科普 | 钠离子电池的机遇与挑战

随着时代的发展，人们的生活水平逐渐提高，各式各样的电子产品，小到充电耳机、运动手环、手机，大到电动飞机、电动轮船等逐渐成为我们生活的一部分。而这些电动设备的正常工作离不开各种电池提供持续稳定的电能，锂离子电池就是经常使用到的一种电池。自1991年锂离子电池商业化以来，经过几十年的发展，锂离子已经在4C产品（即计算机、通信、网络和消费电子）中占据了主导地位，特别是在电动汽车领域的发展日益强劲。此外，面对目前储能领域对二次电池越来越大的需求，锂离子电池受锂资源储量不足、分布不均的限制难以同时支撑4C产品、电动汽车及规模储能的发展。因此，必须发展新的储能电池技术以支持其发展。而钠离子电池具有资源丰富、成本低廉和综合性能好的优势，可以在一定程度上缓解因锂资源短缺引发的二次电池供需矛盾，是锂离子电池的有益补充，有望在新型储能应用中扮演重要的角色。

什么是钠离子电池？

早在研究者利用钠离子作为电荷载体传输和储存电荷之前，1870年法国著名作家Jules Verne在他的科幻小说《海底两万里》中这样描述钠离子电池[1]：“钠与汞形成汞齐（汞合金）代替Bunsen cell（本生电池）中的锌，汞可以永久保持，而不断消耗的钠则可以从大海中源源不断地获取。”此后，钠离子电池在曲折中缓慢发展。从1968年，美国Ford公司发明高温钠硫电池到2003年日本NGK公司实现高温钠硫电池商业化，再到2018年中科海纳公司推出全球首辆钠离子电池低速电动车，钠离子电池逐渐走入了人们的日常生活。目前，我们所说的钠离子电池主要是指与锂离子电池工作原理相似，主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作的一种二次电池，如图1所示[2]。

图1 钠离子电池原理示意图

钠离子电池的机遇

与锂离子电池相比，钠离子电池有着比较明显的优势，主要表现在以下几个方面[3]。首先，钠资源在地壳中分布广泛，在海洋中几乎无限量分布。这不仅降低了成本，具有较大的经济竞争力，还降低了储能资源和供应的风险。其次，钠离子电池与锂离子电池工作原理类似。这意味着，如果找到适合钠离子电池的材料，锂离子电池的设备和设施可以直接用于扩大材料和电池产量。第三，钠离子半径适中，不至于因半径过大造成电极材料较大的体积形变，也不至于因半径过小而造成在电解液中去溶剂化困难。第四，由于铝不会与钠形成合金，铝箔可以同时作为钠离子电池正负极的集流体，替代在锂离子电池负极侧使用的铜箔集流体，这样不仅可以进一步降低钠离子电池的成本，而且可以设计双极性电池以进一步提高能量密度[4]。第五，钠离子电池具有优异的倍率性能和高、低温性能。第六，钠离子电池在过充、过放、短路、针刺、挤压等安全性测试中不起火、不爆炸，安全性能好。上述优点使钠离子电池技术成为一种有前途的技术，特别是在电网能源存储方面优势更加明显。

钠离子电池面临的挑战

尽管钠离子电池具有上述的优势，但要真正的实现商业化，不论从电池材料体系的发展，还是从整体性能指标来看都还面临着巨大的挑战。首先，钠离子电池能量密度有待进一步提升。钠更重的原子质量和更大的离子尺寸意味着当采用类似的材料体系时，离子扩散速率较低，钠离子电池在质量能量密度和体积能量密度方面均无法与锂离子电池竞争。因此，为了弥补较低的比能量密度，需要进行材料体系的创新设计。在目前负极主要采用硬碳的情况下，正极材料决定了电池的能量密度，需要通过优化合成工艺、离子掺杂、表面包覆与其他材料复合使用等方式提升材料性能。其次，钠离子电池循环性能较差。钠离子电池的循环次数约1500次，明显低于磷酸铁锂电池和三元锂电池。若要在储能领域应用，则循环次数还需要提高到上万次。再次，由于钠离子电池内阻较大，短路时瞬时放热量较锂离子电池少，温升较低，在安全性方便具有先天优势。但钠离子电池电解液易燃、负极钠枝晶生长导致短路等问题依旧存在，因此需要从负极材料、电解质环节入手提高电池的安全性。第四，成本是钠离子电池的突出优势，但需要更大规模商业化后才能体现。目前钠离子电池产业还不成熟，与成本较低的磷酸铁锂电池相比，钠离子电池成本优势尚未完全体现。或许钠离子电池产能达到GWh水平时，各项费用摊薄，钠离子电池的成本优势将显现出来。

通过以上分析，我们认为钠离子电池应用前景广阔，有望成为锂离子电池的有力补充，为人们的生活带来更大的便利。但是，我们也要认识到，要实现钠离子电池的广泛商业化，还有很多问题需要解决。从应用研究的角度来看，电池组件制造/组装优化需要进一步的技术改进，而更重要的是应致力于基础研究、材料发现和理解控制这些系统化学的热力学和动力学过程。社会需要一个更可持续和更绿色的未来，让我们携起手来，为钠离子电池的发展共同努力。

参考文献

[1]WINTER M, BARNETT B, XU K. Before Li Ion Batteries [J]. Chemical Reviews, 2018, 118(23): 11433-56.

[2]YABUUCHI N, KUBOTA K, DAHBI M, et al. Research development on sodium-ion batteries [J]. Chemical Reviews, 2014, 114(23): 11636-82.

[3]HU Y-S, LU Y. 2019 Nobel Prize for the Li-Ion Batteries and New Opportunities and Challenges in Na-Ion Batteries [J]. ACS Energy Letters, 2019, 4(11): 2689-90.

[4]HASA I, MARIYAPPAN S, SAUREL D, et al. Challenges of today for Na-based batteries of the future: From materials to cell metrics [J]. Journal of Power Sources, 2021, 482: 228872.

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