今天，寧德時代透露，將于明天下午發布鈉離子電池，這意味著動力電池技術將迎來又一次重大革新。

那么什么是鈉離子電池呢？為什么要研究鈉離子電池呢？鈉離子電池又有什么優劣勢呢？

1、行業背景

鈉離子電池在20 世紀70 年代末、80 年代初得到關注, 但因鋰離子電池優異的電化學性能而沒有得到廣泛研究。但隨著電動汽車、智能電網時代的到來, 鋰資源短缺將成為制約其發展的重要因素。

因此, 亟需發展下一代綜合性能優異的儲能電池體系，鈉離子電池就被大家重新記起。

2、什么是鈉離子電池？

鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理，正負極由兩種不同的鈉離子嵌入化合物組成。

充電時，Na＋從正極脫出經過電解質嵌入負極, 同時電子的補償電荷經外電路供給到負極, 保證正負極電荷平衡。放電時則相反, Na＋從負極脫嵌, 經過電解質嵌入正極。 

在正常的充放電情況下, 鈉離子在正負極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學結構。從充放電可逆性看, 鈉離子電池反應是一種理想的可逆反應。    

圖2 鈉離子電池工作原理

3、為什么要研究鈉離子電池？

可以總結為四個字，成本控制。

眾所周知，鋰離子電池材料中常用的鈷和鎳等重金屬元素，不僅資源稀有、價格昂貴，而且對環境也有不利影響。

特別需要指出的是，合成正極材料都需要相當比例的含鋰前驅體，而鋰的資源十分有限，隨著鋰離子電池應用范圍的快速擴展，必然會出現鋰鹽供不應求的局面。

其實，近年來由于我國電動汽車產量快速增長，導致鋰離子電池產能的提升，從而出現碳酸鋰價格飛漲的局面。

可以預期，鋰離子電池原材料成本難以大幅降低，將使其在大規模儲能中的應用受到限制。

4、鋰資源有限

對于鋰離子電池材料，含鋰前驅體主要形式為碳酸鋰。碳酸鋰有兩種來源：礦石和鹽湖。鋰礦石主要以鋰輝石、鋰云母及磷鋁石礦的形式存在。從鹽湖鹵水提取生產的鋰化學產品主要是碳酸鋰或氯化鋰。

美國地質調查局的數據顯示，目前全球已探明的鋰資源量（金屬鋰當量）為3950萬噸，其中幾乎73%集中分布在南美洲少數國家。全球可開采鋰資源儲量約為1350 萬噸（以碳酸鋰當量計算約為7100 萬噸），近兩年鋰資源的年平均開采量為3.5萬噸，即便如此預計也僅可供開采385年，更何況目前每年的鋰資源開采量正逐漸增加。

表1 和圖3 展示了全球主要鋰資源國家分布、產量及儲量情況。

表1 全球鋰資源產量、分布及儲量情況               

圖3 世界主要鋰資源國家產量和儲量

統計數據顯示，目前全球一年鋰資源的消耗量大約是3 萬噸（以金屬鋰計算），其中約有1萬噸是用于電池領域，也就是說在鋰的下游用途中，用于電池領域的鋰資源約占總量的30%。

在電動汽車中，鋰離子電池成本約占總成本的一半（現在比例有些下降），而在鋰離子電池成本中，占比最大的是正極材料，一般占30%～40%。

截至2020年底，全國新能源汽車保有量達492萬輛，占汽車總量的1.75%，比2019年增加111萬輛，增長29.18%。其中，純電動汽車保有量400萬輛，占新能源汽車總量的81.32%。新能源汽車增量連續三年超過100萬輛，呈持續高速增長趨勢。

可以預見，未來對于鋰資源的消費增量無疑是巨大的。

雖然目前鋰資源的消耗還遠未枯竭，但是我們應該居安思危，將寶貴的鋰資源留給對比能量要求更高和高附加值的便攜式電子器件和電動汽車產業，盡早研發下一代在資源和成本上都更有優勢的新型儲能電池—鈉離子電池。

5、鈉電池的優勢

眾所周知，金屬鈉元素在地殼中儲量相對豐富（地殼中鈉含量約為2.75%，而鋰含量約為0.065‰，圖2），且分布區域廣泛（鈉分布于全球各地，而約70%的鋰卻集中分布在南美洲地區）。

同時，鈉和鋰的物理化學性質相似且脫/嵌機制類似，因此鈉離子電池的研究與開發有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發的儲能電池發展受限問題。

除了資源豐富易得、成本低廉、分布廣泛的優勢外，和鋰離子電池相比，鈉電池更具有安全優勢，鈉電池熱失控溫度高于鋰電池，且更容易鈍化、氧化，不易產生易燃現象，而這正是鋰電池的主要弊端。

在電池體系中，鈉不會與鋁發生電化學合金化反應，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負極集流體（替代鋰離子電池體系中銅箔集流體），這樣可以有效避免過放電引起的集流體氧化問題，既有利于電池的安全，又達到了進一步降低電池成本的目的。

另一方面，鈉電池充電速度比鋰電池要快許多，在高溫、低溫等條件下都能穩定充放電，優于鋰電池。

而且鈉電池的制造成本更低廉，這也是它被當成鋰代替品的重要原因。

6、鈉電池的劣勢

當然鈉離子電池也存在著不可忽視的缺陷，如鈉元素的相對原子質量比鋰元素大很多，而且鈉離子半徑比鋰離子半徑大，這使得鈉離子電池的能量密度和功率密度比鋰離子電池要低。

不過，在規模儲能應用中對電池能量密度的要求并不是太高，其成本和壽命則是關心的重點。可以斷言，鈉離子電池在大規模儲能應用領域擁有比鋰離子電池更大的市場競爭優勢。

鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的工作機理, 而鋰離子電池發展相對成熟, 目前, 借鑒鋰離子電池電極材料制備相應的鈉離子電池電極材料成為一種主要研究方法并在一定程度上展現了較好的電池性能。

但是,鈉離子電池在發展的過程中也存在幾個關鍵問題亟待解決:

第一, 鈉離子電池是一種有別于鋰離子電池的電池體系, 將鋰離子電池電極材料直接應用到鈉離子電池的研究上是一種捷徑, 但尋找新的具有高能量密度和功率密度的正極材料, 同時尋找在循環過程中體積變化小的負極材料, 提高電池的循環穩定性, 才是提高鈉離子電池性能的重要途徑, 也是使鈉離子電池早日應用到大規模儲能的關鍵。

第二, 目前對于鈉離子電池電極材料的合成方法比較單一, 傳統的固相法和凝膠溶膠法是主要的制備方法, 且對電極材料的改性研究較少. 尋找更簡單高效的合成方法, 同時對性能較好的材料進行改性研究也是提高鈉離子電池性能的一條途徑。

第三, 安全問題是制約鋰離子電池發展的重要因素, 而鈉離子電池同樣面臨安全問題, 因此, 大力開發新的電解液體系,研究更為安全的凝膠態及全固態電解質是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

7、電動勢有話說

為使鈉離子電池盡早大規模應用, 理論和實驗實踐需得到更深層次的挖掘. 隨著鈉離子電池研究的深入, 將會開發出新的材料, 電池的容量和電壓將會進一步得到提升, 鈉離子較低的成本, 使得鈉離子電池有望應用在智能電網或可再生能源的大規模儲能中。

對于寧德時代這次對外發布鈉離子電池，我覺得并不代表它的電池技術已經可以和鋰電池相比，應該說是面對現階段鋰電池資源缺陷和價格上漲的一種新型策略。

目前鈉離子電池發展相當于七八年前的鋰離子電池的水平，在學術界鈉離子電池目前還沒有很大的突破。鈉離子電池幾年內還很難大規模生產。技術成熟有一個過程，目前其價格會比鋰離子電池貴。當前研發的鈉離子電池應用大概率是面向儲能、基站、低速車、低端乘用車等市場。

不管怎樣，鈉儲量比鋰豐富，鈉電池作為技術儲備、保障能源安全具有重大戰略意義，但同時，目前也不應過分高估其商業價值。

參考文獻：

[1]U.S.Geological.Survey.Mineral.commodity.summaries[R]. 2015：94-95.

[2] 朱晟,彭怡婷,閔宇霖,劉海梅,徐群杰.電化學儲能材料及儲能技術研究進展[J].化工進展:1-18[2021-07-14].

[3] 李慧,吳川,吳鋒,白瑩.鈉離子電池:儲能電池的一種新選擇[J].化學學報,2014,72(01):21-29.

[4] 方錚,曹余良,胡勇勝,陳立泉,黃學杰.室溫鈉離子電池技術經濟性分析[J].儲能科學與技術,2016,5(02):149-158.

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