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科學家王朝陽。
“鈉離子電池是磷酸鐵鋰電池的‘備胎’�！彼唵巍⒅苯拥幕卮鹱層浾哳H感意外。畢竟，鈉離子電池已經(jīng)在國內(nèi)引發(fā)極大關注�！罢f它是‘備胎’，是因為其各方面性能與磷酸鐵鋰非常接近，除非后者的供應鏈遇到困難，從經(jīng)濟或性能上有必要啟用鈉離子電池�！蓖醭栒f。
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》當中最先提出。小說里，鸚鵡螺號通過取得海水當中的電解質(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，向負極移動。若以NaxMO2為正極材料，硬碳為負極材料，電池反應原理可表示為：
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；鈉鹽電導率明顯高于鋰鹽，電解液具有較高的電導率；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活性；鈉離子電池能量密度較低，目前主要應用在中低速電動車和大規(guī)模儲能領域。
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。目前學術界對于鈉離子電池的研究主要也集中在正極材料上。
負極材料：不同于鋰離子電池的石墨系負極材料，鈉離子電池負極材料一般為硬碳、軟碳、復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：鋰離子電池負極只能使用銅箔，而鈉離子電池負極可以使用鋁箔作為集流體。
極耳：鈉離子電池正負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)嵱没瘧玫碾A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、日本岸田化學等，正在進行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關布局，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宣布與印度基礎設施物流技術公司（IPLTech）建立新的合作伙伴關系，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)權與AMTE Power的設計和制造能力相結(jié)合，這次合作使鈉離子電池技術能夠納入一系列可再生能源應用，包括住宅能源儲存、商業(yè)微電網(wǎng)、風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新設計的產(chǎn)品將使用Faradion的鈉離子電池，這是Faradion的技術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，共同建設全球首條鈉離子電池規(guī)模化量產(chǎn)線，該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5GWh，分兩期建設，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用和普及，人們開始擔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，近十年來受到國內(nèi)外學界和業(yè)界的廣泛關注且發(fā)展迅速。目前，鈉離子電池已逐步從實驗室走向應用，但鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化依然需要著眼于解決關鍵基礎科學問題和工程技術問題。
一是鈉電池中的相關材料，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)化應用和可持續(xù)迭代；二是要完善鈉離子電池技術，要有針對性地開發(fā)并優(yōu)化適用技術，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；四是應該盡快制定相關標準，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：
中國科學報、北京科技報、中國粉體網(wǎng)
1、丁玉寅等，《鈉離子電池正、負極材料研究進展》
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及經(jīng)濟性分析》
5、向鵬，《領跑世界鈉離子電池技術--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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