鉅大LARGE | 點擊量：2859次 | 2021年04月06日
鈉電池為何有可能取代鋰離子電池？
鈉是地球上僅次于鋰的第二輕的金屬元素，從元素周期表中來看，鈉與鋰屬于同一族元素，它們的化學性質(zhì)相似，因此理論上鈉也可以像鋰相同用來做電池。當然了，鈉的原子半徑比鋰要大很多，因為鈉原子比鋰原子要多8個電子，所以自然長得很胖。一旦長胖，就會有很多麻煩，比如它不能像鋰那樣嵌入到石墨中，而且它比鋰要重很多，使得單位質(zhì)量的電池儲能就要比鋰少。
但是，鈉有一個優(yōu)點鈉元素在地球上的含量非常高，它在地球上的含量是鋰的幾千倍。我們吃的食鹽里就有大量的鈉，海水中也有非常多的鈉。正因為含量十分豐富，所以鈉比鋰要便宜很多。在市場上，作為鋰原料的碳酸鋰價格每噸要幾萬元；而作為鈉原料的氯化鈉的價格每噸只要幾千元。所以，作為電池來說，鈉電池與鋰離子電池相比的一個突出優(yōu)點就是便宜，這關于產(chǎn)業(yè)化來說是一個非常核心的優(yōu)勢。因為產(chǎn)業(yè)界最關心的是成本。
當然，成本優(yōu)勢不等于技術優(yōu)勢，關鍵還要看鈉是不是真的可以做電池。電池的正極材料、負極材料、電解液是三個基本的組成部分，這些對鈉電池來說都沒有原則性的困難。所以鈉電池是可以存在的。以鈉離子電池的負極材料為例，可以做負極的材料有很多種，研究的比較多的重要是硬碳材料。雖然硬碳的儲鈉機理目前還沒有定論，而且不同的人做出的電池負極性能差異比較大，但這只是工藝問題，總有一天能做到標準化的。
實際上，鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池沒有太大的差別，利用的是鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現(xiàn)充放電。充電時，鈉離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，同時電子補償電荷經(jīng)外電路供給到負極，保證正負極電荷平衡。放電時則相反，鈉離子從負極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下，鈉離子在正負極間的嵌入脫出不應該破壞電極材料的基本化學結構（當然在實際情況下可能會出現(xiàn)一定的記憶效應，也可能導致電極材料的老化）。
那么，鈉離子電池有技術優(yōu)勢嗎？有的人宣稱在原理上，鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5雖然目前這方面的公開數(shù)據(jù)并不是很充分，于是只能說這是潛在的優(yōu)點。也有相關資料宣稱，鈉離子電池壽命超過10年，而通常鋰離子電池使用壽命只有3-4年，不過關于這一點是存疑的，根據(jù)相關調(diào)研，鈉離子電池的重要問題正是循環(huán)壽命不高，所以這是一個爭議點。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
我國首輛鈉離子電池低速電動汽車已經(jīng)問世
目前有定論的是，鈉離子電池有成本低的優(yōu)點，其他的技術優(yōu)勢則不太明顯。那么這一領域目前的研發(fā)情況又是怎么樣的呢？
作為一個有示范性意義的項目，2018年六月，我國首輛鈉離子電池低速電動汽車在我國科學院物理研究所園區(qū)內(nèi)示范演示請注意，這里的關鍵詞是低速。該輛低速電動汽車是由依托物理所鈉離子電池專利技術成立的中科海鈉科技公司推出的。在2017年，我國科學院物理研究所就以鈉離子電池技術相關專利出資成立了中科海鈉科技有限責任公司，我國科學院物理研究所陳立泉院士，胡勇勝研究員為技術帶頭人。隨后，中科海鈉公司在江蘇溧陽準備建立產(chǎn)業(yè)化基地，加速推進鈉離子電池商業(yè)化進程。
但是據(jù)了解，目前鈉離子電池的能量密度只能達到120瓦時/公斤。所以，在能量密度這一技術指標上，鈉離子電池還不能與鋰離子電池相提并論，因為鋰離子電池的能量密度300瓦時/公斤以上。
從能量密度的角度來說，現(xiàn)在的鈉離子電池只能達到鋰離子電池的一半以下，因此鈉離子電池目前只能用在低速電動汽車、電動船、家庭儲能等對能量密度要求較低的領域，目前還不能用鈉電池做出高速電動汽車。用鈉電池做電動自行車是比較合適的，比如我國長城旗下公司研發(fā)的鈉離子電池組實現(xiàn)了電動自行車上的示范應用。
我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
我國科學院物理所參與的鈉離子電動汽車只是一個演示性的項目。
但鈉電池是一個新興的產(chǎn)業(yè)，它可能還要更多的研發(fā)才能綻放出時間的玫瑰。在目前的我國，鈉電池的產(chǎn)業(yè)化的步伐正在加速。2019年一月，位于鞍山的遼寧星空鈉電電池有限公司自主研發(fā)的鈉離子電池近日進入量產(chǎn)階段，世界上首條鈉離子電池生產(chǎn)線投入運行，預計規(guī)?；a(chǎn)后年產(chǎn)值超過100億元。
除了公司界的努力，在學術界也還有很多研究團隊在致力于鈉電池的研發(fā)。比如南京理工大學夏暉教授在鈉電池的錳基正極材料研究方面上取得了進展，相關成果發(fā)表在《自然通訊》上。夏暉教授的研究團隊找到的這種正極材料制成的鈉電池電極比容量達到211.9毫安時每克，而目前市面上的鋰離子電池正極材料比容量大約為140毫安時每克。不過，學院派對鈉離子電池的研究重要是對各種水系電解質(zhì)、有機系電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)以及相應的不同的正負極材料做排列組合，這些排列組合總可以做出比較高的比容量，但對產(chǎn)業(yè)界來說，核心問題還不是比容量的問題，核心問題是電池的循環(huán)壽命也就是說這個電池能用多長的時間，能充電放電多少次，這個才是產(chǎn)業(yè)界最關心的。
所以，從產(chǎn)業(yè)情況來看，目前鈉電池的產(chǎn)業(yè)化還停留在初級階段，很多研究成果只是在高校與研究所流傳，離真正落地還要一定的時間甚至有研究人員表示，在地球上的鋰儲量用完之前，鈉離子電池根本沒有機會。鈉電池也可能像人工智能技術相同，一開始可能并不被人看好，只能在學院派里流傳，但也許有一天會發(fā)生突變，迅速落地在產(chǎn)業(yè)界。這是很有可能的，所以鈉電池實際上值得有前瞻思維的公司家與投資者高度關注。
鈉離子電池是未來儲能電池的重要發(fā)展方向之一。隨著鈉離子研發(fā)技術的不斷進步，鈉離子電池的商業(yè)化進程會不斷加快，也許提前布局這一領域有望在新能源電池領域搶得先機。當然現(xiàn)在說鈉離子電池取代鋰離子電池似乎為時尚早。鋰離子電池已經(jīng)成為了各個行業(yè)的儲能首選，從手機到汽車，幾乎無所不包。但是它的電極材料（鋰/Li）比較稀有，因此開采和精煉占據(jù)了成本的大頭。多年來，我們一直在尋找更實惠的替代品。而斯坦福大學的研究人員們，就將目光瞄向了古老的材料（鹽/NaCl）上其最新研制的鈉離子電池，能夠以80%不到的成本，存儲與鋰離子電池相當?shù)哪芰浚?/p>
斯坦福大學最新開發(fā)的鈉離子電池，已在儲能成本上將鋰離子電池遠遠拋在后頭。地球擁有廣闊的海洋和鹽湖等鈉鹽來源，因而鈉離子無疑成為了一個完美的低成本儲能候選。
此外鈉電池可以有許多種形態(tài)，比如筆記本電腦上常見的18650電芯。首席研究者ZhenanBao表示：性能上，鋰元素暫時還找不到對手。但它實在太貴太稀有，因而我們要開發(fā)元素更加豐富、成本更加低廉的鈉基電池。
斯坦福團隊采用了鈉鹽電極的設計，充上正電荷的鈉離子會游向充負電荷的磷正極這兩種元素在自然界中的儲量都很豐富。研究人員還稱：為了改進充放電循環(huán)周期，他們分析了電池工作時，鈉離子附著和脫離陰極的原子力水平。
