什么是鈉電池？為什么必須發(fā)展鈉電池？

什么是鈉離子電池呢？為什么要研究鈉離子電池呢？鈉離子電池又有什么優(yōu)劣勢(shì)呢？

1、行業(yè)背景

鈉離子電池在20 世紀(jì)70 年代末、80 年代初得到關(guān)注, 但因鋰離子電池優(yōu)異的電化學(xué)性能而沒有得到廣泛研究。但隨著電動(dòng)汽車、智能電網(wǎng)時(shí)代的到來, 鋰資源短缺將成為制約其發(fā)展的重要因素。

因此, 亟需發(fā)展下一代綜合性能優(yōu)異的儲(chǔ)能電池體系，鈉離子電池就被大家重新記起。

2、什么是鈉離子電池？

鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理，正負(fù)極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。

充電時(shí)，Na＋從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極, 同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極, 保證正負(fù)極電荷平衡。放電時(shí)則相反, Na＋從負(fù)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(fù)極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。從充放電可逆性看, 鈉離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)。

圖2 鈉離子電池工作原理

3、為什么要研究鈉離子電池？

可以總結(jié)為四個(gè)字，成本控制。

眾所周知，鋰離子電池材料中常用的鈷和鎳等重金屬元素，不僅資源稀有、價(jià)格昂貴，而且對(duì)環(huán)境也有不利影響。

特別需要指出的是，合成正極材料都需要相當(dāng)比例的含鋰前驅(qū)體，而鋰的資源十分有限，隨著鋰離子電池應(yīng)用范圍的快速擴(kuò)展，必然會(huì)出現(xiàn)鋰鹽供不應(yīng)求的局面。

其實(shí)，近年來由于我國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致鋰離子電池產(chǎn)能的提升，從而出現(xiàn)碳酸鋰價(jià)格飛漲的局面。

可以預(yù)期，鋰離子電池原材料成本難以大幅降低，將使其在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用受到限制。

4、鋰資源有限

對(duì)于鋰離子電池材料，含鋰前驅(qū)體主要形式為碳酸鋰。碳酸鋰有兩種來源：礦石和鹽湖。鋰礦石主要以鋰輝石、鋰云母及磷鋁石礦的形式存在。從鹽湖鹵水提取生產(chǎn)的鋰化學(xué)產(chǎn)品主要是碳酸鋰或氯化鋰。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的數(shù)據(jù)顯示，目前全球已探明的鋰資源量（金屬鋰當(dāng)量）為3950萬噸，其中幾乎73%集中分布在南美洲少數(shù)國(guó)家。全球可開采鋰資源儲(chǔ)量約為1350 萬噸（以碳酸鋰當(dāng)量計(jì)算約為7100 萬噸），近兩年鋰資源的年平均開采量為3.5萬噸，即便如此預(yù)計(jì)也僅可供開采385年，更何況目前每年的鋰資源開采量正逐漸增加。

表1 和圖3 展示了全球主要鋰資源國(guó)家分布、產(chǎn)量及儲(chǔ)量情況。

表1 全球鋰資源產(chǎn)量、分布及儲(chǔ)量情況

圖3 世界主要鋰資源國(guó)家產(chǎn)量和儲(chǔ)量

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前全球一年鋰資源的消耗量大約是3 萬噸（以金屬鋰計(jì)算），其中約有1萬噸是用于電池領(lǐng)域，也就是說在鋰的下游用途中，用于電池領(lǐng)域的鋰資源約占總量的30%。

在電動(dòng)汽車中，鋰離子電池成本約占總成本的一半（現(xiàn)在比例有些下降），而在鋰離子電池成本中，占比最大的是正極材料，一般占30%～40%。

截至2020年底，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)492萬輛，占汽車總量的1.75%，比2019年增加111萬輛，增長(zhǎng)29.18%。其中，純電動(dòng)汽車保有量400萬輛，占新能源汽車總量的81.32%。新能源汽車增量連續(xù)三年超過100萬輛，呈持續(xù)高速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

可以預(yù)見，未來對(duì)于鋰資源的消費(fèi)增量無疑是巨大的。

雖然目前鋰資源的消耗還遠(yuǎn)未枯竭，但是我們應(yīng)該居安思危，將寶貴的鋰資源留給對(duì)比能量要求更高和高附加值的便攜式電子器件和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，盡早研發(fā)下一代在資源和成本上都更有優(yōu)勢(shì)的新型儲(chǔ)能電池—鈉離子電池。

5、鈉電池的優(yōu)勢(shì)

眾所周知，金屬鈉元素在地殼中儲(chǔ)量相對(duì)豐富（地殼中鈉含量約為2.75%，而鋰含量約為0.065‰，圖2），且分布區(qū)域廣泛（鈉分布于全球各地，而約70%的鋰卻集中分布在南美洲地區(qū)）。

同時(shí)，鈉和鋰的物理化學(xué)性質(zhì)相似且脫/嵌機(jī)制類似，因此鈉離子電池的研究與開發(fā)有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問題。

除了資源豐富易得、成本低廉、分布廣泛的優(yōu)勢(shì)外，和鋰離子電池相比，鈉電池更具有安全優(yōu)勢(shì)，鈉電池?zé)崾Э販囟雀哂阡囯姵?，且更容易鈍化、氧化，不易產(chǎn)生易燃現(xiàn)象，而這正是鋰電池的主要弊端。

在電池體系中，鈉不會(huì)與鋁發(fā)生電化學(xué)合金化反應(yīng)，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體（替代鋰離子電池體系中銅箔集流體），這樣可以有效避免過放電引起的集流體氧化問題，既有利于電池的安全，又達(dá)到了進(jìn)一步降低電池成本的目的。

另一方面，鈉電池充電速度比鋰電池要快許多，在高溫、低溫等條件下都能穩(wěn)定充放電，優(yōu)于鋰電池。

而且鈉電池的制造成本更低廉，這也是它被當(dāng)成鋰代替品的重要原因。

6、鈉電池的劣勢(shì)

當(dāng)然鈉離子電池也存在著不可忽視的缺陷，如鈉元素的相對(duì)原子質(zhì)量比鋰元素大很多，而且鈉離子半徑比鋰離子半徑大，這使得鈉離子電池的能量密度和功率密度比鋰離子電池要低。

不過，在規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中對(duì)電池能量密度的要求并不是太高，其成本和壽命則是關(guān)心的重點(diǎn)?？梢詳嘌?，鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域擁有比鋰離子電池更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的工作機(jī)理, 而鋰離子電池發(fā)展相對(duì)成熟, 目前, 借鑒鋰離子電池電極材料制備相應(yīng)的鈉離子電池電極材料成為一種主要研究方法并在一定程度上展現(xiàn)了較好的電池性能。

但是,鈉離子電池在發(fā)展的過程中也存在幾個(gè)關(guān)鍵問題亟待解決:

第一, 鈉離子電池是一種有別于鋰離子電池的電池體系, 將鋰離子電池電極材料直接應(yīng)用到鈉離子電池的研究上是一種捷徑, 但尋找新的具有高能量密度和功率密度的正極材料, 同時(shí)尋找在循環(huán)過程中體積變化小的負(fù)極材料, 提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性, 才是提高鈉離子電池性能的重要途徑, 也是使鈉離子電池早日應(yīng)用到大規(guī)模儲(chǔ)能的關(guān)鍵。

第二, 目前對(duì)于鈉離子電池電極材料的合成方法比較單一, 傳統(tǒng)的固相法和凝膠溶膠法是主要的制備方法, 且對(duì)電極材料的改性研究較少. 尋找更簡(jiǎn)單高效的合成方法, 同時(shí)對(duì)性能較好的材料進(jìn)行改性研究也是提高鈉離子電池性能的一條途徑。

第三, 安全問題是制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素, 而鈉離子電池同樣面臨安全問題, 因此, 大力開發(fā)新的電解液體系,研究更為安全的凝膠態(tài)及全固態(tài)電解質(zhì)是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

7、電動(dòng)勢(shì)有話說

為使鈉離子電池盡早大規(guī)模應(yīng)用, 理論和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐需得到更深層次的挖掘. 隨著鈉離子電池研究的深入, 將會(huì)開發(fā)出新的材料, 電池的容量和電壓將會(huì)進(jìn)一步得到提升, 鈉離子較低的成本, 使得鈉離子電池有望應(yīng)用在智能電網(wǎng)或可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)能中。

對(duì)于寧德時(shí)代這次對(duì)外發(fā)布鈉離子電池，我覺得并不代表它的電池技術(shù)已經(jīng)可以和鋰電池相比，應(yīng)該說是面對(duì)現(xiàn)階段鋰電池資源缺陷和價(jià)格上漲的一種新型策略。

目前鈉離子電池發(fā)展相當(dāng)于七八年前的鋰離子電池的水平，在學(xué)術(shù)界鈉離子電池目前還沒有很大的突破。鈉離子電池幾年內(nèi)還很難大規(guī)模生產(chǎn)。技術(shù)成熟有一個(gè)過程，目前其價(jià)格會(huì)比鋰離子電池貴。當(dāng)前研發(fā)的鈉離子電池應(yīng)用大概率是面向儲(chǔ)能、基站、低速車、低端乘用車等市場(chǎng)。

不管怎樣，鈉儲(chǔ)量比鋰豐富，鈉電池作為技術(shù)儲(chǔ)備、保障能源安全具有重大戰(zhàn)略意義，但同時(shí)，目前也不應(yīng)過分高估其商業(yè)價(jià)值。