電位過于接近。
總之，只有將成本控制、能量密度和循環(huán)壽命兼顧，水系鈉離子電池才有可能在儲(chǔ)能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。相信在不久的將來，隨著電極材料和電解液電化學(xué)性能的不斷提升，水系鈉離子電池技術(shù)將不斷成熟，為新能源的高效利用提供保障。
參考資料：
粉體大數(shù)據(jù)研究
1、羅冬雪，《高容量水系鈉離子電池的構(gòu)建與性能研究》
2、陳福平等，《儲(chǔ)能用鈉離子電池的發(fā)展》
3、馬慧等，《水系鈉離子電池的研究進(jìn)展及實(shí)用化挑戰(zhàn)》
4、國家電網(wǎng)雜志，《AQUION ENERGY： 高處不勝寒的儲(chǔ)能技術(shù)》
5、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)，《Natron與科銳世合作研發(fā)全球首個(gè)大規(guī)模生產(chǎn)鈉離子電池》
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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