鈉離子電池的技術(shù)現(xiàn)狀與應(yīng)用及發(fā)展趨勢研究

吳黃祈 諸思琛

摘 ?要：由于鋰離子電池儲能具有突出的綠色環(huán)保優(yōu)勢，因而在新能源、電子市場等領(lǐng)域中得到了較好的應(yīng)用。但是，隨著鋰離子電池需求的逐漸增大，鋰資源短缺以及成本等問題的出現(xiàn)影響了鋰離子電池的發(fā)展。在此背景下，因鈉離子和鋰離子之間的物化性質(zhì)較為相似，同時鈉資源豐富，各方成本較低，已經(jīng)成為替代鋰離子電池的新儲能材料。

關(guān)鍵詞：發(fā)展現(xiàn)狀;鈉離子電池;應(yīng)用前景;優(yōu)點

當(dāng)前我國應(yīng)用的能源最主要的就是化石燃料，但是由于化石燃料具有不可再生性特點，并且會給環(huán)境帶來較大的污染，因此，國家開始重視綠色環(huán)保能源的開發(fā)。新興的電化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)成為研究的熱點，由于鈉離子和鋰離子之間的物化性質(zhì)較為相似，是替代鋰離子電池的一種新型儲能體系，具有良好的應(yīng)用前景。

1.鈉離子電池的優(yōu)點

鈉離子資源較為豐富、成本較低、具有較高的安全性和能量轉(zhuǎn)換率、使用壽命長，在新能源電池領(lǐng)域中，可以滿足安全性和性價比方面較高的要求[1]。從元素周期表來看，鈉元素是緊跟鋰元素排列的堿金屬元素，在物化性質(zhì)方面，兩者存在一定的差異，因而相應(yīng)的電極材料在電化學(xué)性能上也會存在一定的不同。由于鈉離子的半徑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)相比鋰離子較大，所以在質(zhì)量和體積能量密度方面較鋰離子電池會存在差距，而且因為鈉離子半徑較大，會使電極材料在界面性質(zhì)、體相結(jié)構(gòu)演變以及離子運(yùn)輸?shù)确矫娉霈F(xiàn)差異，要想使鈉離子電池更好的展現(xiàn)自身優(yōu)勢，對于鈉離子電池的材料體系需要加強(qiáng)研究。

2.鈉離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀

從世界范圍來看，目前，有關(guān)鈉離子電池的技術(shù)研究突破主要體現(xiàn)在電解質(zhì)材料、電極材料、儲鈉機(jī)制、表征分析以及電芯技術(shù)等方面，針對鈉離子電池有關(guān)的專利發(fā)明以及文章發(fā)表數(shù)量逐漸增加。在2020年，美國的能源部公布了電池研究計劃布局，主要是研究動力電池和儲能電池，并且將鈉離子電池明確列入到儲能電池的發(fā)展體系中。在歐盟的“電池2030”儲能計劃項目中，將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位?，F(xiàn)階段，國內(nèi)外已經(jīng)有多家公司開始進(jìn)行鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)，其中有美國Natron Energy、英國Faradion等公司，還有我國的鈉創(chuàng)新能源、中科海鈉、星空鈉電等公司，都獲得了重要成果[2]。

鈉離子電池技術(shù)研發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展開始最早的是英國的Faradion公司，其正極材料為鎳、錳、鈦基O3/P2型層狀氧化物，負(fù)極材料為硬碳。研究出了10A·h的軟包電池樣品，電池工作電壓平均3.2V，能量密度為140W·h/kg，放電程度在80%時，電池循環(huán)使用壽命預(yù)計1000次以上。美國Natron Energy公司通過使用普魯士藍(lán)作為正極材料開發(fā)了高倍率水系鈉離子電池，在2C倍率下，循環(huán)使用壽命可以達(dá)到10000次，不過由于正極材料具有較低的壓實密度，工藝也較為復(fù)雜，體積能量密度只有50W·h/L[3]。

我國在鈉離子電池技術(shù)的研究中也處于世界的前列，從核心技術(shù)角度來講，我國在鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中做好了技術(shù)儲備準(zhǔn)備。鈉創(chuàng)新能源公司制備了鈉離子軟包電芯，其中，正極材料為NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元層狀氧化物，負(fù)極材料為硬碳，能量密度范圍在100-120W·h/kg，循環(huán)使用1000次之后，還能保持92%以上的容量。中科海鈉公司研制出了能量密度超過135W·h/kg的鈉離子電池，工作電壓平均為3.2V，在放電深度100%的情況下，循環(huán)使用1000次之后還能保持91%的容量。正負(fù)極材料的制備和供貨也已經(jīng)達(dá)到百噸級。寧德時代公司在2020年成立21C創(chuàng)新實驗室，推出其第一代鈉離子電池，其中，正負(fù)極材料分別為普魯士白和硬碳，能量密度高達(dá)160W·h/kg，在-20°C的低溫環(huán)境中，放電保持率仍然在90%以上。在系統(tǒng)方面，公司制定出了鋰鈉混搭方案，開發(fā)了AB電池系統(tǒng)，通過鈉離子電池與鋰離子電池一定比例的混搭，集成到同一個電池系統(tǒng)中。這種技術(shù)研發(fā)可以有效解決鈉離子電池在能量密度方面的劣勢，同時還能夠凸顯功率、性能方面的優(yōu)勢。

3.鈉離子電池應(yīng)用發(fā)展趨勢

由于鈉離子電池展現(xiàn)了替代鋰離子電池的可能性，因此，關(guān)于鈉離子電池的技術(shù)研究受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。在成本、安全性等方面鈉離子電池都具有優(yōu)勢，同時在較低溫度環(huán)境下也能保持較高的容量，由于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展速度的加快，在未來新能源領(lǐng)域以及電動車市場中，鈉離子電池具有較好的應(yīng)用前景。

在國家大力發(fā)展可再生能源的過程中，電網(wǎng)側(cè)和發(fā)電側(cè)對儲能的需求逐漸提升，預(yù)計到2022年、2023年，風(fēng)機(jī)容量會達(dá)到96GW、106GW，而相應(yīng)的儲能需求會達(dá)到12.25GW·h、25.79GW·h。英國Faradion公司在2020年已經(jīng)向澳大利亞ICM公司提供了鈉離子電池產(chǎn)品，用于進(jìn)行儲能。這就說明，鈉離子電池由于儲能和成本等多方面的優(yōu)勢，在未來的儲能市場中會占有較高的地位。

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，在儲能、電動兩輪車以及AOO級別汽車領(lǐng)域中，鈉離子電池具有良好的應(yīng)用前景。根據(jù)預(yù)測，到2025年，上述領(lǐng)域中我國電池需求會達(dá)到123GW·h;在儲能方面，2020年國內(nèi)儲能裝機(jī)需求已經(jīng)達(dá)到17GW·h，預(yù)計到2025年將達(dá)到48GW·h;在電動兩輪車方面，2020年國內(nèi)兩輪車電池需求約32GW·h，預(yù)計到2025年將達(dá)到41GW·h;在A00級別汽車方面，2020年國內(nèi)A00汽車動力電池需求約7GW·h，預(yù)計到2025年將達(dá)到34GW·h[4]。鈉離子電池的研究屬于一種新型的技術(shù)路線，其產(chǎn)業(yè)鏈包含上游的資源企業(yè)、中游的電芯和電池材料企業(yè)，產(chǎn)業(yè)化布局中有鈉離子電池技術(shù)公司，還有投資或者持股的鈉離子電池企業(yè)，電池材料技術(shù)公司包含負(fù)極材料和正極材料企業(yè)。

從現(xiàn)階段來看，鈉離子電池的成本在未來還需要進(jìn)一步降低，這樣才能保持其得到商業(yè)化和規(guī)?；瘧?yīng)用。另外，由于能量密度會對鈉離子電池的材料特性產(chǎn)生較大的影響，電動車要想實現(xiàn)長續(xù)航能力需要，未來在動力電池領(lǐng)域，就需要和鋰離子電池進(jìn)行合理搭配應(yīng)用。

結(jié)束語：

總而言之，由于鈉離子電池在成本、環(huán)境保護(hù)等方面具有優(yōu)勢，而且資源豐富，可以替代鋰離子電池成為新型儲能電池，國內(nèi)外已經(jīng)取得了一定的研究成果，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝峰. 鋰離子電池的替代者——鈉離子電池研究現(xiàn)狀分析[J]. 化工管理， 2018， 000（028）：62-62.

[2]史文靜， 燕永旺， 徐守冬，等. 鈉離子電池正極材料Na0.44MnO2的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展， 2017， 036（009）：3343-3352.

姓名：吳黃祈，性別：男，民族： 漢族，籍貫：浙江寧波，出生年月：1997年2月27日，學(xué)歷：大學(xué)本科，工作單位：浙江汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院，職稱：助教。主要研究方向或者從事工作：主要從事汽車檢測與維修、新能源汽車技術(shù)、汽車智能技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作，郵編：317000