近日，電池一哥寧德時(shí)代已經(jīng)不局限于鋰離子電池了，而是要向全新的鈉離子電池領(lǐng)域進(jìn)軍！

講到電動(dòng)車，人們第一時(shí)間肯定會(huì)想到動(dòng)力電池，它作為電動(dòng)車的心臟，成本接近整車的百分之四十，因此如果要擴(kuò)大電動(dòng)汽車的使用規(guī)模、降低電動(dòng)車制造成本，研究如何降低動(dòng)力電池成本理論上是可行的。

說(shuō)到降低電池成本，大家第一時(shí)間肯定會(huì)想到鋰離子電池。不過(guò)除了與鋰離子電池斗爭(zhēng)到底外，電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)其實(shí)還存在著第二條路可走——那就是改用鈉離子電池。

所謂鈉離子電池，正極一般由鈉離子層狀氧化物等構(gòu)成，負(fù)極則為硬碳，替代鋰電使用的石墨，電解液為鈉離子化合物，它跟鋰離子電池一樣都是二次電池，即可以循環(huán)充電的充電電池。二者起步發(fā)展時(shí)間相近，只是鈉離子電池與鋰離子電池相比起來(lái)發(fā)展時(shí)遇到的瓶頸更多，因此長(zhǎng)年名聲不顯。

不過(guò)鈉離子電池始終有著自己獨(dú)家優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭茖W(xué)家并沒(méi)有放棄它，反而專心鉆研近年來(lái)取得了不少突破，被不少知名廠商納入眼底甚至推出相關(guān)產(chǎn)品。比如說(shuō)數(shù)月前國(guó)內(nèi)電動(dòng)電池龍頭企業(yè)寧德時(shí)代就宣布要在七月左右發(fā)布鈉離子電池，徹底引爆了業(yè)內(nèi)關(guān)于鈉離子電池是否能在動(dòng)力電池界占據(jù)一席之地的討論。

既然兩者都可用作動(dòng)力電池，就注定會(huì)被相提并論。那到底鈉離子電池具備什么優(yōu)勢(shì)，它有沒(méi)有機(jī)會(huì)取代部分鋰離子電池呢？接下來(lái)就來(lái)一起看看它的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)。

一塊遲到四十年的電池

鈉和鋰，在元素周期表上位于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相似。鈉離子電池與鋰離子電池均起源于上世紀(jì)七八十年代，但命運(yùn)卻截然不同。

鋰離子電池因?yàn)閮?yōu)異的電化學(xué)性能，成了手機(jī)、相機(jī)、汽車等大小電器必不可少的器件，而鈉離子電池卻因電池容量低、循環(huán)壽命短等短板，無(wú)人問(wèn)津。直到2010年以后，才陸續(xù)有研究人員把鈉電池這項(xiàng)老技術(shù)撿起來(lái)。

與鋰電池一樣，鈉離子電池也有多條技術(shù)路線。

高溫鈉離子電池對(duì)工作溫度要求高、安全性差，研究人員關(guān)注更多的是室溫鈉離子電池，并針對(duì)性開(kāi)發(fā)出適合其性質(zhì)的陰陽(yáng)極材料，如在陽(yáng)極上，有合金類、金屬氧化物類和碳材料等選擇，而陰極材料則包括聚陰離子類、普魯士藍(lán)衍生物、層狀氧化物類等。

其中，層狀氧化物和普魯士藍(lán)衍生物做陰極的鈉電池，不僅成本便宜，而且能量密度接近磷酸鐵鋰電池，甚至還有所超越。陽(yáng)極材料用硬碳，能提高鈉電池的可逆比容量和循環(huán)壽命。

鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)

首先是安全性，鈉離子電池的熱失控溫度比鋰離子電池更高，與水直接發(fā)生接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間也相當(dāng)緩慢。并且有研究人士表示，鈉離子電池雖然和鋰離子電池一樣不能過(guò)充，但是卻可以過(guò)放，在長(zhǎng)期保存中更加安全。

其次是成本，這也是鈉離子電池最重要的優(yōu)勢(shì)。鈉離子電池正極材料的原料鈉資源在地殼中的儲(chǔ)量極其豐富，地殼豐度是鋰的1000倍以上，而且遍布全球，不像鋰資源75%都集中在了美洲，因此成本上會(huì)大大降低，而且價(jià)格十分穩(wěn)定。此外，由于鈉離子不會(huì)與鋁形成合金，因此鈉離子電池的負(fù)極可以用金屬鋁箔作為集流體，成本比鋰離子電池的銅箔更低。不過(guò)鈉離子因?yàn)榘霃捷^大，所以負(fù)極材料要嵌入離子就比較困難一些，所以負(fù)極材料的成本會(huì)比鋰離子電池貴一些。

不過(guò)總體來(lái)說(shuō)，如果儲(chǔ)存相同的能量，鈉離子電池成本會(huì)比鋰離子電池少30%~40%（如下圖）。除此之外由于電池結(jié)構(gòu)相似，現(xiàn)有的大部分鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備可直接投入到鈉離子電池生產(chǎn)中，在成本控制方面更進(jìn)一步。

鈉離子電池的缺點(diǎn)

首先是能量密度，鈉離子的離子半徑大于鋰離子，導(dǎo)致鈉離子無(wú)法嵌入石墨材料，需采用硬碳或其他負(fù)極材料，能量密度低于石墨材料。而且主流的鈉離子電池正極材料的理論能量密度不及三元鋰，實(shí)際能量密度較磷酸鐵鋰低。

其次是充放電效率，更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致鈉離子的移動(dòng)速率就比較慢，影響鈉離子電池充、放電速率。

最后是壽命，由于鈉離子嵌出電極的晶體結(jié)構(gòu)也較難，導(dǎo)致電池可逆性差，多次充放電后的能量密度下降速度快。目前鈉離子電池的充放電次數(shù)大約為1000+次，而鋰離子電池足足達(dá)3000+次，所以它還有很大的改進(jìn)空間。

總的來(lái)說(shuō)，鈉離子電池雖有缺點(diǎn)，但綜合性能依舊顯示出多重優(yōu)勢(shì)，業(yè)界應(yīng)該努力進(jìn)一步提升鈉離子電池的能量密度，使鈉離子電池向著低成本、長(zhǎng)壽命、高比能和高安全的方向邁進(jìn)。

新能源的未來(lái)在“鈉”里

新能源蓬勃發(fā)展、碳中和成為世界議題。各國(guó)紛紛推出政策，將“停產(chǎn)燃油車”提上日程，電動(dòng)車取而代之。但這又帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題：鋰資源不夠用了。

全球探明的可供開(kāi)采的鋰資源儲(chǔ)量?jī)H能滿足14.8億輛電動(dòng)汽車，而根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2020年全球汽車保有量便超過(guò)14.9億輛[2]。

更不必說(shuō)，中國(guó)鋰資源緊張，高度依賴進(jìn)口。

2019年國(guó)內(nèi)利用自身的鋰資源加工的基礎(chǔ)鋰鹽僅為6.5萬(wàn)噸，其余鋰精礦依賴進(jìn)口，共進(jìn)口172萬(wàn)噸鋰輝石精礦，且進(jìn)口礦石主要都來(lái)自澳大利亞。鑒于近年緊張的中澳關(guān)系，尋找鋰電池的替代產(chǎn)品意義非凡。

業(yè)界對(duì)鈉離子電池寄予厚望。

一方面，鈉元素的含量足夠豐富。鋰在地殼中的含量只有0.0065%，而鈉的含量則為2.75%，是前者的400多倍。

另一方面，鈉離子電池成本低、安全性高。據(jù)中科海鈉的測(cè)算，鈉離子電池的材料成本，比鋰離子電池低30%~40%。并且由于鈉電池化學(xué)性性能穩(wěn)定，不容易形成鋰枝晶那樣堅(jiān)硬的枝晶，在安全性上較同類別的鋰離子電池體系具有優(yōu)勢(shì)。

鈉離子電池的應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展

鈉離子電池的能量密度大概介于鉛酸電池和鋰離子電池之間，約100~150Wh/kg，遠(yuǎn)高于鉛酸電池（30~50Wh/kg），但比鋰離子電池低不少（150~250Wh/kg）。所以鈉離子電池要取代鉛酸電池是綽綽有余的，但是要取代鋰離子電池還有難度。未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景或主要集中于儲(chǔ)能（風(fēng)力電站、太陽(yáng)電站、家庭儲(chǔ)能等）、低速新能源車（物流車、農(nóng)具車等）及小動(dòng)力領(lǐng)域，而鋰離子電池仍是新能源汽車電池主流技術(shù)路線。

目前多個(gè)先進(jìn)國(guó)家或是國(guó)際知名廠商均積極投入鈉離子電池研發(fā)，如美國(guó)PNNL、SNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、日本豐田汽車等。2009年后美國(guó)已成立兩間以鈉離子電池產(chǎn)品為主的新創(chuàng)公司，其產(chǎn)品目的主要為開(kāi)發(fā)目標(biāo)為成本售價(jià)達(dá)到美國(guó)能源部對(duì)于儲(chǔ)能電池的終極目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)大型量產(chǎn)化生產(chǎn)，以結(jié)合再生能源使用，利于擴(kuò)大再生能源的普及率。

日本東北大學(xué)與美俄合作，在2014年發(fā)表鈉離子電池的固態(tài)電解質(zhì)有新進(jìn)展的研究，能使鈉離子電池降低操作溫度至110℃左右；2015年日本東京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鈦和碳所構(gòu)成的層狀化合物，可脫嵌大量的鈉離子，對(duì)于快速充電和穩(wěn)定性都有很大的突破；在2014年IEEESpectrum有石墨烯復(fù)合材料提供鈉離子電池關(guān)鍵性的補(bǔ)救方法。

總而言之，若能突破操作溫度和改良電極添加物以增進(jìn)電極的脫嵌能力，鈉離子電池?zé)o疑是極具商用價(jià)值的未來(lái)電池。但在國(guó)內(nèi)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐富、性能的成熟、標(biāo)準(zhǔn)的制定、市場(chǎng)的認(rèn)可等方面仍然有很長(zhǎng)的路要走，按照常規(guī)的節(jié)奏需要5-10年時(shí)間。目前，寧德時(shí)代的加入以及雙碳目標(biāo)的制訂，可以大大加速這個(gè)過(guò)程，3年以后產(chǎn)業(yè)或?qū)⒊墒臁７糯鬅簦垠w圈