鈉離子電池的研究和鋰電池的研究基本上同時(shí)起步，但是自上個(gè)世紀(jì)九十年代鋰電池成功商業(yè)化以來，鈉離子電池的研究基本陷于停滯。近年來鋰電池大規(guī)模的在動(dòng)力鋰電池上的應(yīng)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)量還能夠保證充足的供應(yīng)，但是隨著動(dòng)力鋰電池產(chǎn)量的不斷提升，將會(huì)對鋰資源的供應(yīng)帶來巨大的挑戰(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）等人對現(xiàn)有的鈉離子電池研究中面對的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析。

1.鈉離子電池的研究歷史

相比于鋰電池，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80年代，Goodenough老爺子開始嘗試將層狀氧化物作為正極材料，這些層狀結(jié)構(gòu)的材料既可以用來進(jìn)行Li的嵌入和脫出，也可以用來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，因此勝利的天平逐漸向鋰電池偏移。

在負(fù)極材料方面，早期無論是鋰電池，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)由于充放電過程中的枝晶生長問題，因此金屬鋰負(fù)極最終未能得到廣泛的應(yīng)用。幸運(yùn)的是鋰電池成功發(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。但是這些在鋰電池上成功應(yīng)用的碳材料，在鈉離子電池中容量僅為1/10左右，制約了鈉離子電池的應(yīng)用。隨著在1990-2000年范圍內(nèi)鋰電池在商業(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發(fā)了高溫鈉硫電池（300-350℃工作），重要應(yīng)用領(lǐng)域是大規(guī)模的固定式儲(chǔ)能。但是高溫鈉離子電池應(yīng)用范圍較窄，因此大約在2000年左右人們由開始關(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年法國首先開發(fā)了18650型的鈉離子電池，隨后大量的初創(chuàng)公司開始進(jìn)軍這一新興領(lǐng)域，其中2011年創(chuàng)建的位于英國Faradion公司是其中的佼佼者，目前該公司已經(jīng)開發(fā)了基于氧化物正極和硬碳負(fù)極的1-5Ah軟包鋰電池。法國的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推出了目前規(guī)模最大的鈉離子電池儲(chǔ)能站。

2.鋰電池和鈉離子電池比較

由于Li和Na相似的電化學(xué)特性，因此鈉離子電池和鋰電池也具有相似的性能，可以采用相同的生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，因此假如要進(jìn)行鋰電池-鈉離子電池的轉(zhuǎn)變可以實(shí)現(xiàn)完全的無縫銜接。

2.1電池設(shè)計(jì)差異

鋰電池和鈉離子電池在電池設(shè)計(jì)上幾乎沒有差異，漿料配方設(shè)計(jì)、電極生產(chǎn)過程和電池裝配過程都是完全相同，兩者的唯一差別體現(xiàn)在鋰電池中負(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)和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，兩者的重要差別體現(xiàn)在鹽的選擇上，在鋰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)勢，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和鋰電池基本相當(dāng)，在一些情況下，甚至要稍好于鋰電池。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，超過常規(guī)鋰電池。

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測試中，鋰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中所示的鋰電池ARC測試中，鈉離子電池的最大自加熱速度要顯著低于鋰電池，這都表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，因此根據(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)能上的應(yīng)用

關(guān)于動(dòng)力鋰電池的應(yīng)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)汽車上還不具備和鋰電池競爭的實(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)汽車上應(yīng)用。儲(chǔ)能領(lǐng)域關(guān)于電池的重量和體積的要求相對較低，因此這一領(lǐng)域是鈉離子電池應(yīng)用的重要陣地。

總的來看，雖然鈉離子電池在理論上相比于鋰電池具有一定的價(jià)格優(yōu)勢，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)能等領(lǐng)域部分替代鋰電池。

本文重要參考以下文獻(xiàn)：

FromLi-IonBatteriestowardNa-IonChemistries:ChallengesandOpportunities,Adv.EnergyMater.2020,10,2001310,KudakwasheChayambuka,GrietusMulder,DmitriL.Danilov,andPeterH.L.Notten