鈉離子電池，是一種二次電池，主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似，兩者都被稱為“搖椅式”電池。
鈉離子電池的主要構(gòu)成為正極、負(fù)極、隔膜、電解液和集流體，其中正極和負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能決定著整個電池的儲鈉性能。正負(fù)極之間通過隔膜隔開防止短路，電解液浸潤正負(fù)極作為離子流通的介質(zhì)，集流體起到收集和傳輸電子的作用。充電時，Na+從正極脫出，經(jīng)電解液穿過隔膜嵌入負(fù)極，使正極處于高電勢的貧鈉態(tài)，負(fù)極處于低電勢的富鈉態(tài)。放電過程則與之相反，Na+從負(fù)極脫出，經(jīng)由電解液穿過隔膜重新嵌入到正極材料中，使正極恢復(fù)到富鈉態(tài)。為保持電荷平衡，充放電過程中有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與 Na+一起在正負(fù)極間遷移，使正負(fù)極發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。鈉離子電池工作原理與鋰離子基本類似，這也給鈉電池的產(chǎn)業(yè)化打下良好基礎(chǔ)。
（1）正極材料：層狀過渡金屬氧化物 vs 普魯士類化合物 vs 聚陰離子化合物
（2）負(fù)極材料：優(yōu)選碳基材料
（3）電解液與隔膜：近似鋰電
（4）集流體：使用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電
鈉離子電池的技術(shù)可行性可以從以下幾方面考慮：
1.鋰資源供不應(yīng)求，鈉資源豐富、成本低廉
2.鈉離子電池性能優(yōu)秀
從電池性能角度來看，鈉離子電池也同樣優(yōu)秀。2022 年 5 月 10 日電池行業(yè)龍頭寧德時代在互動平臺表 示，公司于 2021 年發(fā)布鈉離子電池，其電芯單體能量密度高達(dá) 160Wh/kg，常溫下充電 15 分鐘，電量可達(dá) 80%以上，在-20%℃低溫環(huán)境中，也擁有 90%以上的放電保持率，系統(tǒng)集成效率可達(dá) 80%以上。公司正致力于推進鈉離子電池在 2023 年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
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散能力。同時，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導(dǎo)率；更高的離子擴散能力和更高的離子電導(dǎo)率意味著鈉離子電池的倍率性能更好，功率輸出和接受能力更強，已公開的鈉離子電池具備 3C 及以上充放電倍率，在規(guī)模儲能調(diào)頻時可以得到很好的應(yīng)用。
3.鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異
在-40℃低溫下可以放出 70%以上容量，高溫 80℃可以循環(huán)充放使用，這將在儲能系統(tǒng)層面降低空調(diào)系統(tǒng)的功率配額，也可以降低溫度控制系統(tǒng)的在線時間，進而降低儲能系統(tǒng)的一次投入成本和運行成本。
4.安全、環(huán)保方面鈉電具備較強競爭優(yōu)勢
安全性方面，由于鈉離子電池內(nèi)阻相對較高，發(fā)生短路時的瞬間發(fā)熱量相對鋰電池小，溫升相對較低，具備更高安全性；同時，鈉電中正負(fù)極都采用鋁箔，電池的結(jié)構(gòu)和組分更簡單，也更易于回收再利用，使鈉電池具備綠色環(huán)保性質(zhì)。相比之下，鉛酸電池中含有的鉛、酸成分會對環(huán)境造成污染，因此環(huán)保性較差。
1.當(dāng)前問題：材料欠佳、成本偏高、標(biāo)準(zhǔn)未定
（1）材料研究有待深入：硬碳機理，性能提升，安全評估
目前學(xué)術(shù)界對于硬碳的儲鈉機理尚存諸多爭議，并未完全闡明。為改善現(xiàn)有硬碳負(fù)極首周效率較低等缺陷，必須深入理解其儲鈉的動力學(xué)機制，為技術(shù)研發(fā)提供最根本的理論指導(dǎo)?，F(xiàn)有鈉離子電池的材料性能尚有較大的改良空間。總體而言，現(xiàn)階段的鈉離子電池的能量密度與理論值存在較大差距，而且其循環(huán)性能也需要進一步提升。一方面，需要對活性材料進行不斷改進。另一方面，也需要考慮其整體系統(tǒng)的設(shè)計和集成管理。對鈉離子電池的實際運行安全性需要審慎評估。當(dāng)前，對鈉離子電池的安全測試實驗是在電芯層面，結(jié)果顯示雖安全性較高，但實際運行后的安全性則亟待觀察，不宜盲目樂觀。尤其是普魯士藍(lán)正極，其在熱失控情況下會釋放出氫氰酸、氰氣等劇毒氣體。
（2）成本優(yōu)勢有待實現(xiàn)：技術(shù)研發(fā)和規(guī)模效應(yīng)缺一不可
鈉離子電池成本的降低依賴于持續(xù)技術(shù)迭代對可變成本的削減，以及規(guī)?；慨a(chǎn)對固定成本的攤薄。理論上，鈉離子電池的確具有很大的材料成本優(yōu)勢，但目前產(chǎn)品的實際總成本在 1 元/Wh 以上，還高于磷酸鐵鋰，這主要是由于現(xiàn)階段的技術(shù)成熟度不夠而且尚未出現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)。一方面，電極材料的種類、制造工藝等都未標(biāo)準(zhǔn)化，而前驅(qū)體也缺乏穩(wěn)定可靠的供應(yīng)鏈，這導(dǎo)致電極材料的良率、一致性偏低，實際成本較高，這只能通過持續(xù)的技術(shù)探索改進。另一方面，生產(chǎn)設(shè)備的價格較高且折舊損耗較大，約占制造成本的 20~30%，這只能通過規(guī)?；慨a(chǎn)進行攤薄。
（3）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有待制定：規(guī)范市場秩序，促進健康發(fā)展
鈉離子電池行業(yè)需要建立科學(xué)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范企業(yè)的生產(chǎn)活動，促進產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展?，F(xiàn)階段，從事鈉離子電池研發(fā)生產(chǎn)的廠商的技術(shù)路線各不相同，孰優(yōu)孰劣存在較大爭議。目前，廠商主要是參照鋰離子電池，結(jié)合鈉離子電池特性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況，制定適合各自企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范，并以此指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計及制造工藝、確保產(chǎn)品的良率和一致性，這導(dǎo)致了不同企業(yè)之間的產(chǎn)品性能和技術(shù)水平參差不齊。行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一制定，能起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用，是實現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)的必要保障。
2.技術(shù)展望：增強安全性，提高比能量
（1）水系鈉離子電池：本征安全的鈉離子電池
以水溶液電解質(zhì)替換有機電解質(zhì)，能從根本上提高鈉離子電池的安全性。目前人們已經(jīng)報道了大量的水系鈉離子電池體系方案，其中普魯士藍(lán)體系的循環(huán)性能最佳，已經(jīng)開始產(chǎn)業(yè)化嘗試，代表性企業(yè)有 Natron Energy、賁安能源等。長期來看，水系鈉離子電池是一個非常有前景的方向，尤其適用于儲能領(lǐng)域。
( 2 ) 從目前產(chǎn)業(yè)端公布的數(shù)據(jù)來看，鈉離子電池能量密度比磷酸鐵鋰電池低約 20%，相較于大部分磷酸鐵鋰電池 6000 次以上的循環(huán)性能，鈉離子電池循環(huán)性能約在 4500 次以上。真正實現(xiàn)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化可能仍需2-3 年時間。層狀金屬氧化物正極路線由于發(fā)展最為成熟，可能將走在產(chǎn)業(yè)化前列。
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