審核專家：孟夢

中國科學(xué)院物理研究所副研究員

看過我們之前關(guān)于鋰離子電池爆炸文章的讀者們一定很困惑，既然鋰離子電池自身構(gòu)造上就存在這么多隱患，為什么還要用？原因很簡單，鋰離子電池的綜合性能是目前所有電池技術(shù)中最優(yōu)秀的。

不過，去年在《科學(xué)》雜志上首次亮相的與鈉離子電池相關(guān)的研究成果可能會改變這一狀況。

與此同時，一批嶄新的鈉離子電池電動自行車出現(xiàn)在中科院物理研究所園區(qū)內(nèi)，作為實(shí)驗(yàn)車輛進(jìn)行更廣泛的測試，所用電池組由物理研究所的胡勇勝科研團(tuán)隊(duì)和科技孵化公司中科海鈉生產(chǎn)。事實(shí)上，早在2018年，中科海鈉就推出了首輛鈉離子電池低速電動車。但，過了這么久為什么鈉離子電池還沒有取代鋰離子電池呢？

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鈉離子電池是什么？有什么特點(diǎn)？

鈉離子電池是一種近年來受到廣泛關(guān)注的電化學(xué)二次儲能電池。在之前介紹鋰離子電池的文章中我們說過，鋰離子電池就像一輛汽車，載著電荷，不斷地在兩極間往返，以完成充放電的任務(wù)，而鈉離子電池的充放電過程類似于鋰離子電池。在充電時，電池正極釋放出的鈉離子通過電解液到達(dá)負(fù)極材料上。同時，電子通過外部電路進(jìn)入負(fù)極，確保正負(fù)電荷平衡。放電時，情況則相反，電子通過外部電路從負(fù)極進(jìn)入正極，產(chǎn)生電流驅(qū)動用電裝置。鈉離子電池充放電原理圖來源 | 新材料產(chǎn)業(yè)

在正常的使用情況下，上述充放電過程不會破壞電池的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)，能夠保證電池重復(fù)使用。

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鈉離子、鋰離子電池有啥區(qū)別？

鈉離子電池與鋰離子電池的本質(zhì)區(qū)別在于：鈉離子電池充放電時，在正負(fù)極間發(fā)生轉(zhuǎn)移的是鈉離子，而非鋰離子。鈉和鋰在元素周期表中屬于同一個主族，它們的物化性質(zhì)相似。這就使得鈉離子電池和鋰離子電池的基本工作過程相似。但是，鈉和鋰在很多方面還是有區(qū)別的，這就導(dǎo)致了鈉離子電池和鋰離子電池之間存在許多差異。首先，鈉離子半徑大于鋰離子，導(dǎo)致單位體積所含離子數(shù)量少，充放電可轉(zhuǎn)移電子數(shù)少，相同電池體積能量密度自然也就低，儲電量也就低于鋰離子電池。（能量密度是指單位體積或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度越大，單位體積或重量內(nèi)存儲的電量越多。）

在負(fù)極材料的選擇上，電化學(xué)性能優(yōu)異的石墨通常被用作鋰離子電池的負(fù)極。但由于鈉離子的半徑大，不可在石墨上進(jìn)行可逆的脫嵌，因此通常選用硬碳或合金作為負(fù)極材料。除了正負(fù)極和電解質(zhì)材料的不同，制造成本也是兩種電池間不可忽視的差異。鈉元素在自然界儲量充足，約為鋰的450倍。所以鈉材料的價(jià)格更便宜，買1噸鋰的價(jià)錢可以買到約33噸鈉。而且，因?yàn)殁c與鋁在低電位時不會發(fā)生化合，所以鈉離子電池的正負(fù)極均可使用鋁箔作為集流體。相對一般鋰離子電池只能正極使用鋁箔，鈉離子電池的造價(jià)就可以更低。（一般的鋰離子電池的負(fù)極不能使用鋁箔，而使用價(jià)格相對高點(diǎn)的銅箔作為集流體，因?yàn)殇X箔與鋰會發(fā)生反應(yīng)生成鋰鋁合金，造成活性鋰離子損失。）因此，在電網(wǎng)等需大規(guī)模儲能的系統(tǒng)上，鈉離子電池較鋰離子電池有著明顯的成本優(yōu)勢。鈉離子電池的優(yōu)勢來源 | 《從基礎(chǔ)研究到工程化探索》

而且，對我國來說，布局鈉離子電池非常具有戰(zhàn)略意義。我國境內(nèi)的鋰資源儲量雖為世界第四，但大多難以開發(fā)，目前使用的鋰80%依賴進(jìn)口。而鈉資源分布更平均，布局鈉離子電池可降低對鋰資源的依賴，有利于防止他國的資源封鎖。

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鈉離子電池能否替代鋰離子電池？

與鋰離子電池一樣，鈉離子電池的研究開始于上世紀(jì)七十年代。雖然因商業(yè)程度等原因，鈉離子電池的發(fā)展速度不及鋰離子電池，但相關(guān)研究一直在持續(xù)進(jìn)行，并在近十年迎來井噴式發(fā)展。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相似，因此目前的鋰電產(chǎn)業(yè)在一定程度上能夠兼容鈉離子電池。這為鈉離子電池的發(fā)展提供了優(yōu)勢。當(dāng)前，鈉離子電池的主要劣勢是電池能量密度較低。雖然和鋰離子電池還有不小的距離，但已達(dá)到磷酸鐵鋰離子電池的水平。目前，世界各地的科研團(tuán)隊(duì)正從負(fù)極材料入手，希望解決鈉離子電池的這一劣勢。科研人員和其研究成果來源 | 見水印

雖然考慮到電池性能及使用需求，鋰離子電池在長時間內(nèi)仍會是電化學(xué)電池的主流。但鈉離子電池作為一個有競爭力的備選方案，各個主要國家已經(jīng)開始布局鈉離子電池。例如，英國FARADION公司，日本松下、豐田，以及我國的中科海鈉都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化探索。目前，全球開展鈉離子電池業(yè)務(wù)的公司已達(dá)20多家。中科海鈉鈉離子電池示范應(yīng)用來源 | 《從基礎(chǔ)研究到工程化探索》

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，鈉離子電池有很大的潛力。自然風(fēng)能的出現(xiàn)隨機(jī)性強(qiáng)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電不平穩(wěn)、波動大。而電力系統(tǒng)要求高穩(wěn)定性，這就使得風(fēng)電不能直接接入電網(wǎng)，需要一個大型的電池組作為風(fēng)電“緩沖區(qū)”。國家風(fēng)光儲輸示范基地電池組來源 | 《從基礎(chǔ)研究到工程化探索》

如此大規(guī)模的電池組需要物美價(jià)廉的材料，這就使得造價(jià)較低的鈉離子電池極富競爭力。在該領(lǐng)域可差異化替代鋰離子電池。

而近日，胡勇勝在接受科技日報(bào)記者采訪時，也舉例說明了鈉離子電池的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)在常用的手機(jī)鋰離子電池大約一個小時才能充滿電量，而鈉離子電池用十幾分鐘甚至更短時間就可以充滿。冬日鋰離子電池因低溫“罷工”現(xiàn)象頻見報(bào)道，而鈉離子電池在低至-30℃、高至80℃的環(huán)境中，其放電特性依然很好，足見其環(huán)境友好之特性，十分“皮實(shí)”，經(jīng)得起折騰?！拔覀冏鲞^試驗(yàn)，用鋼針刺入鈉離子電池，人為使其短路，發(fā)現(xiàn)沒有起火或爆炸。”

但目前鈉離子電池的正極材料的選擇及制程工藝還不是很成熟，限制了其成本的降低。不過，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們會克服鈉離子電池現(xiàn)有的問題。將來有一天，鈉離子電池終將面向普通人群，大家就可以用上既便宜又安全的電池了。

來源：數(shù)字北京科學(xué)中心


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