鈉離子電池

       2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

       研究人員將這種特定的材料定位商業(yè)機(jī)密，LITEN合作研究員Lo?c Simonin指出：“其能量密度可與磷酸鐵鋰等鋰離子電池相匹敵”。

       鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲(chǔ)量更豐富，價(jià)格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當(dāng)對(duì)重量和能量密度要求不高時(shí)，鈉離子電池是一種劃算的替代品。 

       與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢(shì)有：

       （1）鈉鹽原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；

       （2）由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液20%左右）降低成本；

       （3）鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，可以進(jìn)一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

       （4）由于鈉離子電池?zé)o過放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但是其成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

工作原理

       在充放電過程中，Na+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫出：充電時(shí)，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。

       新款18650鈉離子電池，借助了鈉離子轉(zhuǎn)移（而不是鋰離子）來存儲(chǔ)和釋放電能。

研究歷史

       鈉離子電池研究最早開始于上世紀(jì)八十年代前后，早期被設(shè)計(jì)開發(fā)出來的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學(xué)性能不理想，發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。2010年以來，根據(jù)鈉離子電池特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列正負(fù)極材料，在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升，如作為負(fù)極的硬碳材料、過渡金屬及其合金類化合物，作為正極的聚陰離子類、普魯士藍(lán)類、氧化物類材料，特別是層狀結(jié)構(gòu)的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展現(xiàn)了很好的充放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。 

       由于鈉離子相對(duì)更大，需要更大的能量來驅(qū)動(dòng)離子的運(yùn)動(dòng)，這方面一度是新電池技術(shù)最頭疼的問題，直到科學(xué)家們像碳芯電池一樣，采用碳作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，使得鈉離子電池的能效可以達(dá)到鋰電池的7倍之多，而且可循環(huán)充電的次數(shù)更多。此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項(xiàng)難題也被攻克。

       中科院物理所胡勇勝研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自2011年起致力于安全環(huán)保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)研發(fā)，開發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負(fù)極材料、低鹽濃度電解液，其核心專利獲得中國、美國、日本及歐盟授權(quán)。2017年，建成百噸級(jí)正、負(fù)極材料中試線，兆瓦級(jí)產(chǎn)能的電池線，研制出能量密度為150 Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)4500周 [8]的鈉離子電池，并先后完成電動(dòng)自行車、全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車和首座100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站示范應(yīng)用和全球首座1MWh鈉離子電池光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng) [9]研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿足自行車等各類低速電動(dòng)車及電動(dòng)船的需求，也可用于家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、5G基站和數(shù)據(jù)中心后備電源，且適合應(yīng)用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。

       2015年11月30日，法國一支研究團(tuán)隊(duì)在可充電電池材料上取得了一項(xiàng)重大進(jìn)步，“18650”鋰電池被普遍用于筆記本、LED手電、以及特斯拉Model S汽車等設(shè)備上，但法國國家科學(xué)研究中心的研究人員們首次開發(fā)出了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的18650規(guī)格的鈉離子電池。

       上海交通大學(xué)馬紫峰教授研究小組在國家自然科學(xué)基金委和國家973計(jì)劃支持下，從工業(yè)化應(yīng)用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對(duì)[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性，制備了無粘結(jié)劑的高電導(dǎo)特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環(huán)條件下，獲得良好的容量和循環(huán)性能。該研究小組還采用廉價(jià)的普魯士藍(lán)類材料（NaMFe(CN)6），通過優(yōu)化晶體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了高容量、長循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達(dá)118.2 mAh/g （10 mA/g）。在國際上首次將該材料與硬碳負(fù)極材料制備了儲(chǔ)能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達(dá)到了81.72 Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲(chǔ)能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

       2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上。這種正極材料制成的電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克，而市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時(shí)每克。充放電過程中，這種正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達(dá)94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標(biāo)準(zhǔn)約為80%。

       2021年7月29日消息，寧德時(shí)代正式推出鈉離子電池。寧德時(shí)代稱，總體來看，第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池，但在低溫性能和快充方面，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，特別是在高寒地區(qū)高功率應(yīng)用場景。 

       2020年11月，中科院物理所胡勇勝研究員與中外團(tuán)隊(duì)合作的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界學(xué)術(shù)刊物《Science》上發(fā)表，該研究提出了一種簡單的預(yù)測(cè)鈉離子層狀氧化物構(gòu)型的方法，并在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設(shè)計(jì)和制備提供了理論指導(dǎo)。該研究成果入選2020年度中國科學(xué)十大進(jìn)展30項(xiàng)候選成果。 

       2020年12月，胡勇勝團(tuán)隊(duì)匯集近十年在鈉離子電池基礎(chǔ)研究和工程化探索中取得的研究進(jìn)展，結(jié)合國內(nèi)外專家學(xué)者近四十年在鈉離子電池技術(shù)領(lǐng)域取得的杰出成果，組織撰寫了《鈉離子電池科學(xué)與技術(shù)》，系統(tǒng)總結(jié)了鈉離子電池的研究現(xiàn)狀，集中探討鈉離子電池的關(guān)鍵問題。

       2022年4月19日，湖南立方新能源科技有限責(zé)任公司舉行第一代鈉離子電池發(fā)布會(huì)。第一代鈉離子電池15分鐘充電80%以上，有望在儲(chǔ)能型新一代電池發(fā)展中占據(jù)先機(jī)。立方第一代鈉離子電池采用自主合成層狀氧化物正極和商用高首效硬碳負(fù)極，具有高充放電倍率、高安全可靠以及優(yōu)異的低溫性能。

       2022年11月29日上午，全球首條吉瓦時(shí)（GWh）級(jí)鈉離子電池生產(chǎn)線產(chǎn)品下線儀式在安徽省阜陽市舉行。

納電池和鋰電池比較

       鈉離子電池與鋰離子電池相比較，各有其優(yōu)勢(shì)和不足，以下是對(duì)兩者的詳細(xì)比較：

一、能量密度

       鋰離子電池具有更高的能量密度。鋰元素是最輕的金屬元素，因此具有先天的優(yōu)勢(shì)。在相同體積或質(zhì)量下，鋰離子的能量密度比鈉離子高1.8倍。

二、壽命

       鋰離子電池的壽命更長。鋰離子電池經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)成熟，充放電循環(huán)壽命最高可達(dá)2000-3000次以上。而鈉離子電池由于鈉離子的原子質(zhì)量和半徑大于鋰離子，在反應(yīng)過程中嵌入和脫出的難度更大，循環(huán)壽命相對(duì)較短。

三、安全性

       鈉離子電池更安全。鈉離子電池具有較寬的工作溫度區(qū)間，即使在高溫下也不容易發(fā)生熱失控。此外，由于鈉離子電池的短路電流和瞬間發(fā)熱量更小，因此更不容易引起火災(zāi)或自燃。

四、成本

       鈉離子電池成本更低。鈉離子電池的原材料資源儲(chǔ)備豐富，價(jià)格低廉，因此在制造過程中的成本可以大幅降低。然而，目前受限于技術(shù)難題，鈉離子電池的成本優(yōu)勢(shì)還只存在于理論上，未來隨著技術(shù)的進(jìn)步和規(guī)模化生產(chǎn)，這一優(yōu)勢(shì)有望轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)。

五、充電速度

       鈉離子電池的充電速度可能更快。雖然鋰離子電池和鈉離子電池的充電速度都受到多種因素的影響，但鈉離子電池在某些情況下可能具有更快的充電能力。例如，有研究表明，在常溫下，鈉離子電池充電15分鐘電量可達(dá)80%以上。

六、發(fā)展前景

       鈉離子電池具有更大的發(fā)展前景。鋰離子電池已經(jīng)遇到發(fā)展瓶頸，技術(shù)難以有較大的突破。相比之下，鈉離子電池的發(fā)展剛剛開始，隨著更多企業(yè)進(jìn)入鈉離子電池領(lǐng)域和技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來鈉離子電池的壽命短、能量密度低的問題有望得到解決。

       綜上所述，鈉離子電池與鋰離子電池在能量密度、壽命、安全性、成本、充電速度和發(fā)展前景等方面各有優(yōu)劣。具體選擇哪種電池取決于應(yīng)用場景、性能需求和成本考慮等多種因素。

優(yōu)缺點(diǎn)

       鈉離子電池作為一種新興的電池技術(shù)，具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。以下是鈉離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)概述：

優(yōu)點(diǎn)

       1、資源豐富：鈉是地球上豐度較高的元素，其儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉。這使得鈉離子電池在原材料成本方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

       2、安全性高：鈉離子電池使用低濃度的電解液，且鈉離子比鋰離子更穩(wěn)定，不會(huì)在電極表面形成枝晶，從而減少了短路或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。此外，鈉離子電池在高溫和低溫環(huán)境下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升了其安全性。

       3、快速充電：鈉離子電池具有較高的充電速度，這對(duì)于需要快速補(bǔ)能的電動(dòng)車和其他應(yīng)用領(lǐng)域來說是一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。

       4、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：鈉離子電池可以在各種氣候條件下使用，不完全依賴于復(fù)雜的調(diào)控設(shè)備，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

       5、成本效益：由于鈉元素資源豐富且價(jià)格低廉，鈉離子電池的生產(chǎn)成本相對(duì)較低，有助于降低終端產(chǎn)品的售價(jià)，提高市場競爭力。

       6、儲(chǔ)能潛力大：鈉離子電池在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用前景廣闊，特別是在智能電網(wǎng)、可再生能源并網(wǎng)以及電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，能夠平衡電力供需、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

缺點(diǎn)

       1、能量密度較低：相較于鋰離子電池，鈉離子電池的能量密度較低。這意味著在儲(chǔ)存相同能量時(shí)，鈉離子電池的體積和重量會(huì)更大，對(duì)于便攜式電子設(shè)備和新能源汽車來說是一個(gè)不利因素。

       2、循環(huán)壽命相對(duì)較短：鈉離子電池的循環(huán)壽命相對(duì)較短，這主要是因?yàn)槌浞烹娺^程中鈉離子在正負(fù)極材料中的嵌入和解嵌會(huì)導(dǎo)致材料的體積變化，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞和性能衰退。

       3、技術(shù)成熟度不足：鈉離子電池作為一種新型電池技術(shù)，其相關(guān)技術(shù)仍處于較為早期的階段。目前市場上鈉離子電池的產(chǎn)品種類相對(duì)較少，性能也有待進(jìn)一步提升和優(yōu)化。

       4、市場認(rèn)可度有待提高：由于鈉離子電池的技術(shù)成熟度和市場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，部分用戶對(duì)其性能和可靠性持觀望態(tài)度。因此，提高市場認(rèn)可度是鈉離子電池未來發(fā)展的重要方向之一。

       綜上所述，鈉離子電池在資源豐富、安全性高、快速充電等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但也存在能量密度低、循環(huán)壽命短、技術(shù)成熟度不足等缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的不斷開拓，鈉離子電池有望在未來發(fā)揮更加重要的作用。

電動(dòng)車

       鈉離子電池電動(dòng)車是近年來隨著電池技術(shù)發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電動(dòng)車。鈉離子電池作為一種新興的電池技術(shù)，對(duì)新能源汽車產(chǎn)業(yè)有著重要的影響和意義。以下是對(duì)鈉離子電池電動(dòng)車的詳細(xì)介紹：

一、鈉離子電池的工作原理與特點(diǎn)

       工作原理：鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，都屬于搖椅式電池，即利用正負(fù)極之間的鈉離子來回穿梭實(shí)現(xiàn)充放電。具體來說，當(dāng)電池充電時(shí)，鈉離子從正極移動(dòng)到負(fù)極，電子則通過外部電路移動(dòng)到負(fù)極；放電時(shí)，過程正好相反。

       主要特點(diǎn)：

       資源優(yōu)勢(shì)：鈉是地殼中含量最高的金屬元素之一，豐度是鋰的400多倍，分布廣泛，價(jià)格低廉。鈉離子電池正極不需要使用稀有貴金屬如鈷、鎳等，降低了對(duì)資源的依賴和成本。

       成本優(yōu)勢(shì)：鈉離子電池的原料成本低，且可以使用鋁箔作為負(fù)極集流體，比銅箔更便宜。此外，由于鈉離子電池與鋰離子電池工作原理、結(jié)構(gòu)類似，可以利用現(xiàn)有的鋰電產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)，節(jié)省設(shè)備投入。

       安全優(yōu)勢(shì)：鈉離子電池內(nèi)阻稍高，短路時(shí)發(fā)熱量少、溫升低，在過充、過放、短路、針刺、擠壓等測(cè)試中未出現(xiàn)起火或爆炸。鈉離子電池還可以實(shí)現(xiàn)0V運(yùn)輸，降低運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)。

       環(huán)境優(yōu)勢(shì)：鈉離子電池不含有毒重金屬元素，廢棄后易于回收處理，對(duì)環(huán)境友好。

       低溫性能：相比鋰離子電池，鈉離子電池在低溫狀態(tài)下有更好的性能表現(xiàn)，電池容量保持率更高。

       快充能力：鈉離子電池的充電時(shí)間更快，例如寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上。

二、鈉離子電池電動(dòng)車的發(fā)展與應(yīng)用

       市場趨勢(shì)：隨著鋰資源的緊張和價(jià)格的波動(dòng)，以及新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)﹄姵匦枨蟮脑鲩L，鈉離子電池重新受到了重視和投入。多家企業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池的量產(chǎn)或試裝車，鈉離子電池電動(dòng)車市場逐漸興起。

       實(shí)際應(yīng)用：國內(nèi)外多家企業(yè)已經(jīng)推出了搭載鈉離子電池的電動(dòng)車型。例如，雅迪、臺(tái)鈴、新日等品牌已經(jīng)推出了鈉電池電動(dòng)車，并獲得了市場的好評(píng)。此外，寧德時(shí)代等電池供應(yīng)商也在積極推動(dòng)鈉離子電池在電動(dòng)車領(lǐng)域的應(yīng)用。

       價(jià)格與性價(jià)比：鈉離子電池電動(dòng)車的價(jià)格通常介于鉛酸電池電動(dòng)車和鋰電池電動(dòng)車之間。雖然鈉離子電池的成本相比鋰離子電池要低很多，但考慮到電池性能、安全性等因素，鈉離子電池電動(dòng)車仍然具有較高的性價(jià)比。

三、鈉離子電池電動(dòng)車的未來展望

       技術(shù)突破：隨著鈉離子電池技術(shù)的不斷突破，其能量密度、循環(huán)壽命等性能指標(biāo)有望進(jìn)一步提升，從而滿足更多電動(dòng)車型的需求。

       市場普及：隨著鈉離子電池電動(dòng)車的性能不斷提升和成本不斷降低，其市場普及率有望逐漸提高。未來，鈉離子電池電動(dòng)車有望成為新能源汽車市場的重要組成部分。

       環(huán)境影響：鈉離子電池電動(dòng)車的普及將有助于減少對(duì)鋰、鈷、鎳等稀有金屬的依賴和消耗，降低對(duì)資源的壓力和對(duì)環(huán)境的影響。同時(shí)，鈉離子電池的回收處理技術(shù)也將不斷完善，進(jìn)一步提高其環(huán)境友好性。

       綜上所述，鈉離子電池電動(dòng)車作為一種新興的電動(dòng)車型，具有廣闊的發(fā)展前景和市場潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場的逐步成熟，相信未來我們會(huì)看到更多更好的鈉離子電池驅(qū)動(dòng)的新能源汽車。