鈉離子電池

       2018年12月，南京理工大學夏暉教授與中外團隊合作，首創(chuàng)結構設計和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進展。

技術優(yōu)勢

       研究人員將這種特定的材料定位商業(yè)機密，LITEN合作研究員Lo?c Simonin指出：“其能量密度可與磷酸鐵鋰等鋰離子電池相匹敵”。

       鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當對重量和能量密度要求不高時，鈉離子電池是一種劃算的替代品。 

       與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢有：

       （1）鈉鹽原材料儲量豐富，價格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；

       （2）由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右）降低成本；

       （3）鈉離子不與鋁形成合金，負極可采用鋁箔作為集流體，可以進一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

       （4）由于鈉離子電池無過放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但是其成本優(yōu)勢明顯，有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

工作原理

       在充放電過程中，Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫出：充電時，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極；放電時則相反。

       新款18650鈉離子電池，借助了鈉離子轉移（而不是鋰離子）來存儲和釋放電能。

研究歷史

       鈉離子電池研究最早開始于上世紀八十年代前后，早期被設計開發(fā)出來的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學性能不理想，發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲能電池實現(xiàn)實際應用的關鍵之一。2010年以來，根據(jù)鈉離子電池特點設計開發(fā)了一系列正負極材料，在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升，如作為負極的硬碳材料、過渡金屬及其合金類化合物，作為正極的聚陰離子類、普魯士藍類、氧化物類材料，特別是層狀結構的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展現(xiàn)了很好的充放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。 

       由于鈉離子相對更大，需要更大的能量來驅(qū)動離子的運動，這方面一度是新電池技術最頭疼的問題，直到科學家們像碳芯電池一樣，采用碳作為驅(qū)動介質(zhì)，使得鈉離子電池的能效可以達到鋰電池的7倍之多，而且可循環(huán)充電的次數(shù)更多。此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項難題也被攻克。

       中科院物理所胡勇勝研究員帶領團隊自2011年起致力于安全環(huán)保、低成本、高性能鈉離子電池技術研發(fā)，開發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負極材料、低鹽濃度電解液，其核心專利獲得中國、美國、日本及歐盟授權。2017年，建成百噸級正、負極材料中試線，兆瓦級產(chǎn)能的電池線，研制出能量密度為150 Wh/kg，循環(huán)壽命達4500周 [8]的鈉離子電池，并先后完成電動自行車、全球首輛鈉離子電池低速電動車和首座100kWh鈉離子電池儲能電站示范應用和全球首座1MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng) [9]研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿足自行車等各類低速電動車及電動船的需求，也可用于家庭/工業(yè)儲能、5G基站和數(shù)據(jù)中心后備電源，且適合應用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲能等大規(guī)模儲能領域。

       2015年11月30日，法國一支研究團隊在可充電電池材料上取得了一項重大進步，“18650”鋰電池被普遍用于筆記本、LED手電、以及特斯拉Model S汽車等設備上，但法國國家科學研究中心的研究人員們首次開發(fā)出了業(yè)界標準的18650規(guī)格的鈉離子電池。

       上海交通大學馬紫峰教授研究小組在國家自然科學基金委和國家973計劃支持下，從工業(yè)化應用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進行修飾改性，制備了無粘結劑的高電導特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環(huán)條件下，獲得良好的容量和循環(huán)性能。該研究小組還采用廉價的普魯士藍類材料（NaMFe(CN)6），通過優(yōu)化晶體內(nèi)部分子結構，構筑了高容量、長循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達118.2 mAh/g （10 mA/g）。在國際上首次將該材料與硬碳負極材料制備了儲能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達到了81.72 Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術基礎。

       2018年12月，南京理工大學夏暉教授與中外團隊合作，首創(chuàng)結構設計和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關成果發(fā)表在《自然·通訊》上。這種正極材料制成的電極比容量達到211.9毫安時每克，而市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時每克。充放電過程中，這種正極材料結構穩(wěn)定無相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標準約為80%。

       2021年7月29日消息，寧德時代正式推出鈉離子電池。寧德時代稱，總體來看，第一代鈉離子電池的能量密度略低于目前的磷酸鐵鋰電池，但在低溫性能和快充方面，具有明顯的優(yōu)勢，特別是在高寒地區(qū)高功率應用場景。 

       2020年11月，中科院物理所胡勇勝研究員與中外團隊合作的鈉離子電池論文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界學術刊物《Science》上發(fā)表，該研究提出了一種簡單的預測鈉離子層狀氧化物構型的方法，并在實驗上證實了該方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計和制備提供了理論指導。該研究成果入選2020年度中國科學十大進展30項候選成果。 

       2020年12月，胡勇勝團隊匯集近十年在鈉離子電池基礎研究和工程化探索中取得的研究進展，結合國內(nèi)外專家學者近四十年在鈉離子電池技術領域取得的杰出成果，組織撰寫了《鈉離子電池科學與技術》，系統(tǒng)總結了鈉離子電池的研究現(xiàn)狀，集中探討鈉離子電池的關鍵問題。

       2022年4月19日，湖南立方新能源科技有限責任公司舉行第一代鈉離子電池發(fā)布會。第一代鈉離子電池15分鐘充電80%以上，有望在儲能型新一代電池發(fā)展中占據(jù)先機。立方第一代鈉離子電池采用自主合成層狀氧化物正極和商用高首效硬碳負極，具有高充放電倍率、高安全可靠以及優(yōu)異的低溫性能。

       2022年11月29日上午，全球首條吉瓦時（GWh）級鈉離子電池生產(chǎn)線產(chǎn)品下線儀式在安徽省阜陽市舉行。

納電池和鋰電池比較

       鈉離子電池與鋰離子電池相比較，各有其優(yōu)勢和不足，以下是對兩者的詳細比較：

一、能量密度

       鋰離子電池具有更高的能量密度。鋰元素是最輕的金屬元素，因此具有先天的優(yōu)勢。在相同體積或質(zhì)量下，鋰離子的能量密度比鈉離子高1.8倍。

二、壽命

       鋰離子電池的壽命更長。鋰離子電池經(jīng)過多年的發(fā)展，技術成熟，充放電循環(huán)壽命最高可達2000-3000次以上。而鈉離子電池由于鈉離子的原子質(zhì)量和半徑大于鋰離子，在反應過程中嵌入和脫出的難度更大，循環(huán)壽命相對較短。

三、安全性

       鈉離子電池更安全。鈉離子電池具有較寬的工作溫度區(qū)間，即使在高溫下也不容易發(fā)生熱失控。此外，由于鈉離子電池的短路電流和瞬間發(fā)熱量更小，因此更不容易引起火災或自燃。

四、成本

       鈉離子電池成本更低。鈉離子電池的原材料資源儲備豐富，價格低廉，因此在制造過程中的成本可以大幅降低。然而，目前受限于技術難題，鈉離子電池的成本優(yōu)勢還只存在于理論上，未來隨著技術的進步和規(guī)?；a(chǎn)，這一優(yōu)勢有望轉化為現(xiàn)實。

五、充電速度

       鈉離子電池的充電速度可能更快。雖然鋰離子電池和鈉離子電池的充電速度都受到多種因素的影響，但鈉離子電池在某些情況下可能具有更快的充電能力。例如，有研究表明，在常溫下，鈉離子電池充電15分鐘電量可達80%以上。

六、發(fā)展前景

       鈉離子電池具有更大的發(fā)展前景。鋰離子電池已經(jīng)遇到發(fā)展瓶頸，技術難以有較大的突破。相比之下，鈉離子電池的發(fā)展剛剛開始，隨著更多企業(yè)進入鈉離子電池領域和技術的不斷進步，未來鈉離子電池的壽命短、能量密度低的問題有望得到解決。

       綜上所述，鈉離子電池與鋰離子電池在能量密度、壽命、安全性、成本、充電速度和發(fā)展前景等方面各有優(yōu)劣。具體選擇哪種電池取決于應用場景、性能需求和成本考慮等多種因素。

優(yōu)缺點

       鈉離子電池作為一種新興的電池技術，具有一系列獨特的優(yōu)點和缺點。以下是鈉離子電池的優(yōu)缺點概述：

優(yōu)點

       1、資源豐富：鈉是地球上豐度較高的元素，其儲量豐富，分布廣泛，價格相對低廉。這使得鈉離子電池在原材料成本方面具有顯著優(yōu)勢，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和應用。

       2、安全性高：鈉離子電池使用低濃度的電解液，且鈉離子比鋰離子更穩(wěn)定，不會在電極表面形成枝晶，從而減少了短路或爆炸的風險。此外，鈉離子電池在高溫和低溫環(huán)境下表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，進一步提升了其安全性。

       3、快速充電：鈉離子電池具有較高的充電速度，這對于需要快速補能的電動車和其他應用領域來說是一個重要優(yōu)勢。

       4、環(huán)境適應性強：鈉離子電池可以在各種氣候條件下使用，不完全依賴于復雜的調(diào)控設備，使其應用范圍更加廣泛。

       5、成本效益：由于鈉元素資源豐富且價格低廉，鈉離子電池的生產(chǎn)成本相對較低，有助于降低終端產(chǎn)品的售價，提高市場競爭力。

       6、儲能潛力大：鈉離子電池在儲能系統(tǒng)中的應用前景廣闊，特別是在智能電網(wǎng)、可再生能源并網(wǎng)以及電網(wǎng)級儲能等領域，能夠平衡電力供需、提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

缺點

       1、能量密度較低：相較于鋰離子電池，鈉離子電池的能量密度較低。這意味著在儲存相同能量時，鈉離子電池的體積和重量會更大，對于便攜式電子設備和新能源汽車來說是一個不利因素。

       2、循環(huán)壽命相對較短：鈉離子電池的循環(huán)壽命相對較短，這主要是因為充放電過程中鈉離子在正負極材料中的嵌入和解嵌會導致材料的體積變化，從而引發(fā)結構破壞和性能衰退。

       3、技術成熟度不足：鈉離子電池作為一種新型電池技術，其相關技術仍處于較為早期的階段。目前市場上鈉離子電池的產(chǎn)品種類相對較少，性能也有待進一步提升和優(yōu)化。

       4、市場認可度有待提高：由于鈉離子電池的技術成熟度和市場應用經(jīng)驗相對較少，部分用戶對其性能和可靠性持觀望態(tài)度。因此，提高市場認可度是鈉離子電池未來發(fā)展的重要方向之一。

       綜上所述，鈉離子電池在資源豐富、安全性高、快速充電等方面具有顯著優(yōu)勢，但也存在能量密度低、循環(huán)壽命短、技術成熟度不足等缺點。隨著技術的不斷進步和市場的不斷開拓，鈉離子電池有望在未來發(fā)揮更加重要的作用。

電動車

       鈉離子電池電動車是近年來隨著電池技術發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型電動車。鈉離子電池作為一種新興的電池技術，對新能源汽車產(chǎn)業(yè)有著重要的影響和意義。以下是對鈉離子電池電動車的詳細介紹：

一、鈉離子電池的工作原理與特點

       工作原理：鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，都屬于搖椅式電池，即利用正負極之間的鈉離子來回穿梭實現(xiàn)充放電。具體來說，當電池充電時，鈉離子從正極移動到負極，電子則通過外部電路移動到負極；放電時，過程正好相反。

       主要特點：

       資源優(yōu)勢：鈉是地殼中含量最高的金屬元素之一，豐度是鋰的400多倍，分布廣泛，價格低廉。鈉離子電池正極不需要使用稀有貴金屬如鈷、鎳等，降低了對資源的依賴和成本。

       成本優(yōu)勢：鈉離子電池的原料成本低，且可以使用鋁箔作為負極集流體，比銅箔更便宜。此外，由于鈉離子電池與鋰離子電池工作原理、結構類似，可以利用現(xiàn)有的鋰電產(chǎn)線進行生產(chǎn)，節(jié)省設備投入。

       安全優(yōu)勢：鈉離子電池內(nèi)阻稍高，短路時發(fā)熱量少、溫升低，在過充、過放、短路、針刺、擠壓等測試中未出現(xiàn)起火或爆炸。鈉離子電池還可以實現(xiàn)0V運輸，降低運輸風險。

       環(huán)境優(yōu)勢：鈉離子電池不含有毒重金屬元素，廢棄后易于回收處理，對環(huán)境友好。

       低溫性能：相比鋰離子電池，鈉離子電池在低溫狀態(tài)下有更好的性能表現(xiàn)，電池容量保持率更高。

       快充能力：鈉離子電池的充電時間更快，例如寧德時代的第一代鈉離子電池常溫下充電15分鐘，電量可達80%以上。

二、鈉離子電池電動車的發(fā)展與應用

       市場趨勢：隨著鋰資源的緊張和價格的波動，以及新能源汽車和儲能領域?qū)﹄姵匦枨蟮脑鲩L，鈉離子電池重新受到了重視和投入。多家企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了鈉離子電池的量產(chǎn)或試裝車，鈉離子電池電動車市場逐漸興起。

       實際應用：國內(nèi)外多家企業(yè)已經(jīng)推出了搭載鈉離子電池的電動車型。例如，雅迪、臺鈴、新日等品牌已經(jīng)推出了鈉電池電動車，并獲得了市場的好評。此外，寧德時代等電池供應商也在積極推動鈉離子電池在電動車領域的應用。

       價格與性價比：鈉離子電池電動車的價格通常介于鉛酸電池電動車和鋰電池電動車之間。雖然鈉離子電池的成本相比鋰離子電池要低很多，但考慮到電池性能、安全性等因素，鈉離子電池電動車仍然具有較高的性價比。

三、鈉離子電池電動車的未來展望

       技術突破：隨著鈉離子電池技術的不斷突破，其能量密度、循環(huán)壽命等性能指標有望進一步提升，從而滿足更多電動車型的需求。

       市場普及：隨著鈉離子電池電動車的性能不斷提升和成本不斷降低，其市場普及率有望逐漸提高。未來，鈉離子電池電動車有望成為新能源汽車市場的重要組成部分。

       環(huán)境影響：鈉離子電池電動車的普及將有助于減少對鋰、鈷、鎳等稀有金屬的依賴和消耗，降低對資源的壓力和對環(huán)境的影響。同時，鈉離子電池的回收處理技術也將不斷完善，進一步提高其環(huán)境友好性。

       綜上所述，鈉離子電池電動車作為一種新興的電動車型，具有廣闊的發(fā)展前景和市場潛力。隨著技術的不斷進步和市場的逐步成熟，相信未來我們會看到更多更好的鈉離子電池驅(qū)動的新能源汽車。