中国粉体网讯 2021年7月29日，宁德时代通过首场线上发布会推出第一代钠离子电池。新的钠离子电池能否在动力电池市场领域与三元锂电池、磷酸铁锂电池的竞争中脱颖而出？
“预言家”凡尔纳为何在钠离子电池上“失算”？
相信很多人最初接触到钠离子电池这个概念就是通过宁德时代的这场发布会。或许有一部分人知道，钠离子电池最初是和锂离子电池于上世纪70年代一起诞生的。但大部分人想不到的是，钠电池的概念，其实最早是由法国科幻作家凡尔纳1870年在著名科幻小说《海底两万里》当中提出的。在小说里，潜水艇鹦鹉螺号通过取得海水当中的电解质氯化钠，制成钠电池作为能源来驱动前进。
想必大家对《海底两万里》高超的预言能力有所耳闻，归功于凡尔纳天马行空的想象力和良好的科学素养，书中预言的电击枪、潜水服、海底隧道都在后面一一实现，但钠电池却迟迟没有出现。尽管到了上世纪70年代，可以被称为钠离子电池的电池已被真正地研发出来，但却迟迟没有进入平常人的生活中。而与钠电池同时代诞生的，还有如今社会必不可少的锂电池。
如今四十多年过去了，锂电池早已广泛应用到生产生活当中，比如作为动力电池成为新能源汽车的核心部件；但钠电池的发展却不怎么顺利，长期以来只有一些高温的钠离子电池小范围应用在储能电站、低速车领域，甚至到2011年，关于室温钠离子电池的研究才开始复兴，最近几年才有公司尝试将产品商业化。
钠离子电池，简称钠电池，顾名思义就是用钠离子作为驱动的电池。通过钠离子在电池的正负极之间“游来游去”实现电荷移动的一种动力电池。
钠离子电池为何曾经一度被冷落？这其实与它的化学属性有非常直接的关系。实际上，钠电池与锂电池之所以会一起诞生，是因为它们的工作原理都是相似的。而锂元素的原子量是6.94，在金属中最轻；此外，锂元素的比容量也是金属中最高，同时其电化学当量最小。这意味着，锂电池理论上能够获得最大的能量密度。在电池领域，如果暂不考虑安全和成本因素的话，能量密度就是最能代表电池性能的指标了。因此，锂电池在当时就是研发者眼中的首选。而钠离子电池，则一度被科研人员遗忘在角落，直到2010年后室温钠离子电池才重返研究人员的视野。
翻看元素周期表，锂离得最近的金属元素就是钠。它们都位于周期表的第一列，最外层电子数相同，化学性质相似，所以都能形成第一氧化态，作为电荷搬运工驱动电池充放电。但是，与锂离子电池相比，钠离子电池的缺陷十分明显。首先就是能量密度，原因是钠离子比锂离子重，电负性没有锂低，因此相同的电极材料通常比相应的锂离子具有较低的电压和较低的比容量，从而导致电池的能量密度较低。另一方面，由于钠离子半径（0.102nm）比锂离子半径（0.076nm）大30%以上，钠离子在刚性结构中相对稳定，难以可逆脱嵌。即使能发生脱嵌，钠离子的嵌入和脱嵌动力学非常缓慢，容易引起电极材料结构不可逆的相变，降低电池的循环性能。
这就导致先进的三元锂电池能量密度已经在200Wh/kg以上时，钠离子电池仅100-150Wh/kg，即使宁德时代最新发布的先进钠离子电池能量密度可以达到160Wh/kg，与锂离子电池的差距也很明显。
这样一来，在科学技术尚不发达的上世纪80年代，锂离子电池和钠离子电池走上了截然不同的道路：前者迅速商业化，成为消费市场必不可少的用品，后者则完全进入了停滞状态。
如今，宁德时代发布的钠离子电池，让更多人看到了这项“命途多舛”的技术，也让将来动力电池未来的发展之路，多了一个强有力的“潜在竞争者”。
钠与锂的一较高下
前面讲了许多钠不如锂的地方，但实事求是地来讲，这对钠离子电池并不公平。钠电池不可能是一无是处，否则也不可能会有人在锂电池如日中天的时候去研究钠电池。据中国粉体网了解，简单来说，钠电池至少有两个方面要胜过锂电池一筹。
首先在储备量方面，锂资源的储量有限。数据显示，目前70%的锂资源分布在南美洲，而现阶段我国80%锂资源依赖进口。随着传统汽车向新能源汽车转型，锂资源的需求量越来越高，锂元素的价格也一路飙升。中国工程院院士陈立泉就曾明确表示，如果全世界的车都使用锂离子电池，锂根本不够，一定要考虑新的电池。而钠不同。众所周知，人们每天都会接触到的食盐就是氯化钠，钠资源储量十分丰富。以中国察尔汗盐湖为例，仅仅一个盐湖里的氯化钠储量就高达426.2亿吨，已经是全球锂资源储量的一百多倍了。而原材料资源来源丰富，又会带来成本上的降低。
其次，我们知道，现在的锂电池并不是完美无缺的。锂电池的起火爆炸风险非常高，从过去十几年大量的锂电池起火报告和航空地铁等部门对锂电池的严格管制中可窥得一斑。在使用属性上，尽管钠离子能量密度不佳，但它的化学性能相对稳定，所以它对温度并不敏感，不容易形成锂枝晶那样坚硬的枝晶，在抗低温和安全性上较同类别的锂离子电池也有明显的优势。并且，钠离子电池可以安全的放电到0V来进行存储和运输而不影响其电池容量，更是大幅提高了钠电池的安全性。
所以，在国际竞争加剧，全球能源转型、碳减排碳中和的大背景下，开发钠电池这样一条全新的产品路线，有非常丰富的政治和经济利益。因此，宁德时代着手开发钠离子电池，也是为了顺应时代的需求。
宁德时代的钠电池有什么特点？
据中国粉体网了解，早期的钠离子电池正极一般是用普鲁士白和层状氧化物两类材料，钠离子虽然能够穿行，但是如未加特殊改性或修饰，在循环过程中材料结构会遭到破坏，导致电池容量会快速衰减，最终体现的性能便是循环寿命过低。于是宁德时代针对这一点，用全新思路开发的钠电池诞生了。对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减难题。在负极材料方面，开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性，并给正负极材料优化了相适配的电解液。这样一来，让钠离子既可以在正负极之间自由穿行，又不至于过度地衰减能量。并且锂离子电池的生产线也可以用来生产钠电池，很好地控制了成本。
按照宁德时代对外发布的数据，技术优化以后的钠离子电池，单体能量密度已经达到了160Wh/kg，几乎达到磷酸铁锂电池（150-210Wh/kg）的标准。在常温下充电15分钟，电量可达80%；而在零下20℃低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。同时在系统集成效率方面，也可以达到80%以上。
“充电快”“耐低温”“高集成效率”几个关键词直击当下锂离子电池的痛点，也让人们看到了新能源车续航问题的解决希望，以及动力电池未来的全新发展思路。
锂退幕，钠上位？
那么，在宁德时代推出了新的钠电池后，钠电池是否有希望在动力电池领域占有锂电池的市场份额甚至最终代替锂电池？其实，据中国粉体网了解，尽管现在的钠电池已经展现出了部分优于锂电池的性能，但是钠电池现在向动力电池领域“大举进犯”仍然为时尚早。
究其原因，首先就是钠电池的一个本征属性难以改变，那就是能量密度低。由于钠离子的半径、重量以及电负性等原因，钠电池很难达到同等技术条件下锂电池的能量密度。虽然上文提到宁德时代发布的钠电池的能量密度已经接近磷酸铁锂电池，但是要知道现在动力电池的高端领域用的多数是三元锂电池，三元锂电池的能量密度要更高，当前量产的三元电池的电芯能量密度普遍在200Wh/kg以上，高镍体系甚至超过250Wh/kg，对于钠电池的领先优势比较显著，钠电池目前难以望其项背。因此，仅从能量密度考虑，钠电池有望首先替代铅酸和磷酸铁锂电池主打的启停、低速电动车、储能等市场，但较难应用于电动汽车和消费便携电子等领域，在这两大领域锂电池仍将是主流选择。
其次，钠电池目前的循环寿命相比锂电池仍然较短。由于钠离子半径比较大, 大量的嵌入或脱出钠离子会使材料发生很大的体积膨胀或收缩，容易诱导电极材料发生不可逆的结构变化，从而使高容量钠离子电池表现出不足的循环寿命。据中信证券的统计，主流的钠离子电池循环寿命仅1000~1500次，只有宁德时代和中科海钠两家的产品寿命可达3000次。最先进的钠电池勉强能追平三元电池，但也不及磷酸铁锂电池。
最后，尽管钠电池的理论成本要明显低于目前市面上的任何一种锂电池，但由于钠电池的生产技术尚不成熟以及产业链不完整等原因，导致目前的钠电池成本并没有对锂电池产生优势。
对此，中国粉体网认为，钠电池和锂电池之间不是简单的“替换”的关系。在动力电池领域，二者之间确实存在一定的竞争，但是也有各自更偏向的领域。将来，随着钠电池技术的逐步成熟和产业链的形成，以及锂资源的日益短缺，钠电池有望在动力电池的低速低端领域中替代锂电池，而锂电池则继续在高速高端领域中发挥作用。
参考来源：
1. 容晓辉，陆雅翔等. 钠离子电池：从基础研究到工程化探索
2. 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
3. 宁德时代官网
（中国粉体网编辑整理/波德）
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