鈉離子電池是鋰電池的潛在替代品，但陽極（帶正電的電極）在鋰離子電池上很好地工作，不能提供與鈉離子電池相同的性能。缺乏晶體結構的無定形碳已知是有用的陽極，因為它具有可用于存儲鈉離子的缺陷和空隙。氮/磷摻雜的碳還具有吸引人的電性能。

在《應用物理評論》中，浙江大學，寧波大學和東莞理工大學的中國研究人員描述了他們如何應用原子尺度的基本物理概念來構建鈉離子電池的高性能陽極。

涂說：“最近的研究表明，摻雜的無定形碳，特別是富電子元素摻雜的無定形碳，是鈉儲存的良好陽極。但是對于鈉的儲存方式或摻雜的碳的摻雜效果，沒有共同的解釋。”

為了尋求答案，研究人員使用能級軌道的概念來解釋吡咯氮與磷氧鍵的親和力，它們的原子相互作用，電子分布和電子云構型。

為了進一步了解不同的存儲行為，他們應用了第一性原理計算，這是一種使用基本物理量來計算物理屬性的方法。它基于電子密度函數，這是一種可以揭示晶體分子結構的量子力學概念。

當他們分析改性碳材料中嵌入的鈉離子的電子分布，系統化學參數和吸附能時，他們發現吡咯氮和磷-氧鍵顯示出真正的鈉存儲潛力。涂說：“鈉離子傾向于儲存在這兩種結構中。”

研究人員設計了一種水熱處理工藝，以構建磷氧結構的前體，然后用富含雙電子的元素摻雜碳陽極。涂說，這表明在循環壽命和電池容量方面增強了電化學性能。

他們的陽極實現了5,000個循環的生命周期，具有220毫安小時/克的增強容量，并減少了容量損失（0.003％/循環）。

涂說：“我們的工作填補了富電子元素摻雜的非晶碳的鈉存儲行為的理論空白，并為使用碳提供了實驗基礎。我們提供了用于大型鈉離子電池的碳材料改性的指導。”

WSU和PNNL（太平洋西北國家實驗室）的研究人員已經創建了一種鈉離子電池，該鈉離子電池可以容納盡可能多的能量，并且能夠與某些商業鋰離子電池化學物質一起工作，從而可以利用豐富而廉價的材料開發出一種可能可行的電池技術。這一消息在電池界和公眾中引起了極大的興奮，甚至有人建議用新的鈉（Na）離子電池代替昂貴的鋰離子電池。

用于鈉離子電池的電極材料的化學和電化學與它們的鋰離子對應材料的化學和電化學足夠不同，以至于直到最近才可以找到適用于實際電池的候選材料。

鈉離子電池與鋰離子電池相比如何？

為了回答這個問題，讓我們首先看一下商用鋰離子電池的比能量和能量密度。高度工程化的18650尺寸電池最適合此比較，這些電池具有石墨陽極（容量約350mAh/g）和不同類型的陰極。具有層狀過渡金屬陰極LiCoO2（LCO），LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2（NMC）和LiN0.8Co0.15Al0.05O2（NCA）的電池的容量分別為2.4、2.4和3.6Ah，分別轉換為206、210和285Wh/kg的比能，以及530至785Wh/l的體積能密度。具有LiFePO4和LiMn2O4的電池陰極具有約130Wh/kg的較低比能和約330Wh/l的體積能密度。考慮到此帳戶中介紹的各種Na嵌入金屬氧化物和金屬磷酸鹽陰極材料的可逆容量，我們可以預測，利用這些陰極和硬碳陽極的18650尺寸Na離子電池最多將具有約150Wh/kg的比能。更接近具有LiFePO4陰極的鋰離子電池。那說明Na-ion電池完全開發后，將適合與LiFePO4相似的應用當前已部署電池。這些包括短程電動汽車；用于太陽能，風能和其他替代能源轉換設施的儲能系統（ESS）；電力公司的備用電源；在許多其他應用中，對電池的能量密度要求不如其鋰離子電池所要求的，但大大高于傳統可充電電池Pb-酸，Ni/Cd和Ni/MH的能量密度。

與鋰相比，鈉離子電池的最主要優勢在于鈉的自然豐度和較低的成本。地殼中Na對Li的豐度為23600ppm至20ppm，Na的提取和純化的總成本低于Li。而且，含鈉的金屬氧化物和聚陰離子陰極材料可以由天然豐富的過渡金屬（如鐵，錳，釩和鈦）制成，而無需使用鈷，這使得無論在富國還是窮國，鈉離子電池都是可持續的且價格可承受的。

法國電池市場預測公司Avicenne的Sanders報告（16）到2025年，全球鋰離子電池市場將增長到1500億美元以上。僅ESS市場就有望超過500億美元。響應于這一不斷增長的市場，電池材料產量的提高有望將鋰離子電池組的成本從目前的150美元/千瓦時降低到100美元/千瓦時左右。

桑德斯認為，陰極是鋰離子電池中最昂貴的組件，約占總成本的25％。對鋰離子和鈉離子電池組件的檢查表明，正極材料的性質是兩個電池之間的主要區別。由于鋰離子和鈉離子技術從原材料制備陰極的成本或多或少是相同的，因此鈉離子電池的主要成本降低來自原材料。根據目前可獲得的信息，我們可以預測鈉離子電池的成本比鋰離子電池便宜約10–20％。

鈉離子電池的主要優點是可持續性，這對于努力擺脫碳基能源的世界而言至關重要。我們可以預見，具有硬碳陽極和無鈷陰極的Na-離子電池將是鋰離子電池的可持續低成本替代品，在世界范圍內，諸如短程電動汽車和大規模儲能（ESS）等應用越來越多地轉變為風力，太陽能和水力發電，而風力發電，太陽能和水力發電依靠電池儲能來實現不間斷的全天候運行。

未來的研究應側重于發現具有更高比容量和電壓的Na離子電池的高級陽極和陰極材料，從而生產出比能量接近200Wh/kg的實用Na離子電池。還應努力開發先進的電解質，以使Na-離子電池在寬溫度范圍內以高充放電速率運行，同時展現出大規模儲能應用所需的長循環壽命和保質期。研究還應集中于對Na嵌入電極中的晶體結構與離子遷移特性之間的關系有更深入的了解，從而獲得系統設計和開發用于Na離子電池的高容量可逆電極的能力。