安全又便宜，为什么钠离子电池还没替代锂离子电池？

审核专家：孟梦

中国科学院物理研究所副研究员

看过我们之前关于锂离子电池爆炸文章的读者们一定很困惑，既然锂离子电池自身构造上就存在这么多隐患，为什么还要用？原因很简单，锂离子电池的综合性能是目前所有电池技术中最优秀的。

不过，去年在《科学》杂志上首次亮相的与钠离子电池相关的研究成果可能会改变这一状况。

与此同时，一批崭新的钠离子电池电动自行车出现在中科院物理研究所园区内，作为实验车辆进行更广泛的测试，所用电池组由物理研究所的胡勇胜科研团队和科技孵化公司中科海钠生产。

事实上，早在2018年，中科海钠就推出了首辆钠离子电池低速电动车。但，过了这么久为什么钠离子电池还没有取代锂离子电池呢？

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钠离子电池是什么？有什么特点？

钠离子电池是一种近年来受到广泛关注的电化学二次储能电池。

在之前介绍锂离子电池的文章中我们说过，锂离子电池就像一辆汽车，载着电荷，不断地在两极间往返，以完成充放电的任务，而钠离子电池的充放电过程类似于锂离子电池。

在充电时，电池正极释放出的钠离子通过电解液到达负极材料上。同时，电子通过外部电路进入负极，确保正负电荷平衡。放电时，情况则相反，电子通过外部电路从负极进入正极，产生电流驱动用电装置。

钠离子电池充放电原理图

来源 | 新材料产业

在正常的使用情况下，上述充放电过程不会破坏电池的基本化学结构，能够保证电池重复使用。

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钠离子、锂离子电池有啥区别？

钠离子电池与锂离子电池的本质区别在于：钠离子电池充放电时，在正负极间发生转移的是钠离子，而非锂离子。

钠和锂在元素周期表中属于同一个主族，它们的物化性质相似。这就使得钠离子电池和锂离子电池的基本工作过程相似。但是，钠和锂在很多方面还是有区别的，这就导致了钠离子电池和锂离子电池之间存在许多差异。

首先，钠离子半径大于锂离子，导致单位体积所含离子数量少，充放电可转移电子数少，相同电池体积能量密度自然也就低，储电量也就低于锂离子电池。（能量密度是指单位体积或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度越大，单位体积或重量内存储的电量越多。）

在负极材料的选择上，电化学性能优异的石墨通常被用作锂离子电池的负极。但由于钠离子的半径大，不可在石墨上进行可逆的脱嵌，因此通常选用硬碳或合金作为负极材料。

除了正负极和电解质材料的不同，制造成本也是两种电池间不可忽视的差异。钠元素在自然界储量充足，约为锂的450倍。所以钠材料的价格更便宜，买1吨锂的价钱可以买到约33吨钠。

而且，因为钠与铝在低电位时不会发生化合，所以钠离子电池的正负极均可使用铝箔作为集流体。相对一般锂离子电池只能正极使用铝箔，钠离子电池的造价就可以更低。（一般的锂离子电池的负极不能使用铝箔，而使用价格相对高点的铜箔作为集流体，因为铝箔与锂会发生反应生成锂铝合金，造成活性锂离子损失。）

因此，在电网等需大规模储能的系统上，钠离子电池较锂离子电池有着明显的成本优势。

钠离子电池的优势

来源 | 《从基础研究到工程化探索》

而且，对我国来说，布局钠离子电池非常具有战略意义。我国境内的锂资源储量虽为世界第四，但大多难以开发，目前使用的锂80%依赖进口。而钠资源分布更平均，布局钠离子电池可降低对锂资源的依赖，有利于防止他国的资源封锁。

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钠离子电池能否替代锂离子电池？

与锂离子电池一样，钠离子电池的研究开始于上世纪七十年代。虽然因商业程度等原因，钠离子电池的发展速度不及锂离子电池，但相关研究一直在持续进行，并在近十年迎来井喷式发展。

钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，因此目前的锂电产业在一定程度上能够兼容钠离子电池。这为钠离子电池的发展提供了优势。

当前，钠离子电池的主要劣势是电池能量密度较低。虽然和锂离子电池还有不小的距离，但已达到磷酸铁锂离子电池的水平。目前，世界各地的科研团队正从负极材料入手，希望解决钠离子电池的这一劣势。

科研人员和其研究成果

来源 | 见水印

虽然考虑到电池性能及使用需求，锂离子电池在长时间内仍会是电化学电池的主流。

但钠离子电池作为一个有竞争力的备选方案，各个主要国家已经开始布局钠离子电池。例如，英国FARADION公司，日本松下、丰田，以及我国的中科海钠都在进行产业化探索。目前，全球开展钠离子电池业务的公司已达20多家。

中科海钠钠离子电池示范应用

来源 | 《从基础研究到工程化探索》

在风力发电领域，钠离子电池有很大的潜力。自然风能的出现随机性强，导致风力发电不平稳、波动大。而电力系统要求高稳定性，这就使得风电不能直接接入电网，需要一个大型的电池组作为风电“缓冲区”。

国家风光储输示范基地电池组

来源 | 《从基础研究到工程化探索》

如此大规模的电池组需要物美价廉的材料，这就使得造价较低的钠离子电池极富竞争力。在该领域可差异化替代锂离子电池。

而近日，胡勇胜在接受科技日报记者采访时，也举例说明了钠离子电池的优点。现在常用的手机锂离子电池大约一个小时才能充满电量，而钠离子电池用十几分钟甚至更短时间就可以充满。冬日锂离子电池因低温“罢工”现象频见报道，而钠离子电池在低至-30℃、高至80℃的环境中，其放电特性依然很好，足见其环境友好之特性，十分“皮实”，经得起折腾。“我们做过试验，用钢针刺入钠离子电池，人为使其短路，发现没有起火或爆炸。”

但目前钠离子电池的正极材料的选择及制程工艺还不是很成熟，限制了其成本的降低。不过，相信随着技术的不断发展，科学家们会克服钠离子电池现有的问题。将来有一天，钠离子电池终将面向普通人群，大家就可以用上既便宜又安全的电池了。

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