中國粉體網(wǎng)訊  2021年1月，在第七屆中國電動汽車百人會論壇上，中國工程院院士陳立泉強調(diào)固態(tài)電池的同時表示現(xiàn)在就應(yīng)該關(guān)注鈉離子電池的發(fā)展。他呼吁，固態(tài)電池要大干快上，引領(lǐng)電動中國；鈉離子電池并駕齊驅(qū)，助推能源互聯(lián)。

鈉離子電池的工作原理及特點

鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的工作原理和儲能機理。相類似的充放電機制：充電過程中，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，并脫出鈉離子；電子通過外電路到達負(fù)極，同時鈉離子也經(jīng)過電解液遷移到負(fù)極；負(fù)極材料得到電子，并嵌入鈉離子，發(fā)生還原反應(yīng)。放電過程與充電過程相反。相似的嵌插化學(xué)性質(zhì)：鈉與鋰屬于同主族元素，物理與化學(xué)性質(zhì)相近。鋰離子和鈉離子可以在相似的材料結(jié)構(gòu)中進行可逆的嵌入與脫出。

鈉離子電池工作原理示意圖

隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅具有鈉資源儲量豐富、分布廣泛、成本低廉、無發(fā)展瓶頸、環(huán)境友好和兼容鋰離子電池現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢。同時借助于正負(fù)極均可采用鋁箔集流體構(gòu)造雙極性電池這一特點，可進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、長壽命、高比能和高安全的方向邁進。

鈉離子電池正負(fù)極材料

為了獲得比能量高、循環(huán)壽命長和快速充放電能力強的先進鈉離子電池，人們正致力于開發(fā)比容量高、循環(huán)性能好和倍率性能佳的儲鈉電極材料和離子電導(dǎo)率高、電化學(xué)窗口寬的功能電解液，并取得了重要進展。

首先，鈉離子電池正極材料的選取原則是具有較高的氧化還原電位、較高的比容量、有利于鈉離子嵌入脫出的晶體結(jié)構(gòu)，并且還具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、良好的離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)，且價格低廉、對環(huán)境友好。目前，有前景的正極材料主要有高容量的層狀氧化物、高電位的氟磷酸鹽和長壽命的磷酸鹽。

其次，負(fù)極材料也是鈉離子電池的關(guān)鍵要素,負(fù)責(zé)提供鈉離子儲存位點和低電位氧化還原電對，對電池的比容量和工作電壓有直接影響。在表征鈉離子電池正極材料的電化學(xué)性能時，大部分情況是以金屬鈉作為負(fù)極。但是由于鈉枝晶的形成很容易導(dǎo)致電池內(nèi)部短路，并且金屬鈉比金屬鋰更加活潑，也更容易與電解液發(fā)生副反應(yīng)，導(dǎo)致電池快速失效。因此實際的鈉離子電池不能直接應(yīng)用鈉金屬作為負(fù)極。鈉離子電池負(fù)極材料與Ｎａ^＋反應(yīng)機理大致包括嵌入、轉(zhuǎn)換或合金化等反應(yīng)。目前，可用的負(fù)極材料主要包括循環(huán)穩(wěn)定性強的鈦基層狀氧化物和碳材料、比容量大的金屬/非金屬單質(zhì)和低成本的金屬化合物。

鈉離子電池(A)負(fù)極和(B)正極材料

鈉離子電池的應(yīng)用

從產(chǎn)業(yè)需求推動而言，我國的儲能市場為鈉離子電池在中國的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了必要條件。陳立泉院士在2020年儲能國際峰會中多次倡導(dǎo)要大力發(fā)展儲能技術(shù)，促電動中國，保能源安全。他對我國儲能行業(yè)的現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析，指出2018年全國數(shù)據(jù)中心共耗電1609億度電，占中國全社會用電量的2.35%；2018年我國棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計1022億度電；隨著5G基站建設(shè)進程加快，我國至少需要新建或改造1438萬個基站，存在155GWh電池的容納空間，對儲能電池的需求必將大幅提升。面對巨大的儲能市場，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優(yōu)勢有望在低速電動車、電動船、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域快速發(fā)展，提升我國在儲能技術(shù)領(lǐng)域的競爭力與影響力。

鈉離子電池潛在應(yīng)用領(lǐng)域

未來，如何通過優(yōu)化制備工藝和電解質(zhì)體系，匹配正負(fù)極材料，實現(xiàn)大容量、長壽命、高功率、低成本、高安全鈉離子成品電池的構(gòu)筑，使其切實在大規(guī)模儲能中發(fā)揮作用，是其發(fā)展的一個重要方向。

參考資料：

李慧等.鈉離子電池:儲能電池的一種新選擇

潘都等.鈉離子電池正負(fù)極材料研究新進展

郭晉芝等.鈉離子電池工作原理及關(guān)鍵電極材料研究進展

向興德等.鈉離子電池先進功能材料的研究進展

葉飛鵬等.鈉離子電池研究進展

中國科學(xué)院物理研究所.鈉離子電池：中國的機會

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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