中國粉體網(wǎng)訊 鋰離子電池因其能量密度高、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，占據(jù)了二次電池的主要市場。目前，最先進(jìn)的儲能系統(tǒng)大都采用鋰離子電池技術(shù)。盡管如此，由于鋰離子電池價(jià)格的波動，尤其是鋰資源的消耗和未來可見的短缺，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界希望尋求一種新的可持續(xù)替代產(chǎn)品或技術(shù)來滿足不斷增長的全球儲能系統(tǒng)需求量。2010年左右，室溫鈉離子電池重新受到關(guān)注，被認(rèn)為是一種很有前景的下一代二次電池系統(tǒng)，可以替代鋰離子電池進(jìn)行大規(guī)模儲能。鈉的天然儲量十分豐富，地殼中的豐度在所有元素中居第六位，海洋和鹽湖中蘊(yùn)藏著巨大的儲量。同時(shí)，鈉和鋰是元素周期表中同一個(gè)主族的元素，其化學(xué)性質(zhì)非常相似。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池基本相同。在充電過程中，鈉離子從正極材料中析出，通過電解液進(jìn)入負(fù)極材料，同時(shí)電子通過外電路從正極流向負(fù)極，放電過程則相反。
表1 金屬鈉與金屬鋰基本性質(zhì)對比
然而，時(shí)至今日，在鋰離子電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)、規(guī)�；褪袌鰤毫Φ耐苿优c革新下，磷酸鐵鋰離子電池每瓦時(shí)電芯價(jià)格已經(jīng)降到了0.5元以下，此時(shí)鈉離子電池是否還具備成本優(yōu)勢，或是否有其他突出優(yōu)點(diǎn)，從而值得研究用于大規(guī)模應(yīng)用上呢？
一.鈉離子電池尚未大規(guī)模運(yùn)用的原因
在研究初期，研究人員經(jīng)常借鑒鋰離子電池發(fā)展的技術(shù)路線，用鈉代替鋰離子電池電極材料中的鋰來研究鈉離子電池的電極材料，但其綜合性能較差，不如鋰離子電池。原因是鈉離子比鋰離子重，電負(fù)性沒有鋰低，因此相同的電極材料通常比相應(yīng)的鋰離子具有較低的電壓和較低的比容量，從而導(dǎo)致電池的能量密度較低。正是由于這種固有性質(zhì)的限制，鈉離子電池目前在應(yīng)用中無法與鋰離子電池相比。另一方面，由于鈉離子半徑（0.102nm）比鋰離子半徑（0.076nm）大30%以上，鈉離子在剛性結(jié)構(gòu)中相對穩(wěn)定，難以可逆脫嵌。即使能發(fā)生脫嵌，鈉離子的嵌入和脫嵌動力學(xué)非常緩慢，容易引起電極材料結(jié)構(gòu)不可逆的相變，降低電池的循環(huán)性能。這樣電池的循環(huán)壽命也會成為制約鈉離子電池實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。鈉離子電池這兩個(gè)方面的短板亟待科研人員的研究來克服。
二.資源限制因素
從資源上看，全球已探明的鋰儲量約7100萬噸（以碳酸鋰當(dāng)量計(jì)）。僅考慮電動汽車應(yīng)用方面，如果注意對鋰離子電池加以回收，鋰資源似乎能夠滿足全球電動汽車市場的需求。但對于大規(guī)模儲能，仍將面臨鋰資源短缺的問題，而這勢必將引起鋰資源價(jià)格的波動。作為全球第四大鋰儲量國，中國理應(yīng)較長一段時(shí)期內(nèi)不受鋰資源短缺的困擾，但我國的鋰資源以鹵水型為主要來源，提取提純難度大，成本相對高；而少部分礦石型鋰資源主要分布在四川西部地區(qū)，基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)輸和企業(yè)管理等條件均較差，開采所需人力、物力以及尾礦處理成本很高，目前僅進(jìn)行了少量開采，大規(guī)模開發(fā)基本處于停滯狀態(tài)。如此一來，我國鋰礦的進(jìn)口需求度超過80%，勢必為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展埋下諸多不確定因素。因此，鋰資源的限制所帶來的壓力在可預(yù)見的未來將會越來越大，而這為沒有資源限制的鈉離子電池提供了更廣闊的發(fā)展空間，發(fā)展鈉離子電池也具有了重要的戰(zhàn)略意義。
三.鈉離子電池與鋰離子電池成本對比
地殼中鈉元素較高的豐度（為鋰元素的幾百倍）是鈉離子電池價(jià)格優(yōu)勢的主要原因。此外，鈉離子電池可以采用相對價(jià)格低廉的鋁來替代銅作為集流體材料。另外，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小，更低濃度電解液可以達(dá)到同樣離子電導(dǎo)率，也可以降低部分成本。由此看來，鈉離子電池的成本必定會低于鋰離子電池。然而，由于鈉離子電池相對較低的能量密度，在以能量來計(jì)算價(jià)格的方式上，低能量密度意味著將需要更多的輔材和制造成本，這些輔材和制造成本將拉高電池每瓦時(shí)的價(jià)格。
根據(jù)2019年上半年的數(shù)據(jù)，以現(xiàn)在110A·h磷酸鐵鋰電芯成本計(jì)算，其電芯能量密度為165 W·h/kg，而成本為0.54元/(W·h)。以現(xiàn)有鈉離子電池正負(fù)極材料的比容量、輔件價(jià)格和實(shí)現(xiàn)效率為基礎(chǔ)，并將以后規(guī)模化正負(fù)極材料和電解液的價(jià)格預(yù)估為2和2.4萬元/噸，我們可以計(jì)算出以硬碳為負(fù)極的鈉離子電池（以120 W·h/kg為基礎(chǔ)）的成本為0.55 元/((W·h)。同時(shí)，預(yù)估出不同能量密度下的鈉離子電池成本，結(jié)果如下圖。
圖1 不同能量密度的鈉離子電池預(yù)估成本圖
從上述成本分析看，似乎鈉離子電池預(yù)估成本與現(xiàn)有的鋰離子電池沒有太大的優(yōu)勢，這主要是在于實(shí)際上鋰在鋰離子電池成本中所占的比重并不大（約7%），而鈉離子電池由于較低的能量密度，使得其輔材和制造成本在總成本中占比過大從而拉高了總成本。因此，開發(fā)具有高能量密度和低成本輔助材料的鈉離子電池系統(tǒng)是進(jìn)一步降低其成本的必要途徑。同時(shí)我們也需要看到，如果正負(fù)極材料采用更豐富且更便宜的原材料，成本可能低于2萬/噸。此時(shí)，較低能量密度鈉離子電池系統(tǒng)也將具有一定的價(jià)格優(yōu)勢。
盡管目前鈉電成本優(yōu)勢不明顯，但通過材料和生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，鈉電池的成本在未來可以大大降低，將對鋰電池具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢。
四.其他可能的應(yīng)用優(yōu)勢
首先，上文提過鈉離子電池具有資源無限制的優(yōu)勢，這可抵御未來可能出現(xiàn)的區(qū)域資源風(fēng)險(xiǎn)，保障國家能源戰(zhàn)略安全和國家政策的順利實(shí)施；其次，鈉離子電池與鋰離子電池的工作原理相似，與鋰離子電池的生產(chǎn)設(shè)備大多可兼容，方便將來設(shè)備的更新?lián)Q代；另外，由于鋁和鈉在低電位不會發(fā)生合金化反應(yīng)，鈉離子電池正極和負(fù)極的集流體都可使用廉價(jià)的鋁箔，且不用擔(dān)心過放，方便長距離交通運(yùn)輸；根據(jù)目前初步的高低溫測試結(jié)果，鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異；鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，即具有更好的界面離子擴(kuò)散能力，界面反應(yīng)動力學(xué)性能更好；鈉離子電池可以引入雙極性電池技術(shù)，進(jìn)一步提高能量密度（如圖2）；最后，從不同正極材料的一些實(shí)體鈉離子電池的安全測試來看，似乎鈉離子電池普遍具有高的安全性能。在進(jìn)行的所有安全項(xiàng)目測試中，均未發(fā)現(xiàn)起火現(xiàn)象，安全性能更好。這可能是由于鈉離子電池的內(nèi)阻相比鋰離子電池要稍微高一點(diǎn)，致使在短路等安全性試驗(yàn)中瞬間發(fā)熱量少、溫升較低。
更多鈉離子電池特有的優(yōu)勢還會隨著研究的深入逐漸顯示出來，挖掘這些特有優(yōu)勢將提高鈉離子電池產(chǎn)品差異化，使其在未來市場競爭中占據(jù)多方位多層次的有利地位。
圖2 分別使用單體電池串聯(lián)和雙極性電池方式成組的固態(tài)鈉電池（相同電壓和容量）
體積對比示意圖
總之，鈉離子電池是一種重要的儲能技術(shù)，成本低、資源豐富且綜合性能較好，具有巨大的發(fā)展?jié)摿�。未來鈉離子電池可以應(yīng)用在生活、生產(chǎn)中多個(gè)領(lǐng)域，將促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)的建成。為了提高鈉離子電池的市場競爭力，需要開發(fā)具有更高性價(jià)比的產(chǎn)品，而提高鈉離子電池能量密度是降低單位成本的關(guān)鍵因素。同時(shí)，還需進(jìn)一步開發(fā)具有高比容量的正負(fù)極材料，進(jìn)而有效減少非活性物質(zhì)（導(dǎo)電劑、黏結(jié)劑、隔膜等）在總成本中的占比；同時(shí)開發(fā)新工藝，以降低生產(chǎn)制造成本，這些將是鈉離子電池下一步在基礎(chǔ)研究和工程化探索方面的重要突破方向。
參考來源：
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2.LU Y, RONG X, HU Y S, et al. Research and development of advanced battery materials in China
3.曹余良.鈉離子電池機(jī)遇與挑戰(zhàn)
4.容曉輝，陸雅翔等. 鈉離子電池：從基礎(chǔ)研究到工程化探索
5.侴術(shù)雷. 高比能鈉離子電池用低成本電極材料的研究與實(shí)踐
6.方錚, 曹余良, 胡勇勝等. 室溫鈉離子電池技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/波德）
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