鈉離子電池的研究與鋰離子電池的研究基本上同時(shí)起步，但是自上個(gè)世紀(jì)九十年代鋰離子電池成功商業(yè)化以來(lái)，鈉離子電池的研究基本陷于停滯。近年來(lái)鋰離子電池大規(guī)模的在動(dòng)力鋰電池上的使用引發(fā)了人們關(guān)于鋰儲(chǔ)量的擔(dān)憂，盡管目前鋰資源的儲(chǔ)量還能夠保證充分的供應(yīng)，但是隨著動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量的不斷提升，將會(huì)對(duì)鋰資源的供應(yīng)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。相比于金屬鋰，鈉鹽的儲(chǔ)量十分豐富，并且具有成熟的提取工藝，同時(shí)Na和Li作為同族元素具有類似的電化學(xué)特性，因此近年來(lái)鈉離子電池的研究逐漸成為新的熱點(diǎn)。

近日，埃因霍芬理工大學(xué)的KudakwasheChayambuka（第一作者）和悉尼科技大學(xué)的PeterH.L.Notten（通訊作者）等人對(duì)現(xiàn)有的鈉離子電池研究中面對(duì)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行了分解。

1.鈉離子電池的研究歷史

相比于鋰離子電池，鈉離子電池研究的起步并不晚，在1976年Whittingham研究發(fā)現(xiàn)TiS2能夠進(jìn)行Li的嵌入和脫出，同時(shí)也能夠進(jìn)行Na的嵌入和脫出，但是由于采用并不穩(wěn)定的金屬鋰作為負(fù)極，因此這一體系的電池最終并未商業(yè)化。

在上個(gè)世紀(jì)的8年代，Goodenough老爺子開(kāi)始嘗試將層狀氧化物作為正極材料，這些層狀結(jié)構(gòu)的材料既可以用來(lái)進(jìn)行Li的嵌入和脫出，也可以用來(lái)Na的嵌入和脫出，但是嵌鋰化合物相比于嵌鈉化合物具有更好的性能，因此獲勝的天平逐漸向鋰離子電池偏移。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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在負(fù)極材料方面，早期無(wú)論是鋰離子電池，還是鈉離子電池都是采用金屬鋰或金屬鈉，但是由于堿金屬較高的反應(yīng)活性，因此導(dǎo)致界面穩(wěn)定性差，同時(shí)由于充放電過(guò)程中的枝晶生長(zhǎng)問(wèn)題，因此金屬鋰負(fù)極最終未能得到廣泛的使用。幸運(yùn)的是鋰離子電池成功發(fā)現(xiàn)了軟碳、石墨類等一些碳材料具有良好的嵌鋰特性，因此成功實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。但是這些在鋰離子電池上成功使用的碳材料，在鈉離子電池中容量?jī)H為1/10左右，制約了鈉離子電池的使用。隨著在1990-2000年范圍內(nèi)鋰離子電池在商業(yè)上獲得了巨大的成功，關(guān)于鈉離子電池的研究逐漸減少。

雖然關(guān)于鈉離子電池的研究大幅減少，但是在這期間人們還是開(kāi)發(fā)了高溫鈉硫電池（300-350℃工作），重要使用范疇是大規(guī)模的固定式儲(chǔ)能。但是高溫鈉離子電池使用范圍較窄，因此約莫在2000年左右人們由開(kāi)始關(guān)注能夠在常溫下工作的鈉離子電池，人們發(fā)現(xiàn)硬碳材料由于較大的石墨層間距，因此在鈉離子電池中也能夠呈現(xiàn)300mAh/g以上的容量。在2010-2013年期間關(guān)于鈉離子電池的研究進(jìn)入高峰，大量的研究成果涌現(xiàn)，目前鈉離子電池的重要正極材料有氧化物類、聚陰離子類和普魯士藍(lán)三大類。

在2015年法國(guó)首先開(kāi)發(fā)了18650型的鈉離子電池，隨后大量的初創(chuàng)公司開(kāi)始進(jìn)軍這一新興范疇，其中2011年創(chuàng)建的位于英國(guó)Faradion公司是其中的佼佼者，目前該公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于氧化物正極和硬碳負(fù)極的1-5Ah軟包電池。法國(guó)的Tiamat創(chuàng)立于2017年，重要產(chǎn)品為采用聚陰離子正極的圓柱形電池。在國(guó)內(nèi)重要是中科院旗下的HiNa公司，該公司的重要產(chǎn)品是基于含Cu氧化正極和無(wú)煙煤制備的硬碳負(fù)極體系的軟包和圓柱電池，該公司在2019年的四月在江蘇溧陽(yáng)推出了目前規(guī)模最大的鈉離子電池儲(chǔ)能站。

2.鋰離子電池與鈉離子電池比較

由于Li和Na相近的電化學(xué)特性，因此鈉離子電池和鋰離子電池也具有相近的性能，可以采用相同的加工工藝和設(shè)備進(jìn)行加工，因此假如要進(jìn)行鋰離子電池-鈉離子電池的轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)完全的無(wú)縫銜接。

無(wú)人船智能鋰電池

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2.1電池設(shè)計(jì)差異

鋰離子電池和鈉離子電池在電池設(shè)計(jì)上幾乎沒(méi)有差異，漿料配方設(shè)計(jì)、電極加工過(guò)程和電池裝配過(guò)程都是完全相同，兩者的唯一差別體今朝鋰離子電池中負(fù)極采用Cu箔作為集流體，正極采用Al箔作為集流體，這重要是因?yàn)锳l會(huì)與Li形成合金，從而造成的Al箔的粉化。而在鈉離子電池中則不存在這樣的問(wèn)題，因此在鈉離子電池正負(fù)極都可以采用鋁箔作為集流體，有利于降低成本和電池重量，這樣的設(shè)計(jì)還帶來(lái)一個(gè)好處：鈉離子電池可以放電至0V進(jìn)行安全的存儲(chǔ)，而不用擔(dān)心因?yàn)樨?fù)極銅箔氧化造成的衰降。

2.2電解液設(shè)計(jì)

在電解液設(shè)計(jì)方面，鋰離子電池和鈉離子電池基本是相同的，可以采用同樣的溶劑，兩者的重要差別體今朝鹽的選擇上，在鋰離子電池電解液中重要是采用六氟磷酸鋰，而在鈉離子電池中則重要是采用六氟磷酸鈉。但是目前高純六氟磷酸鈉在價(jià)格上具有顯著優(yōu)點(diǎn)，僅為高純六氟磷酸鋰價(jià)格的1/4左右。

2.3電池的能量密度、功率和循環(huán)性能

目前鈉離子電池的研制還處于早期階段，因此能量密度相比于鋰離子電池還具有比較大的差距，其中18650型的鈉離子電池能量密度約為90Wh/kg，軟包鈉離子電池的能量密度約為130-150Wh/kg。鈉離子電池在功率性能上與鋰離子電池基本相當(dāng)，在一些情況下，甚至要稍好于鋰離子電池。在循環(huán)性能上鈉離子電池也表現(xiàn)出色，如上圖d中所示的75Wh/kg的鈉離子電池循環(huán)壽命可達(dá)4000次左右，超過(guò)常規(guī)鋰離子電池。

2.4安全性

鈉離子電池在安全性上也具有較好的表現(xiàn)，例如下圖a中18650型鈉離子電池在頂部針刺的條件下，經(jīng)過(guò)10min電池才達(dá)到最高130℃。下圖b中所示的軟包鈉離子電池中在針刺中同樣也做到了不起火、不爆炸。在下圖c中的ARC探測(cè)中，鋰離子電池的自加熱起始溫度為165℃，而鈉離子電池則達(dá)到了260℃，在下圖d中所示的鋰離子電池ARC探測(cè)中，鈉離子電池的最大自加熱速度要顯著低于鋰離子電池，這都聲明鈉離子電池具有更好的熱穩(wěn)定性。

2.5成本

低成本是鈉離子電池的一大賣點(diǎn)，計(jì)算顯示假如鈉離子電池的負(fù)極具有和鋰離子電池相同的性能和成本，鈉離子電池的總體成本可降低12.5%左右。但是實(shí)際上目前鈉離子電池負(fù)極采用的硬碳材料成本要顯著高于石墨材料，因此依據(jù)鈉離子電池現(xiàn)有的正負(fù)極材料計(jì)算，鈉離子電池的成本約為329$/kWh，而相比之下目前鋰離子電池的成本已經(jīng)逼近100$/kWh，因此鈉離子電池在成本上還有很多工作要做。

2.6鈉離子電池在動(dòng)力鋰電池和儲(chǔ)能上的使用

關(guān)于動(dòng)力鋰電池的使用而言，體積能量密度更為關(guān)鍵，目前鈉離子電池的體積能量密度約為400Wh/L，而目前鋰離子電池的體積能量密度可達(dá)700Wh/L左右，因此鈉離子電池在電動(dòng)汽車上還不具備與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，但是可以考慮在一些關(guān)于能量密度要求較低的低速電動(dòng)汽車上使用。儲(chǔ)能范疇關(guān)于電池的重量和體積的要求相對(duì)較低，因此這一范疇是鈉離子電池使用的重要陣地。

總的來(lái)看，雖然鈉離子電池在理論上相比于鋰離子電池具有一定的價(jià)格優(yōu)點(diǎn)，但是由于鈉離子電池采用的材料成本的限制，使得現(xiàn)階段鈉離子電池在成本上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋰離子電池，但是隨著鈉離子電池材料技術(shù)的發(fā)展和成熟，鈉離子電池的成本將逐漸降低，將有望在儲(chǔ)能等范疇部分替代鋰離子電池。