鈉離子電池（鈉離子電池）

基本介紹

正當鋰電池在全世界用量不斷下降之際，第二代手提電子學(xué)似可能有某些非鋰離子電池出現。一種潛在的取代者是鈉-離子電池，因為鈉較便宜，無(wú)毒和比鋰豐富。

現有鈉離子電池的最大缺點(diǎn)是，要太長(cháng)時(shí)間充電和放電。放電慢供應不了高功率的應用。一般，充/放電率和容量之間有個(gè)權衡，企圖增加充/放電率，會(huì )引起容量嚴重下降。

2015年三月，美國化學(xué)學(xué)會(huì )期刊（Journal哦發(fā)他和Chemical Society)上出現新的研究；由雷勇（Yong Lei),他是德國理明擾技術(shù)大學(xué)的教授，為首的研究者，已在這領(lǐng)域內取得了重要的改進(jìn)。他們證明，鈉-離子和鋰離子的充/放電率及容量都可達最高值。這重大的改進(jìn)為鈉-離子電池向手提電子學(xué)應用鋪平道路。

為了達到這重大改進(jìn)，研究者考慮了鈉的一些基本性質(zhì)。鈉和鋰都有類(lèi)似易失去電子的傾向—根據他們所測量的電化學(xué)勢接近—表明鈉和鋰都是一種好陽(yáng)極材料。但鈉離子比鋰離子約大25%，這使鈉較難進(jìn)入電極的晶體結構，電極是化學(xué)反應之處，造成鈉離子運動(dòng)不快。這是鈉電池充/放電慢的原因。

研究人員不能減小鈉離子的大小，但可以改進(jìn)鈉離子進(jìn)入電極的效率；為此。他們采用延伸電極材料pai-共軛系統，它是一種露臺形態(tài)，包含多種廣闊空間層，形成讓鈉離子通過(guò)的快道，pai-共軛系統也改進(jìn)充電輸送和穩定了充/放電狀態(tài)。

鈉－離子電池

工作原理

在充放電過(guò)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(guò)電解質(zhì)嵌入負極；放電時(shí)則相反。

新款18650鈉離子電池，借助了鈉離子轉移（而不是鋰離子）來(lái)存儲和釋放電能。

技術(shù)優(yōu)勢

研究人員將這種特定的材料定位商業(yè)機密，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?xún)α扛S富，價(jià)格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當對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)勢有：（1）鈉鹽原材料儲量豐富，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）由于鈉離子電池無(wú)過(guò)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)勢明顯，有望在大規模儲能中取代傳統鉛酸電池。

研究歷史

鈉離子電池研究最早開(kāi)始于上世紀八十年代前后，早期被設計開(kāi)發(fā)出來(lái)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能電池實(shí)現實(shí)際應用的關(guān)鍵之一。2010年以來(lái)，根據鈉離子電池特點(diǎn)設計開(kāi)發(fā)了一系列正負極材料，在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升，如作為負極的硬碳材料、過(guò)渡金屬及其合金類(lèi)化合物，作為正極的聚陰離子類(lèi)、普魯士藍類(lèi)、氧化物類(lèi)材料，特別是層狀結構的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展現了很好的充放電比容量和循環(huán)穩定性。

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

中科院物理所胡勇勝研究員帶領(lǐng)團隊自2011年起致力于安全保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)研發(fā)，開(kāi)發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負極材料、低鹽濃度電解液，其核心專(zhuān)利獲得中國、美國、日本及歐盟授權。2017年，建成百?lài)嵓壵⒇摌O材料中試線(xiàn)，兆瓦級產(chǎn)能的電池線(xiàn)，研制出能量密度為150 Wh/kg，循環(huán)壽命達3000周的鈉離子電池，并先后完成電動(dòng)自行車(chē)、全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車(chē)和首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范應用。研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿(mǎn)足自行車(chē)等各類(lèi)低速電動(dòng)車(chē)及電動(dòng)船的需求，也可用于家庭/工業(yè)儲能、5G基站和數據中心后備電源，且適合應用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲能等大規模儲能領(lǐng)域。

2015年11月30日，法國一支研究團隊在可充電電池材料上取得了一項重大進(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(chē)等設備上，但法國國家科學(xué)研究中心的研究人員們首次開(kāi)發(fā)出了業(yè)界標準的18650規格的鈉離子電池。

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計劃支持下，從工業(yè)化應用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對[Na2/3[Ni1/3?Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性，制備了無(wú)粘結劑的高電導特性的柔性電極，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)的普魯士藍類(lèi)材料（NaMFe(CN)6），通過(guò)優(yōu)化晶體內部分子結構，構筑了高容量、長(cháng)循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達118.2 mAh/g （10 mA/g）。在國際上首次將該材料與硬碳負極材料制備了儲能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達到了81.72 Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎。

2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團隊合作，首創(chuàng )結構設計和調控方法，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(guò)程中，這種正極材料結構穩定無(wú)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94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標準約為80%。

2021年7月29日，寧德時(shí)代成功舉行了首場(chǎng)線(xiàn)上發(fā)布會(huì )，董事長(cháng)曾毓群博士發(fā)布了寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池，同時(shí)，創(chuàng )新的鋰鈉混搭電池包也在發(fā)布會(huì )上首次亮相。^[1]