中国粉体网讯 在现有的储能技术中，锂离子电池（LIB）具有无与伦比的能量密度和适配性。自1991年首次商业化以来，LIB的增长持续由便携式设备推动。然而，近年来，LIB开始应用在大规模电动汽车和固定式储能方面。由于LIB原料矿床分布不均，容易出现价格波动，新的应用给LIB产业链带来了前所未有的压力，进一步导致了对其替代储能电池的需求。钠离子电池(SIB)是最有前途的储能技术之一。在本文中，讨论了SIB商业化的前景及关键与挑战。通过比较LIB和SIB的技术演变，揭示了两种电池技术之间的主要差异。基于在动力、可循环性和安全性方面的出色表现，SIB商业化之路迫在眉睫。
1. 背景
2019年是锂离子电池取得最高成就的一年，因为John Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino获得了诺贝尔化学奖，这是对锂离子电池多功能储能设备的发明者的表彰。诚然，只有三位获奖者是诺贝尔委员会的限制，我们必须同样感谢其他科学家，其中一些将在本文中提及，他们的工作带给了我们上个世纪人类最伟大的成就之一。
基于上述诺贝尔奖获得者的研究，LIB于1991年被SONY商业化，并立即实现了两位数的销售额增长率。LIB市场份额仅用了6年就超过了当时现有的电池技术，如镍镉电池和镍金属氢化物电池。这种惊人的增长来源于便携式消费电子设备（例如卡座录音机、唱片机、个人护理设备和移动电话）的兴起。LIB的轻质和高能量密度特性使其成为这些设备的理想选择。这也意味着LIB和当时现有的电池技术之间没有直接竞争。例如，日本镍镉电池和镍金属氢化物电池的销售额并没有因为LIB销售额的指数增长而下降。显然，一个新的细分市场已经出现。
自从第一个商业LIB出现以来，便携式消费电子产品在形式和功能上都发生了巨大的变化，集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番。这意味着，计算速度大约每两年翻一番，最终产生了智能设备。运行这些复杂设备所需的电池能量密度也有所增加，但增长速度较慢。这是因为能量密度受基本的化学性质所限，增加电池的能量密度已被证明是一个巨大的挑战。尽管如此，仍有改进其他电池性能的空间，例如成本、循环稳定性、安全性、环境友好性和电池设计方式。
LIB的一个突出特点是能够不断发现新的应用领域。最近，由特斯拉公司、比亚迪和日产率先推出的纯电动汽车已成功完全商业化，并由LIB提供动力。搭载 100kWh车载电池组的Tesla Model S行驶里程为600公里，获得了美国环保署认证。全球电动汽车和电动公共汽车数量目前为400万辆，预计到2028年这一数字将达到5000万到两亿。这种普通汽车向电动汽车的转变是由清洁能源政策推动的。
在固定储能领域，预计将安装更多兆瓦时规模的LIB。虽然在这些领域中，电池重量和占地面积不是主要考虑因素，但预计LIB还是将发挥主导作用。这是因为LIB的其他性能指标，如循环效率、高功率和深度放电能力，是盈利性电网储能的重要要求。
虽然锂离子电池技术没有明显的性能限制，但碳酸锂和钴酸锂等原材料的来源变得越来越困难。随着电池组尺寸和安装数量的增加，原材料公司发现越来越难以满足需求。例如，2015年，由于电动汽车行业的需求，碳酸锂的价格在10个月内上涨了近两倍。而且碳酸锂稀缺且分布不均——2015年全球产量的近一半来自南美洲。对于一个经济利益迅速增加的原材料来说，由于全球供应风险短缺和源头过度开发，势必会出现问题。此外，锂离子电池的其他重要成分钴和石墨被欧盟(EU)列为关键原材料。因此，最近LIB的大规模部署给已经拥挤的价值链带来了更大的压力，导致价格波动。因此，有必要且必须急迫地投资于锂技术之外的替代研究工作，以克服对稀缺资源的过度依赖。
幸运的是，在过去十年中，对钠离子电池的研究兴趣大增。这主要是因为SIB从根本上拥有最与LIB性能相匹配的潜力。钠和锂是第一主族元素（也称为碱金属元素）的两个相邻成员。它们在价壳中都有一个松散的电子，因此很容易形成第一氧化态Li+ 和 Na+。作为电化学载体，Li+和Na+在标准电极电位方面没有太大区别：Na（-2.71 V 对标准氢电极（SHE））仅比 Li（-3.04 V 对 SHE）高300mV。在发现和开发锂插层化合物的同时，钠化合物的结构和电化学性质也得到了同等的探索。尽管锂化合物显示出优异的电化学性能，但与锂相比，钠的可用性和成本预计将改变目前锂一家独大的场面。然而，由于早期LIB电池的产量相对较小，锂生产限制从未被测试过。此外，电池能量密度在便携式电子设备应用中至关重要。因此，LIB 的研究和商业化呈指数级增长，这在某种程度上以牺牲SIB的研究为代价。然而，在过去十年中，由于对锂供应短缺的担忧以及对替代性、可持续电池技术的需求，SIBs的研究得到了真正的复兴。
最近SIB的研究复兴使得在钠插入化合物方面取得了显著的发现。SIB发展如果能成功商业化，同样能对清洁能源转型作出重大贡献。在本文中，我们分析了推动基于锂和钠的室温可充电电池不同发展路径的驱动力。特别关注基于候选室温有机电解质的SIBs的特性，以回答以下问题：SIBs可以取代 LIBs吗？对于感兴趣的读者，最近出现了一些关于SIB 和LIB的深入评论。SIBs的显著进步归功于固态材料的科学知识，而这些知识是在开发LIBs时获得的。此外，电极结构的相似性使得SIB和LIB的工业加工技术相同。这种积极因素的结合使 SIB 技术的发展顺风顺水，有望给SIB带来商业成功。
2.SIB 和 LIB 的共同历史
关于钠离子电池的研究至少可以追溯到20世纪70年代，几乎与锂离子电池的研究同时起步。在研究早期，锂离子电池和钠离子电池有着类似的研究历程。Whittingham于1976年首次报道了层状TiS2与锂在Li//TiS2电池中的可逆电化学嵌入反应。其发现钠和锂同样能够嵌入TiS2以及其他过渡金属二硫化物中。由于TiS2正极的低开路电压（约为2.2V），以及金属锂负极导致的不稳定性，Li//TiS2电池无法开发成具有商业化前景的功能性电池。这是锂离子/钠离子电池研发的第一个主要挫折。
为了解决正极低电压的缺点，Goodenough等在20世纪80年代提出了使用层状金属氧化物作为电池正极。其化学成分对于锂离子电池是LiMeO2，对于钠离子电池则是NaMeO2（Me代表Co、Ni、Cr、Mn 或 Fe）。NaMeO2化合物的发现归功于Delmas等在20世纪80年代初期的开创性工作。在电池电压方面，Goodenough的发现是具有突破意义的。例如，LiCoO2的开路电压为4.0 V，几乎是TiS2的两倍。一般来说，锂基化合物的电化学性能优于钠基化合物。
然而，换了新的正极材料的锂离子/钠离子电池，选择的负极仍然是金属锂或钠。这些活泼金属负极会与电解质反应，导致电池不稳定。此外，在嵌入和脱嵌周期中，金属负极的枝晶会不受控制地生长。枝晶生长是引起电池内部短路和火灾的主要原因。出于安全原因，金属负极并不是一个好的选择。作为替代方案，Scrosati提出了一种低压嵌入型负极来代替金属负极。这标志着“摇椅”电池的诞生（见图5）。摇椅式电池是一种电池的设计概念，其创新之处在于：它用嵌入化合物代替了锂金属，电池两极都由嵌入化合物充当。这样，两边都有空间让锂离子嵌入，在充放电循环过程中，锂离子在正负电极来回嵌入与脱嵌，就像摇椅一样摇摆，因此得名。就锂离子而言，Yazami和Touzain发现锂离子能够在理想的低电压和高重量容量下嵌入碳质材料。因此Yoshino使用软碳负极和LiCoO2正极制造出了第一个可以较好工作的锂离子电池，该电池于1991年由日本SONY公司商业化。可惜的是，在钠离子的情况下，由于钠离子的半径比锂离子大，钠离子在软碳和石墨难以发生嵌入和脱嵌，导致相同材料的钠离子电池的容量比起锂离子电池大约只有十分之一。这成为钠离子电池商业前景的瓶颈和第二个主要挫折。
在SONY做出主要研发生产锂离子电池的决定后，1990年至2000年期间，钠离子电池研究数量急剧下降。同期，锂离子电池的市场份额和价值飙升。这期间内，钴的价格曾大幅上涨，后因美国政府库存的销售而有所缓和。钴储量的稀缺性促使人们寻找更便宜的替代品。这促使了新型金属氧化物结构的合成，例如尖晶石型电极 LiMn2O4和橄榄石型磷酸铁锂 LiFePO4。研究还发现氧化镍中的Co取代增加了结构稳定性，于是在2000年底，混合金属氧化物材料被用于电池中，如LiNi1-x-yCoxAlyO2和LiNi1−x−yMnxCoyO2。
尽管常温钠离子电池的研究大幅下降，但高温钠离子电池却得到了深入发展。福特汽车公司首先发起，然后与东京电力公司和日本NGK公司联合开发了在300至350℃之间运行钠硫电池系统。紧接着，钠硫电池的温度稍低的变体，钠-氯化镍电池，通常称为zebra电池首次出现。zebra电池在250至300℃之间运行，最初由Zeolite Battery Research Africa开发，ZEBRA的名称由此而来。这些电池系统的一个共同特点是采用了熔融钠负极和陶瓷隔板。高温钠离子电池的应用领域包括固定电网储能、电动汽车和太空领域。高温钠离子电池的应用证明了大规模钠基储能的可行性。然而，高的工作温度带来了其他问题，例如腐蚀问题，安全问题和低能量效率。
2000 年，Stevens和Dahn发现了钠离子在硬碳材料中有良好的嵌入性能，从而重新引起了人们对室温钠离子电池的兴趣。钠离子电池中的硬碳负极具有低电压和300 mAhg-1的高质量容量，接近锂离子电池中的石墨（372 mAhg-1）。尽管这一发现被证明是钠离子电池研究兴趣重燃的转折点，但它并没有立即引发商业化研究的热潮。这是因为当时显然缺乏替代锂离子电池的需求动力。一项基于专利的分析表明，钠离子电池专利申请量的大幅上升是在12年后的2012年才开始的。由此可以发现，钠离子电池取代锂离子电池的驱动力主要是由于锂离子电池的大规模应用带来的供应短缺的风险。2010年以来，钠离子电池正极材料研究取得了前所未有的进展。2010年至2013年3年间报道的正极材料总数几乎等于之前存在的总数。钠离子电池正极材料的三个主要类型是层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物。选材的目标是制造廉价的钠离子电池，但需同时具有与锂离子电池相近的性能特征。这解释了在正极材料的组成中尽量选择了地球上丰富的元素，如铁、锰和镁。至于负极，硬碳（HC）仍然是突出的选择，因为其前体便宜且丰富。
2015年，由法国国家科学研究中心（the French National Center for Scientific Research，CNRS）建立的法国研究网络（the French network for electrochemical energy storage，RS2E），法国替代能源和原子能委员会 (the French Alternative Energies and Atomic Energy Commission，CEA) 以及法兰西学院(the Collège de France)合作开发了第一批“18650”（直径18毫米，高度65毫米）圆柱形钠离子电池。钠离子电池商业化巨大飞跃开始主要由这些初创企业带动，此后出现了十多家研发钠离子电池的公司。率先开展这些工作的是Faradion、Tiamat和中科海钠。英国的Faradion成立于2011年，是最早将钠离子电池商业化的公司之一。目前，Faradion正在开发和推动硬碳负极的1-5 Ah钠离子软包电池，该电池使用的是层状金属氧化物正极Na1.1Ni0.3Mn0.5Mg0.05Ti0.05O2(NMMT)，和商用硬碳负极。法国的Tiamat是RS2E的衍生公司，成立于2017年。该公司继续沿用基于聚阴离子复合正极Na3V2(PO4)2F3(NVPF)和硬碳负极的圆柱形钠离子电池的道路。根据其官方网站，Tiamat已经生产了超过10000个钠离子电池。最后，中国的中科海钠公司成立于2017年，是中国科学院物理研究所的附属公司。中科海钠目前生产基于专有Na0.9[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2正极和无烟煤基硬碳负极的钠离子软包电池。2019年4月，中科海钠宣布了迄今为止最大的钠离子电池模块，功率为100kW。图1阐述了 LIB 和 SIB 的共同历史和技术演变。
图1 LIB 和 SIB 的共同历史： a) Li//LiCoO2 电池的图示。 b) Na//NaCoO2 电池的图示。 c) 石墨//LiCoO2 电池的图示。 d) 福特Ecostar的插图，设计用于使用NaS电池。 e) 由LIB驱动的诺基亚3310便携式设备。f) 用于电网储能应用的商用ZEBRA电池。 g) 由LIB提供动力的 2010年 Nissan Leaf 模型。 h) 硬碳//Na3V2(PO4)2F3电池的图示。 i) 网格规模的LIB安装示意图。 j) 在中国溧阳市安装的中科海钠 SIB。
3.SIB和LIB的比较
如上所述，LIBs 和SIBs 的电化学性质是相似的。 因此，可以在两种电池系统的生产中使用相同的制造工艺和协议。这意味着，如果LIB制造商决定生产SIB，他们将不会产生额外的资本支出。因此，SIB的制造被描述为“直接替换”，这在一定程度上解释了该技术惊人的发展速度。SIB的下一个前沿是在大规模和新兴应用中“直接替换”LIB。为此，它们需要达到或超过LIB的性能指标，包括功率、能量密度（体积和重量）、可循环性、安全性和成本。
3.1 物理特征
从外观来看，SIB和LIB之间没有太大区别。圆柱形LIB通常为18650格式，类似的SIB目前由Tiamat生产。据我们所知，迄今为止，他们仍然是圆柱形SIB 的唯一制造商（译者注：此处存疑）。其他制造商大多选择了软包电池。
在电池内部，除了化学成分外，复合电极涂层看起来也很相似。这是因为在两种电池化学中都使用了相同的导电碳填料和粘合剂材料。唯一的物理区别是集流体的选材。在LIB中，铜箔和铝箔分别用作阳极和阴极集流体，而在SIB中，两个电极的集流体均选用铝箔。这是因为钠不会与阳极的铝集流体形成合金。这降低了SIB的材料成本和重量，因为铝比铜更便宜且密度更低。图2a、b分别显示了LIB和SIB的主要组件的示意图。
使用相同的集流体还有其他优点。其中最主要的是能够在0V下放电和存储SIB，而不会降低容量。Faradion已通过其在0V下安全储存和运输钠离子电池的专利证明了这种高度安全的特性。另一个优点是易于回收SIB，其中集流体、接线片和外壳完全由铝箔构成，箔分离步骤更容易。另外将电池组安全放电至0V的能力可减少漏电和起火爆炸风险。最后，制作SIB双极性电池会变得很容易，并开辟了高压SIB电池的可能性。
3.2 电解质
LIB和SIB中使用的非离子电解质溶剂是相同的。从成本的角度来看，这是一个优势：SIB可以使用更便宜的非离子电解质溶质。LIB和SIB常用的溶剂包括碳酸亚乙酯 (EC)、碳酸亚丙酯 (PC)、二甲氧基乙烷 (DME) 和碳酸二甲酯 (DMC)。需要两种或三种溶剂的混合以获得最佳的电解质特性，如粘度、电导率和电化学稳定性窗口。目前已经对SIB和LIB的电解质优化进行了系统的研究。
SIB与LIB电解质的差异出现在溶质的盐中。LiPF6是LIB中最常用的盐，而NaPF6则经常用于SIB。典型的盐浓度为1M（即1mol dm-3），这是由于该浓度下有着最佳的电导率和粘度。曾有一些使用NaClO4盐的失败尝试，由于存在爆炸危险而被放弃。早期的NaPF6盐存在纯度问题，导致电解质混浊，这对半电池和钠参比电极的性能产生了负面影响。这些是开发新电池化学的一些实际挑战。尽管如此，高纯度的电池级NaPF6的市售价格仍然要比LiPF6便宜四倍以上。相比之下，LiPF6的价格约为8.9欧元每克，而NaPF6的价格约为2.2欧元每克（Sigma-Aldrich，2020年500克的价格水平）。这种价格差异是由于上游碱金属碳酸盐（Li2CO3和 Na2CO3）的成本不同，尽管这两种盐的合成路线相似。
3.3 能量密度、功率和可循环性
自成立以来，SIB已证明其能量密度可与商业LIB相媲美。第一代18650电池的能量密度为90Wh kg-1，这已经令人印象深刻，而Faradion和Novasis Energies 的软包电池SIB分别具有约150和130Wh kg-1的能量密度。作为参考，第一个 SONY LIB的能量密度为80Wh kg-1，而最先进的LIB的能量密度约为150-200 Wh kg-1。
尽管目前最先进的SIBs的能量密度在目前LIBs的较低范围内，但可以预期随着新的阳极和阴极材料的发现和改进，就像LIB技术的发展一样，SIB的能量密度也将得到提高。除了这一预期之外，SIBs的功率输出能力一直非常出色，在某些情况下甚至优于LIB。图2c列出了55Wh kg-1圆柱形SIB在室温下的功率输出性能。这些功率优化的SIB能达到10C的速率（即在6分钟内完全放电），容量保持率为84%。Novasis Energies的软包电池显示出同样出色的倍率性能，即同样10C倍率和84%的容量保持率。
另一个性能指标是电池的可循环性。电动汽车电池测试标准将电池寿命终止定义为剩余80%的初始/标称容量保持率。已知不同的温度条件、放电/充电率和放电深度(DoD)会影响电池寿命。LIB的可循环性一般，在极端温度、高（放电）充电速率（高于1C）和高DoD（高于80%）均会减少电池循环次数。最近，研究人员在不同条件下探索了软包和圆柱形SIB的循环性能。图2d说明了75 Wh kg-1 SIB圆柱形电池在室温下的长期循环性能。这些SIB表现出了出色的循环性，在1C速率和100% DoD下能接近4000次循环。LFP（磷酸铁锂离子电池）和NMC（镍锰钴锂离子电池)在这些条件下的循环能力通常约为2000次循环。SIB的高温可循环性也令人印象深刻，Novasis Energies软包电池在45℃和1C速率下能进行200次循环且保持95%以上的容量保持率。因此，SIBs能够在广泛的环境条件下运行，并且它们的可循环性可与最先进的LIBs相媲美。
图 2 a)锂离子电池和 b)钠离子电池的图示，灰色球形为活性颗粒，黑色六边形为碳导电填料，蓝色为粘合剂。c)55Wh kg-1 SIB的倍率能力测试显示出色的充放电率。d)SIB的延长循环寿命测试显示在寿命结束前能够进行约4000次循环。测试条件为室温、1C速率和100% DoD下循环，电压范围为2~4.25V
3.4 安全性
科研人员已对软包和18650 SIB电池进行了多项非常规使用耐受测试，例如挤压、钉子穿透和加速量热法(ARC)。图3a显示了进行钉子穿透的圆柱形SIB。圆柱形SIB需要10分钟才能达到130℃的最高温度。经过钉刺测试的Novasis Energies生产的软包电池如图3b所示。尽管钉子穿孔是可见的，但由于PBA阴极没有产生氧气，SIB在测试期间没有着火。值得注意的是，对短路SIB进行的挤压测试和钉刺测试均未显示任何温度变化，这证明了在0 V下运输和储存的重要性。
在ARC测试期间，电池逐渐加热以评估其自热温度。自加热温度由温度平台指示，其中电池温度由内部放热反应维持。图3c比较了NMC与基于HC//NaFe0.4Mn0.3Ni0.3O2的Sumitomo SIB的ARC测试。LIB的自加热温度较低(165℃)，SIB的自加热温度较高(260℃)，表明SIB具有优异的热稳定性。图3d比较了LCO(钴酸锂离子电池)和LFP与Faradion SIB电池的ARC测试。类似地，SIB显示出自加热的延迟启动和显著较低的自加热速率。由于LIB火灾的案例众多，电池安全对电池运输公司至关重要。尤其是航空公司，有义务遵守有关机载LIB的严格规定，这是在2013年发生两次灾难性LIB故障之后，迫使波音787 Dream班机停飞后修订的。在SIB的情况下，全面的LIB法规已被扩展到SIB来适用。然而，正如安全测试结果所证明的那样，SIB具有出色的热稳定性和滥用耐受性。短路SIB的结果保证了SIB运输法规的重新分类，专家可以借鉴短路非对称电容器的法规，允许作为空运运输。
图3 与商业LIB相比，SIB具有出色的热稳定性和安全性。a) 圆柱形 SIBs 进行钉子穿透测试。b)在钉刺试验后显示无火焰的带有四个热电偶的SIB软包电池。c)与NMC相比，SIB的ARC测试显示SIB的自热温度较高。d)与LCO和LFP相比，SIB的ARC测试显示SIB的自热率较低。
3.5 成本
SIB因其在电网应用中的低成本潜力而引起了人们的兴趣，成本因素一直是讨论不断的一个课题。由于两种储能技术的成熟度不同，基准测试任务变得困难。因此，应对此文中所使用的方法和得出的结果表示理解。Vaalma等人提出了一种简单的方法，其中，LiMn2O2//合成石墨电池的组分被交换以构建假设的NaMn2O2//合成石墨电池。不考虑这样的SIB电池是不可能运行的（因为Na无法嵌入石墨）这一事实，这种方法提供了材料成本的快速和合理的比较。结果表明，与类似的LIB相比，SIB的成本降低了约12.5%。
然而，电池成本分析不是一个简单的材料成本问题，必须从整体角度考虑。电池设计、电极涂层厚度和孔隙率等辅助特性是重要的成本因素，其对成本的影响力度因电池化学性质而异。Novák及其同事应用能源成本模型来比较SIB和LIB的成本。该模型考虑了材料成本、加工成本和管理费用。HC//NVPF SIB电池的成本为320美元kWh-1，而石墨//LFP LIB电池的成本为280美元kWh-1。这表明，在当时尽管SIB每千瓦时的材料成本低廉，但SIB比LIB更昂贵。该成本包含电池处理成本和管理费用，使得该报告日期（2015年）的SIB成本更高。
更详细的电池成本分析基于阿贡国家实验室的BatPac模型。该模型包括电池设计特性、电池折旧以及除材料和加工成本之外的保修费用。许多研究已经在LIB 和最近的SIB成本分析中使用BatPac。Peters等人使用BatPac分析以确定由 Faradion配方活性材料（即HC//NMMT）组成的18650 SIB的成本。SIB、LFP和 NMC电池的计算成本分别为223、229和168欧元每千瓦时。因此，SIB电池比 LFP电池便宜，但不如NMC电池便宜。这些结果突出了电池成本分析的第二个重要因素，即活性材料的能量密度。高能量密度材料在降低每千瓦时的材料成本和达到目标电池能量的加工成本方面具有双重作用。应该注意的是，在三个基准电池中，NMC使用的却是最昂贵的材料。因此，制造具有成本竞争力的SIB的努力应该包括对高能量密度活性材料的探究。
3.6 电动汽车和固定应用
LIB的发展和大规模商业运用是BEV（纯电动汽车）增长背后的动力。虽然LIB的高额定功率允许电动汽车快速加速，但行驶里程受到电池组容量的限制。因为在车辆的底盘内，可容纳电池组的体积有限。电池重量不是BEV设计的首要考虑因素，因为高速公路上的行驶里程受空气动力学影响。因此，BEV的里程焦虑问题可以通过阻力系数较小的车辆和体积能量密度较高的电池来解决。
基于能量成本模型，HC//NVPF SIB的体积能量密度约为400Wh L-1，而特斯拉BEV中使用的石墨//NCA电池的体积能量密度为≈700Wh L-1。很明显，最先进的SIB 也无法很好的在BEV领域中替换LIB。然而，这并不是说SIB找不到这方面的其他应用，例如低速电动车和四轮微型车。中科海钠率先开发了由SIB驱动的低速电动汽车。还值得一提的是分别由Tiamat和Faradion制造的演示电动滑板车和电动自行车。
在固定应用中，电池将在把可再生能源并入电网方面发挥关键作用。如前所述，储能方面电池重量和占地面积虽不是主要因素，但LIB目前发挥主导作用。最近宣布了几个大型电池装置，值得注意的包括SAFT安装的6.6 MWh (5.6 MW) LIB，该装置将成为北欧国家最大的LIB，使用的是Tesla Megapack电池，这是一种容量高达3MWh的容器大小的LIB组。在SIBs方面，中科海钠的100 kWh电池是目前最大的电池组。
电网应用的电池尺寸选择是一个为给定的电网应用或占空比选择正确的电池化学成分的问题。电网应用包括目前市场中的时移、拥塞缓解、灵活爬坡和频率调节。在时移和拥塞缓解应用中，需要高电池容量，而在斜坡和频率调节应用中，需要高电池功率。研究表明，在深放电应用中，SIB和LIB的电能存储效率最高（90%以上），而铅蓄电池和镍镉电池最低。由于每兆瓦时的收入与电池效率成线性比例，因此SIB和LIB的收入期望是最高的，从而解释了对固定应用中LIB的兴趣。然而，SIB的出色性能使得其可以应用在时移领域，因为它们具有如前所述的高DoD和长循环寿命。
4.SIB技术趋势分析与展望
从目前的趋势来看，LIBs确实会面临来自资源的挑战。最终，LIB需求将超过生产限制，导致价格上涨。虽然可以找到其他的锂来源，例如盐水锂矿，但在低浓度盐水中的提取成本过高，大约是当前成本的五倍。其他替代方案是LIB 回收，以及报废BEV电池的电池寿命延长，因为它们在寿命结束时仍剩余约80%的标称容量。值得一提的研究包括例如Umicore的超高温 (UHT) 工艺，LIB的回收能力为每年7000吨，以及欧盟资助的用于二次电池的Circusol项目。但是，需要解决关于在电池回收中使用浸出化学品所带来的环境问题。
然而，SIB技术可以提供可行的替代方案来填充LIB的应用领域，最有前途的是固定储能应用。正如本文所叙述的，原型SIB在能量密度、倍率性能和循环性能方面可与最先进的LIB相媲美。此外，基于热稳定性研究，SIBs的安全特性优于LIBs。尽管SIB通常更便宜，但就目前的材料成本而言，挑战在于将加工成本提高到具有竞争力的水平。目前的策略包括使用厚电极涂层和较低盐浓度的电解质，这两种策略都利用了钠基电解质更高的电导率。当SIB技术达到成熟水平时，形成的规模化产业链经济有望进一步发挥重要作用。我们还应该强调SIB的长循环寿命，这可以抵消高额前期投资，并使它们在大规模固定应用中具有成本吸引力。
基于专利的技术趋势分析通常遵循四个连续的阶段：i）前期（新兴），ii）起飞（成长），iii）加速（成熟），最后 iv）稳定（饱和）。开发前阶段的特点是年度专利数量呈指数增长，而成长阶段的特点是专利数量下降，因为公司已经在对技术进行整合和商业化。对LIB技术的专利趋势分析显示，LIB技术于2009年进入成熟阶段。LIB的饱和阶段仍有待观察，因为电动汽车和固定存储市场中的LIB新的应用领域不断涌现。2017年首次对SIB技术进行了类似的分析。基于每年专利申请一直保持急剧的增长，可以得出结论，SIB技术仍处于新兴阶段。
但自2017年以来，SIB年度专利数量呈下降趋势，标志着进入增长阶段。专利数量的这种下降归因于研究的缩减，因为公司开始专注于商业化。将这些专利趋势与原型SIB中看到的积极结果相结合，有理由期待在不久的将来会迎来商业化SIB。
除了已经提到的公司之外，致力于SIB商业化的初创公司还包括Natron Energy（前身为 Alveo Energy）和 Altris AB。虽然处于资本早期阶段的初创公司正在努力克服“Valley of Death”，但越来越多的公司却展示了积极的迹象。这可能保证了SIB技术在未来几年的成功和商业化。几个欧盟资助的项目，如NAIADES、NAIMA、和Ecodesign Batteries，汇集了欧盟工业、研究机构和高校的贡献以开发SIB。欧盟下一代电池的目标包括长循环寿命、可回收性提高（以用于循环经济）以及关键原材料替代。到2030年，储能成本预计将降至每周期0.05欧元kWh-1以下，SIB技术有望实现这些目标。
就发展蓝图而言，目前不同人似乎有着不同的看法。一些人希望SIBs最终取代 LIBs作为更便宜和资源丰富的替代品，而另一些人则认为没有理由证明替代策略是合理的，而是认为SIBs应该被视为一个单独的电池类别。从LIB的历史发展中吸取的教训可知，很明显电池技术需要有着相匹配的应用，第一批LIB就说明了这一点，它与便携式电子设备一起发展。为了避免为错误放置的政策提供技术解决方案的陷阱，重要的是确定目标应用领域并以最令人满意的长期结果为目标。SIB技术赶上锂离子电池这样的成熟技术无疑是一项艰巨的任务。除此之外，在固态电池、可充电金属-空气电池、离子液体电池和水性电解质电池等领域跨越和超越LIBs是基础研究的另一个机会，可以利用SIB独特的特性用于未来的应用。
5.结论
那么，SIB能否最终取代LIB并获得经济上的竞争力？SIB在短时间内证明了其有着与LIB匹配的性能指标，并有可能在大规模固定应用中取代它们。SIBs以地球丰富的元素为基础发展，能够实现高性价比。SIBs的杰出性能还体现在功率、可循环性、可回收性和安全性（由于可放电到0V下存储和运输）方面。此外，专利趋势的迹象表明，SIB已经从新兴阶段演变到了成长期阶段。然而，由于每千瓦时的高成本以及在应用中与现有技术的直接竞争，SIB面临商业化的严峻挑战。
SIB研究的复兴也离不开对可持续和环境友好的储能解决方案的需求。展望未来，SIB在原型电池商业化成功的基础上赶上LIB是有必要的。SIB与LIB细微的前沿差异可能会推动SIB超越LIB。这些都是基础和应用研究中新发现的潜在途径，还有待开发。
文献来源：Kudakwashe Chayambuka, Grietus Mulder, Dmitri L. Danilov, and Peter H. L. Notten. Advanced Energy Materials. From Li-Ion Batteries toward Na-Ion Chemistries: Challenges and Opportunities
（中国粉体网编译整理/波德）
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