钠离子电池的前生今世

文章来源：顷刻储能Qinkual 发布时间：2021-09-02

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本文对钠离子电池做一些科普性质的介绍，以飨读者。

2021年“钠离子电池”又一次重新回归大众的视野： “6月28日，中科海钠与中科院物理所在山西太原综改区联合推出了全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统，并成功投入运行；7月29日，宁德时代通过线上发布会发布了第一代钠离子电池，并计划于2023年形成基本产业链；8月25日，工信部在回复全国政协委员《关于在我国大力发展钠离子电池的提案》时表示：钠离子电池在固定式储能领域具有良好发展前景，将加快推动钠离子电池全面商业化。”突然间钠离子电池成为今年行业谈论的热门话题，秉承对新事物的好奇心、对新技术的求知欲，本文对钠离子电池做一些科普性质的介绍，以飨读者。

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钠离子电池的发展史

典型的钠离子电池与锂离子电池工作原理类似，都可归类为“摇椅式”电池：也即金属离子（ Li⁺ 或 Na⁺）在正负极材料之间来回穿梭，充电时从正极输运至负极，放电时从负极输运至正极， Na⁺ 比 Li⁺的离子半径大约30~40%。该工作原理下，正负极材料都是金属离子的储存容器，可与抽水式蓄能原理类比，都是利用势能差来储能，只不过一个是高度差，一个是电势差；而能量介质则都是通过外部线路输运，一个是输运水，一个是输运电子（与带电的金属离子运动方向相反）。

图1. a)典型锂离子电池工作原理图；b)典型钠离子电池工作原理图

由于钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，Na与Li又同属碱金属族元素，因此钠离子电池的研究与锂离子电池的研究基本上同时起步。但是，从上世纪九十年代索尼成功将锂离子电池商业化以来，钠离子电池的研究便开始停滞不前，而锂离子电池的研究则成为科学家们的独宠和热点。

图2. 钠离子电池发展简史

纵观钠离子电池的发展，总结起来有以下几个关键节点：

1、Na⁺在TiS₂中的可逆嵌脱机制的初次发现。1976年，Whittingham报导了Li⁺在TiS₂中的可逆嵌脱机制，并制作了Li||TiS₂电池，同时研究了Na⁺在TiS₂中的可逆脱嵌现象。Li/Na同源、同理的特性，让钠离子电池的研究开发，可以参照锂离子电池的发展路径。

2、具有商用价值的层状氧化物钠离子电池正极材料的发现。19世纪80年代，Delmas和Goodenough相继发现了层状氧化物材料NaMeO₂（Me=Co,Ni,Cr,Mn,or Fe）可作为钠离子电池正极材料，并且具有比TiS₂更高的电位。这一发现决定了钠离子电池具有商业化应用的潜力，因为高电压、高能量密度特性是商用电源的基本要求。

3、具有商用价值的硬碳类钠离子电池负极材料的发现。2000年，Stevens和Dahn发现硬碳材料具有优秀的Na⁺嵌脱性能，该研究成为钠离子电池领域的重大转折点。至此，科学家们终于找到了具有优异Na⁺嵌脱性能，并且成本可接受、易量产化的负极材料。钠离子电池两大主材已齐集。

4、世界上首颗18650圆柱型钠离子电池诞生。2015年，法国RS2E机构研究员主导开发了世界上首颗18650钠离子电池，该电芯能量密度达到90Wh/kg，循环寿命超过2000次，性能优于传统铅酸蓄电池。这强有力地证明了钠离子电池确实具有商业化应用的巨大价值。

5、钠离子电池在储能电池领域的示范应用。2021年6月28日，中科海钠推出了全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统，并成功投入运行，标志着我国钠离子电池技术及其产业化走在了世界前列。钠离子电池的用武之地就此明确，应用场景及发展思路从此清晰。

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钠离子电池商业化发展进程

商业价值分析

总体来看，钠离子电池在20世纪的第二个10年才真正表现出商业化应用价值，下面就钠离子电池（下面简称SIBs）与锂离子电池（下面简称LIBs）的构成、成本、制造、性能及应用场景方面做一些基础比较。

1、构成：SIBs与LIBs基本构成一致，都包含正极、负极、隔膜、电解液等四大主材，都可兼容软包装、圆柱型以及方形铝壳等典型封装形式。典型的差别在于：LIBs负极集流体只能选用Cu箔（Li⁺在低电位下会与Al形成合金，而Cu则不发生合金反应），SIBs负极集流体则可选用Al箔（Na⁺在电池工作电位范围内不会与Al形成合金）。

2、成本及制造：总体来看，由于SIBs中合成正极材料及电解液盐的原材料中不使用Li₂CO₃（10万/吨），而是Na₂CO₃（2000元/吨）；SIBs负极集流体可使用Al箔，而不是价格高的Cu箔，因此SIBs的单位能量原料成本会明显低于LIBs。至于生产制造工艺及设备，SIBs基本可与LIBs实现通用。