中国粉体网讯 “许多人对钠离子电池寄予厚望，您怎么看待它的前景？”在2021年腾讯WE大会期间，《中国科学报》记者将这一问题抛给了动力电池与储能及燃料电池技术科学家王朝阳。
“钠离子电池是磷酸铁锂电池的‘备胎’。”他简单、直接的回答让记者颇感意外。毕竟，钠离子电池已经在国内引发极大关注。“说它是‘备胎’，是因为其各方面性能与磷酸铁锂非常接近，除非后者的供应链遇到困难，从经济或性能上有必要启用钠离子电池。”王朝阳说。
钠离子电池（图片来源：宁德时代）
钠离子电池工作机理
钠电池的概念，是法国科幻作家凡尔纳于1870年，在著名科幻小说《海底两万里》当中最先提出。小说里，鹦鹉螺号通过取得海水当中的电解质钠，制成钠电池作为能源来驱动前进，因为钠元素来自于海水，属于就地取材。
钠离子电池，是指利用钠离子作为电池内部的电荷主要载体的电池，与锂离子电池类似，属于“揺椅电池”。
钠离子电池工作原理（图片来源：徐鹏晖，《储能界新星--钠离子电池》）
在放电时，离子从负极材料中脱出，向正极移动；而在充电时则相反，钠离子从正极材料中脱出，向负极移动。若以NaxMO2为正极材料，硬碳为负极材料，电池反应原理可表示为：
钠离子电池：“天使”与“魔鬼”并行
钠离子电池与锂离子电池工作原理相同、电池构件相似，因此工艺兼容度高、切换成本低；钠盐电导率明显高于锂盐，电解液具有较高的电导率；钠离子电池的安全性更好，一般不会出现爆炸、起火燃烧等情况；地壳中钠的储量规模极大，在金属储量中位列第四，因此钠离子电池且价格更加便宜；钠离子电池能够在低温环境下实现较好的电量保持，在室外储能场景也有广泛的应用前景。
钠离子电池优势（图片来源：中科海钠）
但是，相比锂离子，钠离子半径更大，在充放电过程中正极材料更易崩塌，这要求正极材料必须有更稳定的结构、有较高的氧化还原电位，才不至于在钠离子脱嵌过程中发生结构坍塌；负极材料方面，常用的石墨虽然便宜好用，但其与钠离子不合，钠离子嵌入后易失去电化学活性；钠离子电池能量密度较低，目前主要应用在中低速电动车和大规模储能领域。
钠离子电池研究
正极材料：主要分为层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物三大类，这三类材料各有特色，但也都存在需要解决的关键性问题。层状氧化物可以取得较高的能量密度，但需要改进空气稳定性问题；聚阴离子化合物循环较为稳定，寿命长，但其成本较高；普鲁士蓝化合物价格低廉，能量密度高，但由于本身结构中结晶水的影响，需要提高其循环稳定性。目前学术界对于钠离子电池的研究主要也集中在正极材料上。
负极材料：不同于锂离子电池的石墨系负极材料，钠离子电池负极材料一般为硬碳、软碳、复合碳等无定形碳材料。
电解液：钠离子电池电解质盐一般为NaPF6，电解液合成方法与LiPF6基本相同，但电解液盐浓度会更低；溶剂一般为EC、DMC、EMC、DEC和PC等溶剂组成的二元或多元混合溶剂体系。由于原材料的原因，钠离子电池电解液规模化供应后与锂离子电池相比成本会更低。
隔膜：目前常用的隔膜主要为PP、PE、PP/PE以及PP/PE/PP隔膜、陶瓷隔膜、涂胶隔膜等。目前规模化生产的隔膜孔径均远大于钠离子的溶化剂半径，满足钠离子电池的使用需求。
集流体：锂离子电池负极只能使用铜箔，而钠离子电池负极可以使用铝箔作为集流体。
极耳：钠离子电池正负极均可以使用铝极耳，相比较锂离子电池的铜镀镍极耳或镍极耳成本有所降低；且铝极耳焊接工艺更简单，也可以降低部分制造成本。
钠离子电池应用
钠离子电池虽然被王朝阳称之为“备胎”，不过，它觉得自己还能挣扎一下。目前，钠离子电池已逐步开始了从实验室走向实用化应用的阶段，国内外已有30多家企业，包括钠离子电池“三大家”--英国的Faradion、法国Tiamat、我国的中科海钠，还有美国的Natron、日本岸田化学等，正在进行钠离子电池产业化的相关布局，并取得了重要进展。
英国Faradion公司是全球第一家专注钠离子电池产业化的企业，于2011年由牛津大学的Jerry Barker博士、Chris Wright博士和Ashwin Kumaraswamy创立，旨在开发钠离子技术并将其推向市场。Faradion研发的钠离子电池为层状金属氧化物/硬碳的有机电解液体系，优先开发低成本高能量密度的电池。2020年4月20日，Faradion宣布已收到澳大利亚ICM公司的第一批高能钠离子电池订单，供澳大利亚市场使用；2020年6月3日，Faradion宣布与印度基础设施物流技术公司（IPLTech）建立新的合作伙伴关系，其高能钠离子电池用于印度市场商用车；2021年3月10日，总部位于英国的电池制造商AMTE Power和Faradion宣布合作，将Faradion的知识产权与AMTE Power的设计和制造能力相结合，这次合作使钠离子电池技术能够纳入一系列可再生能源应用，包括住宅能源储存、商业微电网、风力涡轮机和潮汐能储存；2021年7月10日，AceOn公司已获得英国创新计划100万英镑的资助，以加快其移动太阳能存储单元的开发工作，AceOn新设计的产品将使用Faradion的钠离子电池，这是Faradion的技术首次在撒哈拉以南的非洲商业使用；2021年年底，Faradion被印度信实工业收购。
作为中国首家钠离子电池企业，中科海钠公司依托中国科学院物理所的优势科研力量，已率先实现钠离子电池在电动自行车、低速电动车和储能电站上的示范应用。2019年在江苏溧阳建成并示范运行了全球首座100kWh钠离子电池储能电站，2021年与华阳新材料合作的全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统也在山西太原成功投入运行，标志着我国在钠离子电池产业化上走在了世界前列。2021年12月中旬，中科海钠与三峡集团及阜阳市人民政府达成合作，共同建设全球首条钠离子电池规模化量产线，该产线规划产能5GWh，分两期建设，一期1GWh计划于2022年正式投产。
钠离子电池储能电站（图片来源： 中科院物理所 ）
除中科海纳外，宁德时代、欣旺达、鹏辉能源、钠创新能源等国内电池企业也纷纷入局，与容百科技、格林美等多家锂电池材料企业同步展开钠离子电池材料的研发和产业化探索。
钠离子电池研究与产业化：任重而道远
随着锂电池被广泛应用和普及，人们开始担忧锂资源的短缺问题。而成本低、资源丰富、综合性能较好的钠离子电池作为一种重要储能技术，近十年来受到国内外学界和业界的广泛关注且发展迅速。目前，钠离子电池已逐步从实验室走向应用，但钠离子电池的产业化依然需要着眼于解决关键基础科学问题和工程技术问题。
一是钠电池中的相关材料，特别是正极材料性能有待进一步优化，高性能新型电极材料的开发也势在必行，用以支撑钠离子电池的工业化应用和可持续迭代；二是要完善钠离子电池技术，要有针对性地开发并优化适用技术，以满足未来更大规模的生产制造需求；三是电池管理系统的开发，可以进一步提升电池组整体寿命和安全性；四是应该尽快制定相关标准，保证其规范发展。
尽管对钠离子电池持“备胎论”观点，王朝阳也觉得钠离子电池仍将是动力电池多元化比较重要的元素。为了保证供应链的安全，我们必须坚持对钠离子电池的研发，特别是科研院所、国企、大学等要持续研发，因为即便是‘备胎’，有一天也许就会用上。
参考资料：
中国科学报、北京科技报、中国粉体网
1、丁玉寅等，《钠离子电池正、负极材料研究进展》
2、徐鹏晖，《储能界新星--钠离子电池》
3、马琳等，《推动我国钠离子电池产业化路径探析》
4、张平等，《钠离子电池储能技术及经济性分析》
5、向鹏，《领跑世界钠离子电池技术--访中科院过程所研究员赵君梅》
（中国粉体网编辑整理/长安）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
